TWI620339B - 高速光偵測器 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種高速光偵測器，其包括：一第一層，其包括具有一第一帶隙能量(其經調適以吸收一所欲範圍內之波長之光)及一第一摻雜濃度之一第一半導體材料；及一第二層，其與該第一層之一相鄰側介接，該第二層包括具有高於該第一帶隙能量之一第二帶隙能量及一第二摻雜濃度；其中該第一層、該第二層及該第一層與該第二層之間的一區域之至少一者中的一摻雜濃度之一分佈使得建立於該第二層內之一非零電場小於在一相同反向偏壓條件下建立於該第一層內之一電場。
Description
本發明係關於基於半導體之光偵測器，且更特定言之，本發明係關於產生具有增強速度回應之一高速光偵測器的一結構及方法。
能夠將一光信號轉換成一可偵測電信號之基於半導體之光偵測器廣泛用於不同技術領域(諸如光學通信網路)中。即，基於一p-i-n接面之光二極體(亦稱為PIN光二極體)歸因於其等相較於p-n接面之對入射光之快速回應而尤其適合作為高速光偵測器。一習知p-i-n接面包含一p型半導體層(p層)、一n型半導體層(n層)及一純質型(未摻雜或輕微摻雜)半導體層(亦稱為i層，夾置於p層與n層之間)。當p-i-n接面操作為一光偵測器時，p-i-n接面通常處於一反向偏壓條件中且在不存在光之情況下本質上不傳導電流。當具有足以將一電子自價帶能級激發至導帶能級中之能量的一光子由i層吸收時，產生一對「自由」電子-電洞載流子。在由分別由p層提供給電洞及由n層提供給電子之較低能級形成之強電位梯度之影響下，「自由」電子及電洞載流子分別朝向n層及p層之i層內之相反方向上快速移動，藉此產生可由一外部電路偵測為一電信號且與入射光信號相關之一光電流。按照慣例，一歐姆接點設置於p層及n層之各者上，藉此分別設置PIN光二極體之陽極接點及陰極接點。
在習知PIN光偵測器中，光電流本質上歸因於純質層(其充當光吸收層)中所產生之自由載流子。由於相同空乏半導體層用於光吸收以
及用於在p型半導體區域與n型半導體區域之間傳輸光產生之載流子，所以習知PIN光偵測器之頻寬(即，對入射光之回應速度)通常受限於比電子載流子慢很多之純質層內之電洞載流子之渡越時間。
增大光偵測器之頻寬的一常見方式為減小光吸收層之垂直長度(即，高度或厚度)以便減少電荷載流子之渡越時間。由於此直接引起一更大比電容，所以光二極體之面積及因此光偵測面積必須減小以使電容保持低於某一指定值。同時，光二極體之量子效率或回應度隨著光吸收區域之厚度之減小而降低。
因此，一方面，基於PIN之光偵測器特性之改良隱含頻寬與光偵測區域之回應度及大小之間的一權衡，且另一方面，其通常取決於此等參數之何者對光偵測器之所欲應用最關鍵。
用於減小比電容之一方法在於引入不吸收所關注之波長範圍內之光的一純質漂移層。在一第一近似法中，光吸收層中所產生之載流子依與電場及各自載流子遷移率成比例之漂移速度行進至收集層及電極。一般而言，載流子速度隨著電場而增大，直至其飽和。然而，通常在比電洞載流子低之電場中達到電子載流子之飽和速度。因此，由於在大多數習知系統中，所施加之外部電場受限制，所以電洞載流子通常無法達到其飽和速度。應注意，由於電洞比電子行進更慢，所以通常自p側提供光二極體之照明，其導致電洞行進之一更短有效距離。藉由設計光偵測器使得僅更快速載流子(電子)將必須行進穿過額外漂移層，漂移層將對總渡越時間僅具有一次要貢獻，但將對減小光二極體之比電容具有一實質效應。
已在專利US 5,818,096中提出用於改良一PIN光二極體之頻率回應及飽和輸出的一方法。此方法在於使光吸收之功能與兩個半導體層之間之載流子行進分離以取代如同習知PIN光二極體般使用相同空乏純質半導體層。特定言之，一p型半導體層用作為光吸收層且一純質
