TWI376815B - - Google Patents

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1376815 2012/1/0 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種累增崩潰光二極體 (Avalanche Photodiode, APD )，尤指一種將整個傳統結 構掺雜極性反轉為n-i-n-i-p，並使用電洞觸發神化銦铭 (InAl As )崩潰且適用於高速光纖通信之累增崩潰光二 極體。 I 【先前技彳标】 隨著光纖通信頻寬不斷之增加，10吉位元/秒（ Gbit/sec)累增崩潰光二極體將可能在未來之幾年逐漸 取代2.5Gbit/sec累增崩潰光二極體，成為市場之主流。 在傳統之累增崩潰光二極體市場中，其通常係使用以磷 化銦（InP )為累增層之累增崩潰光二極體結構。然而 ，由於此種結構之崩潰係發生在鋅擴散區，所以常常須 要複雜之鋅擴散分佈來提升崩潰時之速度表現。而且其 元件增益（Gain )及速度表現對外界環境溫度之改變非 常嚴重。為了解決這個問題，如第6圖及第7圖所示， 其分別為曰本三菱電工與美國Prof. Joe C. Campbell提 出之以砷化銦鋁（InAl As )為累增層之累增崩潰光二極 體。在第6圖中，其累增崩潰光二極體之磊晶結構2係 包含一鈍化層（Passivation Film) 2 1、一鋅擴散區（ Zn Diffusion Region) 22、一以無摻雜之 InP 之透光 層（WindowLayer) 2 3、一為珅化銘銦鎵（InAlGaAs 1376815 * 2012/1/^ )之漸變層（0^出1^1^61〇2 4、一為坤化銦鎵（111(^八8 )之吸光層（Absorbing Layer) 2 5、一 P型現場控制 層（p-type Field Control Layer) 2 6、一 InAlAs 之累 增層（Multiplication Layer) 2 7以及一 N型布拉格反 射鏡（n-type DBR Layer) 2 8 所組成，成為 p小p_i_n 蟲晶層，並成長於一摻雜n型Inp之半導體基板2 g上 ，其中，該磊晶結構2並包含一陽極3 〇及一陰極3 1 。上述磊晶結構2雖可有效縮短累増之遲緩時間並有效 降低元件之溫度相依性，然而，為了達成足夠之響應度 及較低之電容值，此元件仍然須使用相當厚之inGaAs 厚度來作為該吸光層25，但，如此一來卻會造成在低 增益操作時（M=1G)，真正支配元件頻寬係二次電洞跨 越該吸光層2 5之傳輸時間，亦如圖所示，其可清 楚看到從累增層所產生之電洞須要經過相當厚之吸光 層飄移回P型電極（Electr〇de)，如此將會造成嚴重之 飄移時間頻寬限制。反之，若係減薄此吸光層之厚度來 電洞傳輸時間，則不僅會犧牲響應度更必須要 ίτ會：重=寸以維持較小之電容值及其速度，因此其 亦會嚴重犧牲封裝時之對準誤差。 在各種用途_，累增崩潰 亍θ朋，貝先一極體係用於偵測單一 光子’且各式應用均需要 2 w 羊確偵測車一光子，而對於以 丄.占或1〇GHZ頻寬之光纖通信系統中，-種可提升 先偵測益之輪出功率與頻寬 外加偏歷過大而降低之結 子飄移速因 再次種可適用於高速長距 1376815 2012/1〆 離光纖通信之_器，已分別描述於Μ民國專利申請 案第094U1H5號及第092124948號中該 共同受讓人，在此以引用方一 …、 扣力式併入前揭案之完整内容。 綜上所述’由於目前—般之1(Κ}Μ_累增崩潰光 二極體在低增益操作時（Gain=1G Vbi㈣鳥〇其主 :之頻寬限制係在於二次電洞傳輸時間，並非累增崩潰 時間’並卫· ’為了響應度之考量，其空乏區（即吸光區） 之厚度也不能大幅減薄以縮短傳輸距離並提升元件速 度。