非吸收半導體層用作為載流子傳輸層。在此組態中，載流子注入至載流子行進層中之回應時間本質上取決於p型光吸收層中之電子之擴散時間。由於光吸收層中之電洞載流子之回應時間極短，所以當光吸收層中之電洞載流子僅對此層內之電子之移動作出回應時，載流子傳輸層中之電洞載流子之較慢漂移速度無法直接促成光二極體回應。此導致改良的頻率回應及飽和輸出。然而，飽和功率之增大隱含光二極體之一更低回應度。
公開專利申請案US 2007/0096240 A1提出一種用於以較低飽和功率成本增強回應度之光二極體結構。所提出之光二極體結構除包含常見純質光吸收層之外，亦包含一p型摻雜層及/或一n型摻雜層作為額外光吸收層。在此情況中，摻雜(非空乏)吸收層內之少數載流子(即，具有與摻雜載流子相反之極性的載流子)之移動本質上取決於其各自擴散時間。接著，該等少數載流子可自摻雜吸收層快速擴散至純質層中，且因此比一習知PIN光二極體更不明顯地影響總渡越時間。由於額外摻雜吸收層增加總光學吸收量，所以光二極體回應度亦增強。
專利申請案WO 03/065416描述一種用於在實質上不減小頻寬之情況下增強裝置之回應度的經修改之PIN光二極體。所提出之光二極體具有由一第二p型半導體層(其充當光吸收層)耦合之一p型半導體層及一n型半導體層。該第二p型半導體層沿載流子之路徑具有一分級p摻雜濃度，其自陽極附近之一高值變動至朝向陰極之更低值。該分級p摻雜濃度在實質上未減少吸收層內之載流子之渡越時間之情況下增加光二極體之淨吸收。此分級摻雜增加相對於相同厚度之一純質半導體的電容，但由該分級摻雜產生之偽電場可將補償增加電容之一更高速度給予電子。
因此，需要能夠提供增強回應時間且維持光偵測器之回應度與電容之間之一所要平衡的高速光偵測器。
已鑑於現有系統之上述缺陷及缺點而製造本發明，及本發明之一目的在於提供一種光偵測器，其具有增強回應速度且使該光偵測器之量子效率及比電容維持於一所要位準內。
此目的由獨立技術方案之標的解決。有利實施例由附屬技術方案之標的界定。
根據本發明，提供一種光偵測器，其包括：一第一層，其包括一第一半導體材料，該第一半導體材料具有經調適以吸收一所欲範圍內之波長之光的一第一帶隙能量；及一第二層，其與該第一層之一相鄰側介接，該第二層包括具有高於該第一帶隙能量之一第二帶隙能量的一第二半導體材料；其中該第一層、該第二層及該第一層與該第二層之間的一區域之至少一者中之一摻雜濃度之一分佈使得建立於該第二層內之一非零電場小於在一相同反向偏壓條件下建立於該第一層內之一電場。
在本發明之一進一步發展中，該摻雜濃度使得該第一層之至少一部分在該反向偏壓條件下實質上處於一空乏狀態中。
根據本發明之一進一步發展，該第二層中之摻雜濃度高於該第一層中之摻雜濃度。
根據本發明之一進一步發展，相鄰於該第二層之該第一層之一區域中之摻雜濃度高於該第一層之該區域外之該第一層之一實質部分中之摻雜濃度。
在本發明之另一發展中，相鄰於該第一層之該第二層之一區域中之摻雜濃度高於該第二層之該區域外之該第二層之一實質部分中之摻雜濃度。
在本發明之一進一步發展中，該第二半導體材料可為一輕微n型摻雜半導體材料。
在本發明之一進一步發展中，沿該第一層及該第二層之一厚度的該第一帶隙能量及該第二帶隙能量實質上係均勻的。
在本發明之一進一步發展中，該光偵測器進一步包括：一第三層，其使該第一層與該第二層介接，該第三層包括沿該第三層之一厚度具有一分級帶隙能量之一第三半導體材料。
在本發明之一進一步發展中，該分級帶隙能量自面向該第一層之該第三層之一側處之實質上等於該第一帶隙能量之一值增大至面向該第二層之該第三層之一側處之實質上等於該第二帶隙能量之一值。
根據本發明之一進一步發展中，該第三半導體材料可具有自面向該第一層之該第三層之該側處之實質上等於該第一半導體材料之一組合物逐漸變動至面向該第二層之該第三層之該側處之實質上等於該第二半導體材料之一組合物的一分級組合物。另外或替代地，該第三半導體材料可包括摻雜有一摻雜劑之一區域，該摻雜劑屬於相同於該第二層之摻雜劑的一類型。
在本發明之一進一步發展中，該第三層包括於該第二層及/或該第一層中，該第三層設置於該第二層及/或該第一層之一端側處。
根據本發明之一進一步發展，該光偵測器進一步包括：一第一歐姆接點，其經調適以耦合至一外部電路；及一第四層，其安置於該第一歐姆接點與相對於該第二層之該第一層之一相鄰層之間，該第四層包括具有一第四帶隙能量及一第四摻雜濃度之一第四半導體材料；其中該第四層經調適以充當用於促進自該第一層至該第一歐姆接點中之一傳輸電流之提取的一電流散佈層。
該第四帶隙能量可高於該第一帶隙能量，使得該第四層為一窗口層。
在本發明之又一發展中，該光偵測器進一步包括：一第二歐姆接點，其經調適以耦合至一外部電路；及一第五層，其安置於該第二
歐姆接點與相對於該第一層之該第二層之一相鄰側之間，該第五層包括具有一第五帶隙能量及一第五摻雜濃度之一第五半導體材料；其中該第五層經調適以充當用於促進自該第二層至該第二歐姆接點中之一傳輸電流之提取的一電流散佈層。
在一進一步發展中，該第一歐姆電極及該第二歐姆電極之至少一者具有一環形狀。
根據本發明之一進一步發展，該光偵測器進一步包括：一第七層，其安置於該第二層與該第五層之間，該第七層包括具有一第七帶隙能量及一第七摻雜濃度之一第七半導體材料，其中該第七帶隙能量高於該第二帶隙能量及該第五帶隙能量，使得橫跨該第七層之少數載流子之流動受阻。
根據本發明之一進一步發展，該第一半導體材料包括GaAs化合物，且該第二半導體材料至該第七半導體材料之至少一者包括AlGaAs化合物。
將附圖併入至本說明書中且附圖構成本說明書之一部分以解釋本發明之原理。該等圖式不應被解譯為使本發明僅限於本發明之製造及使用方式之所繪示及所描述之實例。該等圖式僅用於繪示本發明之實施及使用方式之有利及/或替代實例，且不應被解譯為使本發明僅限於所繪示之實施例。此外，該等實施例之若干態樣可個別地或以不同組合方式形成根據本發明之解決方案。因此，可單獨地或以實施例之一任意組合方式考量下述實施例。
100‧‧‧光偵測器/光二極體
101‧‧‧基板
102‧‧‧光吸收層/第一半導體層/第一層
104‧‧‧漂移層/第二半導體層/第二層
105‧‧‧分級帶隙層/分級層/第三半導體層/第三層
106‧‧‧入射光
110‧‧‧窗口/p側電流散佈層/第四導電層/第四層
112‧‧‧覆蓋及p接觸層/第一接觸層
114‧‧‧陽極/第一歐姆接點
116‧‧‧n側電流散佈層/第五半導體層/第五層
118‧‧‧n接觸層/第二接觸層
120‧‧‧陰極/第二歐姆接點
122‧‧‧少數載流子(電洞)之障壁/障壁層/第七層
124‧‧‧垂直方向
200‧‧‧帶隙圖
202‧‧‧導帶邊緣
204‧‧‧價帶邊緣
206‧‧‧光吸收層之帶隙能量
208‧‧‧漂移層之帶隙能量
將自本發明之各種實施例之下列更特定描述(如附圖中所繪示)而瞭解進一步特徵及優點，其中相同參考符號係指相同元件，且其中：圖1繪示根據本發明之一實施例之一光偵測器之一橫截面圖；及圖2繪示圖1中所繪示之光偵測器之一能帶圖。
現將參考附圖來進一步詳細描述根據本發明所構成之一光偵測器之有利實施例。
如下文所描述，術語「純質半導體」應被理解為在此項技術之其普通意義內，其係純淨的，未摻雜的，且亦可包含非有意摻雜之輕微摻雜半導體。術語「摻雜」將用於係指具有高於下文所描述之純質半導體之摻雜濃度之一摻雜濃度的n型或p型摻雜半導體。