故’-般習用者係無法符合使用者於實際使 所需。 【發明内容】 本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之 返問題並提供—種可使元件本身之電阻電容（RC) =子傳輸時間所造成之頻寬限制得以緩解，並能在不 度之前提下，達到增加元件主動面積及 對皁误差之累增崩潰光二極體。 本發明之次要目的係在於，利用將傳統元件從上到 層：=順序為—-η，改變為一Ρ，並在吸光 下避备：入IllP為電子傳輸層’使其可在帶隙寬度夠寬 =子吸收而產生電子電洞，並經由適當濃度及厚 =制’可將大部份電場集中至累增層以利崩潰，而 :;。:份電場在該吸光層以利載子傳輸與避免崩潰，進 至|有效降低元件電容下’亦可不嚴重犧牲载子傳輸 時間。 2012/I/j^ 本發明m的係在於，利㈣雜極性之改變， 部載子傳輸時間由原來之電洞傳輸時間變為 :且傳輸時間支配’以便使頻寬限制有效獲得緩解，因 _/、有不須要複雜之光學元件即可增進對準誤差在相 有效增進元件速度表現、以及完全不須增加 襄私钹雜度等優點。 為達以上之目的，本發明係一種累增崩潰光二極 體’其磊晶層結構（from T〇p t0 B〇tt〇m)係由一 Ν型 歐姆接觸層、一電子傳輸層、一第一帶隙漸變層、一吸 光層、一第二帶隙漸變層、—n型電荷層、一累增層以 及一 P型歐姆接觸層所組成，成為n-i-n-i-p接面^ ^晶 層，並成長於一半絕緣或導電之半導體基板上。其 本發明累增崩潰光二極體係可選擇性地更包含一第一 導電層及-第二導電層，藉以連接並導通該吸光層或該 累增層。 上述之N型歐姆接觸層係為n+•型摻雜之第一半導 體，用以作為N型電極，並且在該歐姆接觸層上 係可進-步包含該第—導電層；該電子傳輸層係為無捧 雜（Undoped)或n-·型摻雜之第三半導體，並夾置於該 Ν型歐姆接觸層及該ρ型歐姆接觸層之間，用以降低電 容·’該第一帶隙漸變層係為無摻雜或η_•型摻雜之第四 半導體，並夾置於該電子傳輸層及該ρ型歐姆接觸層之 間，用以使寬能隙漸變至窄能隙；該吸光層係為無摻雜 1376815 2012/1/^ 或η—型摻雜之第五半導體，並夾置於該第一帶隙漸變 層及該Ρ型歐姆接觸層之間，用以吸收入射光，並轉換 為載子（Carrier);該第二帶隙漸變層係為無摻雜或η_ 型摻雜之第六半導體，並夾置於該吸光層及該Ρ型歐姆 接觸層之間，用以使窄能隙漸變至寬能隙；該Ν型電荷 層係為η+-型摻雜之第八半導體，並夾置於該第二帶隙 漸變層及該累增層之間，用以於偏壓時，集中電場於該 Φ 累增層；該累增層係為無摻雜之第七半導體，並夾置於 該第二帶隙漸變層及該ρ型歐姆接觸層之間，用以接受 载子以累增放大電流；以及該Ρ型歐姆接觸層係為ρ + · 型摻雜之第二半導體，用以作為Ρ型電極，且該ρ型歐 姆接觸層上係可進一步包含該第二導電層。 【實施方式】 請參閱『第1圖〜第4Β圖』所示，係分別為本發 明結構之能帶分佈示意圖、本發明一較佳實施例之橫剖 面示意圖、本發明另一較佳實施例之橫剖面示意圖、本 發明之電子飄移速度對電場示意圖及本發明之電洞飄 移速度對電場示意圖。如圖所示：本發明係一種累增崩 >貝光一極體（Avalanche Photodiode，APD )，其蟲晶層結 構1 ( from Top to Bottom)係由一 ν型歐姆接觸層 (Ohmic Contact Layer ) 1 1、一電子傳輸層（TranSp〇rt

Layer ) 1 2、一第一帶隙漸變層（Graded Bandgap Layer ) 1 3、一吸光層（Absorption Layer) 1 4、一第二帶隙 9