圖1繪示根據本發明之一實施例之一光偵測器之一橫截面圖。在所繪示之實施例中，自一頂側垂直地照射光偵測器100，該頂側為與基板101相對之光偵測器100之側。然而，可設想其中入射光照射底側(即，光偵測器基板101之側)之其他組態。此外，術語「頂部」及「底部」應被解譯為僅用於識別光偵測器100之相對側的相對術語且不應被解譯為對使用中之光偵測器100之實體定向的限制。
光偵測器100包括：一第一半導體層102，其充當一光吸收層；及一第二半導體層104，其安置於與入射光106之側相對之光吸收層102之一相鄰側處且與光吸收層102介接。第二半導體層104充當一載流子行進層(亦稱為漂移層)，如稍後將描述。光偵測器100進一步包括安置於光吸收層102與漂移層104之間且使光吸收層102及漂移層104之相鄰層介接之一第三半導體層105。第三半導體層105為一分級帶隙能量層或僅為分級層，如稍後將解釋。
在與相鄰於漂移層104之側相對之光吸收層102之一相鄰側上，光偵測器100進一步包括由一摻雜半導體材料製成且充當一電流散佈層之一第四半導體層110。包括屬於相同於第四半導體層110之類型之一摻雜半導體材料(在所繪示之實施例中為一p型半導體)的一第一接觸層112設置於電流散佈層110之頂部上以改良電流散佈層110與沈積於光偵測器結構之頂部上之一第一歐姆接點114之電接觸。第一接觸
層112亦可充當一覆蓋層。形成於接觸層112上方之第一歐姆接點114較佳地具有一環形式以便不完全覆蓋下伏半導體層且容許垂直入射光116直接照射p接觸層112。利用第一歐姆接點114之此設計，入射光106被直接透射至下伏半導體層且不穿過歐姆接點114。在一替代實施例中，第一歐姆接點114可擁有其他設計，諸如一封閉圓形形狀。
光偵測器110進一步包括安置於與相鄰於光吸收層102之側相對之漂移層104之側上之一第五半導體層116。第五半導體層116包括摻雜有雜質之一半導體材料，該等雜質提供具有與第四半導體層110相反之極性的載流子，此係因為第五半導體層116亦用作為光偵測器100之此側處之一電流散佈層。包括屬於相同於第五半導體層116之摻雜類型之一半導體材料的一第二接觸層118設置於第五半導體層116與基板101之間。如圖1中所展示，第二接觸層118在基板101上方延伸超出上文所形成之垂直堆疊半導體層。第二接觸層118改良電流散佈層116與沈積於第二層118上方之一第二歐姆接點120之間的電耦合。類似於第一歐姆接點114，第二歐姆接點120較佳地擁有沈積於第二接觸層118上方且圍繞半導體層之垂直堆疊結構同心配置之一平坦環形設計。在其他實施例中，第二歐姆接點120可採用其他設計且設置於垂直堆疊結構之各側處作為(例如)沈積於第二接觸層118上之兩個平行條電極。
第一歐姆接點114及第二歐姆接點120較佳地由一導電材料(諸如鋁、銀、金或銅)製成。在本實施例中，第一歐姆接點及第二歐姆接點分別充當用於將光二極體100電連接至一外部電路(圖中未展示)之陽極接點及陰極接點。
如參考圖1所描述，光偵測器100形成為垂直堆疊於基板101上方之層之一異質結構。在本實施例中，基板由GaAs化合物製成。然而，可使用其他類型之基板。即，基板可為適合於提供一分佈式布拉
格反射鏡(DBR)之材料，諸如AlGaAs化合物。在其他實施例中，第二接觸層118本身可充當光偵測器結構之基板。
現將參考圖2來描述形成光偵測器100之層之進一步細節，圖2展示圖1中所繪示之光偵測器100之一能帶圖200。能帶圖200示意性地繪示沿圖1中所展示之垂直方向124上之光偵測器層之厚度的一導帶邊緣202及一價帶邊緣204之一變動。各層之帶隙能量被描繪為能帶圖200之垂直方向上之各層之導帶邊緣202與價帶邊緣204之間的間隔。能帶圖200中之水平方向表示圖1中所展示之光偵測器100之陽極114與陰極120之間的載流子之一傳導路徑。