、 2012/1/W 封·^層 15、一 Ν 型電荷層（charge Layer) 1 6、一 累増層（Multiplication Layer) i 7、以及一 p 型歐姆 接觸層1 8所組成，成為接面之磊晶層，並成 日長於—半絕緣或導電之半導體基板1 9上。其中，本發 明累增崩潰光二極體係可選擇性地更包含一 N型金屬 導電層111及一P型金屬導電層181，藉以連接並 導通該吸光層1 4或該累增層丄7。

。亥N型歐姆接觸層1 1係為型摻雜之第一半導 體石用以作為N型電極。該N型歐姆接觸層1 1係可 ^蟲晶、離子佈值或擴散之方法形成，並可由離子佈值 二擴散之方法直接製作於該電子傳輸層i 2之部份區 ^ 且在該N型歐姆接觸層11上係可進-步包含該N ^屬導電層1 1 1 ’其中’該N型歐姆接觸層工工亦 可為-矽擴散接觸層i la(如第3圖所示）。

該電子傳輸層！ 2係為無摻雜（Und。㈣或卜 β >雜之第_半導體，並夾置於該_ 及該P型歐姆接觸層18之間，用以降低電容。 笛該第一帶隙漸變層13係為無摻雜或n-型換雜之 第四半導體，並夾置於該電子傳 ’ 垃艇1寻翰層12及該Ρ型歐姆 接觸層1 8之間，用以使寬能隙漸 該吸光層14係為無摻雜或η别松雜，楚 _ ^ ^ m ^ 一尺η-型摻雜之第五半導 體，並夹置於該第一帶隙漸變層 声 s 1 3及该ρ型歐姆接觸 (eaFdef)。 射先，並轉換為載子 1376815 該第二帶隙漸變層15係為無摻雜或：： 第=導體’並夹置於該吸光層14及該p型歐姆= 層1 8之間，用以使窄能隙漸變至寬能隙。 該N型電荷層丄6係為n+_型摻雜之第八半導體， 並夾置於該第二帶隙漸變層丄5及該累增層丄7 ， 間，用以於偏壓時，集中電場於該累增層丄7曰。 之

▲該累增層1 7倍'為無摻雜之第七半導體，並夹置於 該第二帶隙漸變層1 5及該P型歐姆接觸層i 8之 間’用以接受載子以累增放大電流。 s 該P型歐姆接觸層1 8係為P+-型摻雜之第二半導 體，用以作為p型電極，且該P型歐姆接觸層i 8上係 可進一步包含該p型金屬導電層181。 、 本發明使用之半導體基板19係可由化合物半導 體二如砷化鎵（GaAs)、銻化鎵（GaSb)、磷化銦（Inp) 或氣化蘇（GaN )所形成，亦或可由四族元素半導體， 如矽（Si)所形成，而該n型歐姆接觸層1 1、該電子 傳輸層1 2、該第一、二帶隙漸變層工3、工5、該N 型電荷層16及該累增層17係以不吸光之材料^形 成，且本發明累增崩潰光二極體之磊晶層結構i係可為 幾何結構，並可由化合物半導體及其合金半導體構成之 異質接面，如碟化銦/碟神化銦鎵/坤化紹銦鎵/珅化銦紹 (InP/InGaAsP/InAlGaAs/InAlAs)所形成，再者，於爷 蟲晶結構1之帶隙寬度上係以η—型之吸光層1 4為最 窄，該累增層1 7及該Ν型電荷層1 6為最寬。如是， 1376815 * 2012/1/14^ 藉由以上所述，係構成一全新之累增崩潰光二極體。 本發明累增月m二極體所需求之遙晶層結構成 長方法無限制’彳為任冑習知之遙晶成長方法及其條 件，較佳為使用分子束蟲晶（Molecular Beam Epitaxy mBE )、有機金屬化學氣相，晶（Metal〇rganic Chemicai vapor Deposition，M〇CVD )或氫化物氣相磊晶（Hydnde

Vapor Phase Epitaxy，HVPE )等磊晶成長方法形成於半 導體基板上。 • & 目刖一 I又10吉位元/秒（Gbit/sec )累增崩潰光二 .極體之主動區直徑通常須從2.5Gbit/sec累增崩潰光： 極體之50微米（μη〇縮小到33μπι。於一較佳實施例 中，本發明之蟲晶結構1係以摻雜η+型之InGaAsp為 該N型歐姆接觸層χ χ，亦或係摻雜矽（Si)而成為一 矽擴散接觸層1 la (如第3圖所示），以無摻雜之inp 為該電子傳輸層1 2 ’以無摻雜之InA1GaAs為該第 _ —、二帶隙漸變層1 3、；L 5，以無㈣之軌銦鎵 (InGaAs)為該吸光層丄4，以摻雜n+型之inAiAs 為該N型電荷層丄6，以無摻雜之InA1As為該累增層 1 7，以及以摻雜p+-型之InGaAsP為該p型歐姆接觸 層1 8。由此可知，本發明係將傳統元件從上到下之摻 雜順序為p-i-p-i-n，改變為n-i-n+p,並在該吸光層^ 4上方加入InP為該電子傳輸層i 2，使其可在帶隙寬 度夠寬下避免光子吸收而產生電子電洞，並經由適當濃 度及厚度之控制，可將大部份電場集中至該累增層丄7 12 1376815 以利崩潰，而較少部份带ie产 20丨2/丨％ 势㈣p ★ 在錢光層1 4關載子傳 輸與避免朋m達到有效降低^件電容下亦可不 嚴重犧牲載子傳輸時間。因此，利用摻雜極性之改變， =内部成為電洞觸發’可將支配元件頻寬之關鍵因 門*原來之二次電洞傳輸時間變為二次電子傳輸時 間’猎由％子速度遠大於電洞速度，如 制有效獲得緩解，如第4A及第4B圖所示，在本員= =〇.53GaG_47As為吸光料，其電子之飽和速度約為 電狀五倍’足證當本發明於運用時，其係可達到一個 較紐之載子傳輸時間及較高之元件速度。 另外，除了上述實_所形叙構外，本發 明於另-較佳實施财，其蟲晶結構亦可以摻雜n+』 之InGaAsP為該心歐姆接觸層，以捧雜η_·型之w 為該電子傳輸層，以捧雜卜型之ΐηΑΐ(}_為該第一、 二帶隙漸變層’以捧雜n—型之祕仏為該吸光層，以 摻雜n+·型之InAlAs為該N型電荷層以無捧雜之 InAlAs為該累增層，以及以摻雜p+型之⑽請為該 P型歐姆接觸層。 一立請參閱『第5圖』所示，係本發明模擬之頻率響應 不思圖。如圖所不.其為傳統結構與本發明結構於相同 幾何尺寸條件T賴擬之結果。此兩個元料具有下例 相同之幾何尺寸條件，分別為〜5G公尺（m)之主動區 直徑，〜1.5m之吸光層厚度，〜綱奈米Um)之累 增層厚度，以及〜15Gnm之電荷層厚度，其中不同之處 13 在於，本發明於吸光層之上方 2012/1/^ .T D „ ^ 乃係夕加了一層600nm厚度 之InP為電子傳輸層，藉 二度 ^ m as -. 千,& 70 1千电谷。因此由模擬 、，·〇果顯不中可清楚看出本發 -Λ 構之頻見為10.5兆赫 纽（GHz)，與傳統結構之頻宽 孫n 〇 再心馮足為7.2GHz相比，本發明 係可使兀件有明顯頻寬之提昇。 “如是，本發明技術關鍵係在於改變傳統以InAUs 為累增層之分離式、吸收、杂 w從山也 收电何、累增朋潰光二極體之 夕…生，並在此磊晶層結構中多加一層空乏之載子傳 利用摻雜極性之改變’讓元件之内部載子傳輸時 間由原來之電洞傳輪時間變為電子傳輸時間支配，進而 使兀件本身之電阻電容（RC)頻寬和載子傳輸時間因 互相抵觸而造成頻寬限制之情況得以緩解，因此係可解 決在β元件主動面積變大與空乏區變厚所造成之速度劣 化門題並可進一步在不嚴重犧牲元件速度之前提下， 利用此70件結構，於施予較大之元件主動面積以增加對 準誤差之同時，並可維持相同之速度表現（1〇Git/sec)， 或大幅提升累增崩潰光二極體速度之極限。 故本發明與傳統光纖通信所使用之高速分離式、吸 收、電荷、累増崩潰光二極體相比更具有下列優點：其 ’不須要複雜之光學元件即可增進對準誤差。其二； 在相同尺寸下可有效增進元件速度表現。其三；完全不 須增加製程複雜度。 