光偵測器100之結構之一基本原理在於使用與指定有顯著更低電場處之高遷移率及經修剪之摻雜分佈的一漂移層組合之一薄光吸收層(其中所施加之電場較高)。
有利地設計光偵測器100，使得僅具有較高遷移率之電荷載流子將必須行進橫跨漂移層104。藉由尤其有利於一半導體材料(諸如GaAs及AlxGa1-xAs(x=0、1)化合物)之一實施例而繪示該原理，在該半導體材料中，電子具有比電洞高之一遷移率。在本實施例中，僅電子(具有較高遷移率之載流子)將必須行進橫跨漂移層104，而電洞(具有較低遷移率之載流子)在到達電流散佈層110之前將僅必須行進小於或至多等於光吸收層102之厚度的一距離。
在光偵測器100中，光吸收層102包括屬於一純質類型且具有一帶隙能量206之一半導體材料，帶隙能量206容許藉由吸收具有所關注之一範圍內之一波長的光子而在光吸收層102內產生電子-電洞對。在所關注之範圍接近850奈米之一波長的特定情況中，光吸收層102較佳地由一純質GaAs(i-GaAs)半導體材料製成。比其他純質半導體材料低之未摻雜GaAs之帶隙能量適合於光學通信中之具有所關注波長之光吸收。可根據光偵測器100所要之特定特性而客製化光吸收層102之
垂直長度(厚度)。適合於光吸收層102之厚度的一範圍係介於約0.1微米至約2微米之間。歸因於光吸收層102之未摻雜狀態，光吸收層102在光偵測器100之操作期間本質上處於一空乏條件中，其有助於根據需要在光吸收層102內建立一高電場分佈(電位梯度)。高電場容許減少光吸收層102內之「自由」載流子之渡越時間。
漂移層104包括具有一帶隙能量208之一半導體材料，使得漂移層104本質上用作一載流子傳輸層。如圖2中所展示，漂移層104之帶隙能量208大於光吸收層102之帶隙能量206。特定言之，帶隙能量208足夠大以便防止或至少實質上減少漂移層104吸收具有所關注之範圍內之光學波長的光。在所繪示之實施例中，漂移層104包括一純質或輕微n型摻雜AlGaAs(AlxGa1-xAs，x=0、1)化合物半導體合金。較佳地，高達5微米之一垂直厚度可用於漂移層104。待使用之特定厚度取決於其他層(特定言之，光吸收層102)之相對厚度，且可根據光偵測器100之所要特性而客製化。
漂移層104中之電場低於光吸收層102中之電場，如稍後將解釋。漂移層104中之電場相對於光吸收層102中之電場的減少在圖2中被描繪為自光吸收層102之價帶邊緣204及導帶邊緣202之一更高斜率至漂移層104之一更低斜率的一變換。此特定斜率分佈與橫跨已知PIN光二極體結構(諸如上文所討論之先前技術)中之吸收層及收集層之整體結構所展現之習知恆定斜率形成對比。無論光吸收層102與漂移層104之間的價帶邊緣及導帶邊緣之斜率差如何(如圖2中所描繪)，光吸收層102及漂移層104之帶隙能量沿各自層之厚度保持本質上均勻。
在本實施例中，由分級層105實施自較高電場光吸收層102至較低電場漂移層104之轉變。分級層105包括一半導體材料，其具有沿其垂直厚度逐漸變動之一組合物。半導體組合物之此逐漸變動伴隨著帶隙能量之一對應逐漸變動。較佳地，以使得直接相鄰於光吸收層102
之分級層105之側處之帶隙能量實質上等於光吸收層102之帶隙能量206且沿分級層105之垂直厚度朝向直接相鄰於漂移層104之分級層105之側處之一第二帶隙能量(其實質上等於漂移層104之帶隙能量208)逐漸改變之一方式變動分級層105內之半導體組合物。在本實施例中，該半導體材料之組合物經變動以便實現帶隙能量沿分級層105朝向漂移層104之一逐漸增大，如圖2中所展示。