綜上所述’本發明係一種累增崩潰光二極體，可有 效改善習用之種種缺點，利用將整個傳統結構掺雜極性 1376815 2012/1// 反轉並使用電洞觸發InAl As之崩潰，使元件本身之RC 及載子傳輸時間所造成之頻寬限制可以緩解，進而能在 不嚴重犧牲元件速度之前提下，增加元件主動面積及對 準誤差，進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符 合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依 法提出專利申請。 惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當 不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請 — 專利範圍及發明說明書内容所作之簡單的等效變化與 修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍内。 【圖式簡單說明】 第1圖，係本發明結構之能帶分佈示意圖。 第2圖，係本發明一較佳實施例之橫剖面示意圖。 第3圖，係本發明另一較佳實施例之橫剖面示意圖。 • 第4 A圖，係本發明之電子飄移速度對電場示意圖。 第4 B圖，係本發明之電洞飄移速度對電場示意圖。 第5圖，係本發明模擬之頻率響應示意圖。 第6圖，係習用之InAlAs APD結構剖面示意圖。 第7圖，係另一習用之InAlAs APD結構剖面示意圖。 【主要元件符號說明】 (本發明部分） 15 1376815 2012/1/〆 磊晶層結構1 N型歐姆接觸層1 1 梦擴散接觸層1 la N型金屬導電層1 1 1 電子傳輸層1 2 第一帶隙漸變層1 3 吸光層1 4 第二帶隙漸變層1 5 N型電荷層1 6 累增層1 7 P型歐姆接觸層1 8 P型金屬導電層1 8 1 半導體基板1 9 (習用部分） 蠢晶結構2 鈍化層2 1 鋅擴散區2 2 透光層2 3 漸變層2 4 吸光層2 5 16 1376815 2012/l/>9 P型現場控制層2 6 累增層2 7 N型布拉格反射鏡2 8 半導體基板2 9上 陽極3 0 陰極3 1

Claims (1)

1. 2012/10 (月/日修(更)正本 十、申請專利範圍：--—- 1 · 一種累增崩潰光二極體（Avalanche photodi〇de, APD) ’係包括： 一 N型歐姆接觸層（〇hmic c〇ntact Layer)’係為n+_型摻雜之第一半導體，用以作為 N型電極； …一 P型歐姆接觸層，係為p + _型摻雜之第二 半導體’用以作為P型電極； 一電子傳輸層（Transport Uyer)，係為無 掺雜（Undoped)或n-_型摻雜之第三半導體，並 夾置於㈣型歐姆接觸層及言亥P型歐姆接觸層之 間’用以降低電容； 一第一帶隙漸變層（Graded Bandgap Layer) ’係為無掺雜或型摻雜之第四半導體， 二夾置於„亥電子傳輸層及該p型歐姆接觸層之 間，用以使寬能隙漸變至窄能隙； 一吸光層（Absorption Layer)，係為無摻雜 或η·-型摻雜之第五半導體，並夾置於該第一帶隙 漸變層及該Ρ型歐姆接觸層之間，用以吸收入射 光’並轉換為载子（Carrier); 一第二帶隙漸變層，係為無摻雜或n__型摻 雜之第六半導體，並炎置於該吸光層及該P型歐 1376815 2012/l/>9 姆接觸層之間，用以使窄能隙漸變至寬能隙； 一累增層（Multiplication Layer)，係為無 摻雜之第七半導體，並夾置於該第二帶隙漸變層 及該P型歐姆接觸層之間，用以接受載子以累增 放大電流；以及 ’'曰 丄、尘.电何層Charge Layer)，係為n+_ 型摻雜之第八半導體，並夾置於該第二帶隙漸變 層及該累増層之間，用以於偏壓時，集中電場於 該累增層； 、 琢、 該累增崩潰光二極體之結構（fr〇m T〇p t〇 B〇U〇m)係由上述N型歐姆接觸層、電子傳輸層、 第-帶隙漸變層、吸光層、第二帶隙漸變層、N 型電荷層、累增層以及P型歐姆接觸層所組成， 成為n+n-i-p接面之磊晶層結構，並成長於一半 絕緣或導電之半導體基板上。 