由光吸收層102、漂移層104及此等兩層之間的區域(在所繪示之實施例中，其包括分級層105)中之摻雜劑濃度之分佈實現漂移層104中之電場相對於光吸收層102中之電場的減小。在一有利實施例中，藉由對相鄰於光吸收層102之分級層105之一區域進行n型摻雜而減小漂移層104中之電場。此摻雜區域可實質上薄於分級層105，但亦可與分級層105一樣厚。一更薄摻雜區域將需要更高摻雜位準，而一更厚區域將需要更低摻雜位準來達成漂移層104中之電場之所要減小。應認知，歸因於直接相鄰於光吸收層102之一摻雜區域中所引入之n型摻雜劑，用於達成漂移層104中之電場之一特定減小的主要因數為總固定比電荷。在本發明之一替代實施例中，藉由對漂移層104本身之一實質部分進行n型摻雜而達成漂移層104中之電場之減小。亦應認知，在此實施例中，歸因於每單位面積之n型摻雜劑，漂移層104中之電場之減小受控於總固定電荷。其他實施例可組合分級層105之一部分之摻雜與漂移層104之一部分或整個漂移層104之摻雜。無論何種情況，產生漂移層104內之電場之所要減小的n型摻雜劑之濃度分佈於參與載流子傳輸但本質上不吸收所關注之範圍內之光的層(即，分級層105及漂移層104)上。其他實施例可使用沿漂移層104或一或若干個極窄區域(其等具有一實質上高摻雜位準，該等區域放置於包括層105及104之區域中及/或相鄰於層104之層102之一區域中之特定位置處)分佈之一可變摻雜位準。可藉由使用此項技術中所熟知之摻雜技術而達成上
文所描述之摻雜劑濃度之分佈，因此，此處將不再進行描述。
亦應認知，一般而言，電荷載流子在純質半導體材料中具有較高遷移率，且遷移率隨著材料中之摻雜濃度之增大而減小。因此，可有利於採用一純質或略微摻雜漂移層104，同時主要藉由僅對分級層105之一小部分進行摻雜使得減小遷移率(由摻雜引起)不會對載流子之渡越時間造成顯著影響而達成漂移層104中之電場之減小。
在所繪示之實施例中，當光吸收層102包括一純質GaAs半導體材料且漂移層104包括一純質或輕微n型摻雜AlGaAs化合物時，分級層105包括具有鋁之一分級濃度x的一輕微n型摻雜AlxGa1-xAs化合物。接著，參數x可在直接相鄰於光吸收層102之側處採用實質上為零之一值(GaAs)，且橫跨分級層105逐漸增大，直至在直接相鄰於漂移層104之側處達到近似於用於漂移層104之AlxGa1-xAs化合物之x濃度的一值。分級帶隙能量在分級層105內產生一偽電場，其本質上致動少數載流子，即，就一n型摻雜半導體層而言，致動電洞載流子。在本實施例中，分級層105為一略微摻雜n型半導體。因此，所產生之偽電場藉由增大自漂移層104注入之電洞載流子之傳輸速度而本質上致動該等電洞載流子。此效應在圖2中被描繪為分級層105之價帶邊緣之增大斜率。分級層105亦補償吸收層102及漂移層104之價帶邊緣之間的一失配，該失配起因於光吸收層102與漂移層104之間的帶隙能量差。此外，由於接近於光吸收層102之一區域內的分級層105之帶隙能量與光吸收層102之帶隙能量相當，所以亦可通過分級層105之一部分吸收入射光子。在其他實施例中，分級層105可展現一分級摻雜濃度及分級半導體組合物，及/或分級層105可展現一分級摻雜濃度以替代分級半導體組合物。該分級摻雜濃度產生致動兩種類型之載流子(電洞及電子)之一額外電場，且因此促成減少該等載流子之各自傳輸時間。因此，可藉由仔細調整橫跨p-i-n接面之不同電場而達成兩種類型之載流
子之更短傳輸時間。
在另一實施例中，分級層105可實施為兩層或兩層以上AlxGa1-xAs化合物之一多層結構，各層具有相對於(若干)前述層中之濃度x而逐漸增大之一濃度x。在另一實施例中，可由整合於光吸收層102及漂移層104之任一者或兩者中的分級組合物之一區域替換分級層105所提供之帶隙分級效應。在此組態中，分級層105實體上不存在，但確切言之，包括於光吸收層102及/或漂移層104中，光吸收層102及漂移層104接著由其等之對應相鄰側直接介接。接著，類似於上文所描述之分級層105之材料組合物之一梯度可實施於與漂移層104介接之光吸收層102(或反之亦然)之一端部區域內，使得可達成自光吸收層102(或漂移層104)之一實質區域之材料組合物及/或摻雜朝向漂移層104(或光吸收層102)之一實質區域之材料組合物及/或摻雜之一逐漸轉變。