2 ·:據I:專利範圍第1項所述之累增崩潰光二極 體，:、中，該N型歐姆接觸層上更進一步包含一 第一導電層。 3 範圍第1項所述之累增崩潰光二極 第二導電::。型歐姆接觸層上更進-步包含- 4·依據申請專利範圍第1項所述之累増崩潰先二極 19 1376815 - 2012/1^ 體，其中’該蟲晶層結構可由化合物半導體及其 合金半導體構成之異質接面所形成。 < 5 .依據申凊專利範圍第4項所述之累增崩潰光二極 體，其中，該異質接面可為填化銦/磷砷化銦鎵/ 砷化鋁銦鎵/砷化銦鋁 (InP/InGaAsP/InAlGaAs/InAlAs )。 6 ·依據申請專利範圍第1項所述之累增崩潰光二極 馨 體，其中，該半導體基板係可由化合物半導體或 四族元素半導體所形成。 7 ·依據申請專利範圍第6項所述之累增崩潰光二極 體，其令，該化合物半導體係可為砷化鎵 (GaAs)、銻化鎵（GaSb)、Inp 或氮化鎵（GaN)。 8 •依射請專利範圍第6項所述之累增崩潰光二極 體，其中，該四族元素半導體係可為矽（Si)。 » 9.依據申請專利範圍第丄項所述光二極 體’其中’該N型歐姆接觸層係由蟲晶、離子佈 值或擴散之方法形成。 1 0 ·依射料㈣圍第1項料u增崩潰光二 極體’其中，該N型歐姆接觸層係可由離子佈值 或擴散之方法直接製作於該電子傳輸層之部份區 域。 1 1 ·依據申請專㈣㈣！項所述之累增崩潰光二 20 1376815 2012/1^ 極體’其中’該N型歐姆接觸層、該電子傳輸層、 :第-、二帶隙漸變層、該N型電荷層及該累曰增 曰係為不吸光之材料所形成。 2 .依據中請專利範圍第1項所述之累增崩潰光二 極體’其中，該累增崩潰光二極體之帶隙寬度係 以n_-型之吸光層為最窄。 1 •依據申請專利範圍第1項所述之累增崩潰光二 極體，其中，該累增崩潰光二極體之帶隙寬度係 以該累增層及該N型電荷層為最寬。 1 4 ·依據申請專利範圍第1項所述之累增崩潰光二 極體，其令，該N型電荷層係可經由濃度及厚度 之控制，將大部份電場集中至該累增層，少部份 電場在該吸光層。 1 5，依據申凊專利範圍第1項所述之累增崩潰光二 極體，其中，该蟲晶層結構係可由分子束蟲晶 (Molecular Beam Epitaxy，MBE )、有機金屬化學 氣相遙晶（Metalorganic Chemical Vapor Deposition, MOCVD )或氫化物氣相磊晶（Hydride Vapor Phase Epitaxy, HVPE)之磊晶成長方法形 成於該半導體基板上。 1 6 ·依據申請專利範圍第1項所述之累增崩潰光二 極體，其中，該N型歐姆接觸層為型 21 1376815 2012/1/尸 InGaAsP、該電子傳輸層為無摻雜之InP、該第 一、二帶隙漸變層為無摻雜之InAlGaAs、該吸光 層為無摻雜之砷化銦鎵（InGaAs)、該N型電荷 層為 n+-型InAlAs、該累增層為無摻雜之 InA1 As、以及該P型歐姆接觸層為p+-型InGaAsP。 1 7 ·依據申請專利範圍第1項所述之累增崩潰光二 極體，其中，該N型歐姆接觸層為n+-型 InGaAsP、該電子傳輸層為η·-型InP、該第一、 二帶隙漸變層為η、型InAlGaAs、該吸光層為n_-型InGaAs、該N型電荷層為n+-型InAlAs、該累 增層為無摻雜之InAlAs、以及該P型歐姆接觸層 為 P+-型 InGaAsP。

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