如上文所提及，一p側電流散佈層110安置於光吸收層102與p接觸層112之間。p側電流散佈層110具有有助於將光偵測器100之電流提取至陽極114之功能。即，在其中陽極114為一環狀接點之情況中，p側電流散佈層110有助於減小光偵測器100之電阻。較佳地，p側電流散佈層110包括一半導體材料，其具有足夠高於光吸收層102之帶隙能量206之一帶隙能量以便使光吸收限於直接相鄰光吸收層102。就此而言，p側電流散佈層110充當一窗口層，此係因為其容許入射於光偵測器100之頂側(即，在所繪示之實施例中為p側)上之光無衰減地穿過。此外，p側電流散佈層110之帶隙能量顯著高於光吸收層102之帶隙能量亦防止光吸收層102中所產生之電子載流子朝向陽極114流動。p側電流散佈層110亦促成阻止電子自陽極114流動至光吸收層102中，其將添加一雜訊分量至光偵測器100之光學回應。較佳地，用於p側電流散佈層110之半導體材料為一p摻雜AlGaAs化合物。p側電流散佈層110之摻雜濃度較佳地高於光吸收層102之摻雜濃度且顯著低於p接觸
層112之摻雜濃度。較佳地，p接觸層112為一重摻雜p型半導體，諸如一p摻雜GaAs化合物。
如上文所提及，光偵測器100亦包括光偵測器100之n側處之一電流散佈層116。n側電流散佈層116提供類似於p側電流散佈層110之功能，但適應於光偵測器100之n摻雜側之特性。特定言之，n側電流散佈層116較佳地包括具有高於漂移層104、分級層105及光吸收層102之帶隙能量208之一帶隙能量的一n摻雜半導體材料，使得其不促成所關注之波長內之入射光之吸收且促進光產生之電洞載流子朝向陽極114移動。此外，n側電流散佈層116之帶隙能量實質上高於n接觸層118之帶隙能量。因而，亦阻止電洞載流子自n接觸層118至漂移層104中之流動，藉此減小光偵測器100之回應中之一雜訊分量。較佳地，n側電流散佈層116提供為一n摻雜AlGaAs化合物層。適合於n接觸層118之一材料為一n摻雜GaAs材料。
根據光偵測器100之特性(諸如光偵測器結構之其他層之厚度)而客製化電流散佈層之厚度，且該等電流散佈層之特定摻雜濃度可為此項技術中常用於提供所要電流散佈功能之任何摻雜濃度。較佳地，p側電流散佈層110及/或n側電流散佈層116之厚度實質上介於1微米至2微米之間。在其他實施例中，在光偵測器之p側及/或n側處可不存在電流散佈層。例如，在其中光偵測器具有亦充當一基板之一n接觸層的實施例中，光偵測器之n側處之一電流散佈層之功能不是非常重要，此係因為光偵測器之整個底部係導電的。在此一組態中，可省略n側電流散佈層。
可由安置於漂移層104與n側電流散佈層116之間的一薄半導體障壁層122提供用於阻止電洞載流子自陰極側流動至漂移層104及光吸收層102中之一額外貢獻。若來自陰極側之電洞載流子經管理以進入至漂移層104中，則該等電洞載流子將被掃出至朝向陽極114之漂移區域
及吸收區域中以引起光偵測器回應中之一額外雜訊分量。若此雜訊分量並非關鍵，則可在光偵測器100之結構中省略障壁層122。障壁層122之摻雜濃度及帶隙能量經選擇以便提供抵抗少數載流子(即，具有與障壁層122本身中之摻雜劑之極性相反之極性的載流子)之流動的所要載流子障壁效應。較佳地，障壁層122之帶隙能量大於相鄰漂移層104以及n側電流散佈層116之帶隙能量。在所繪示之實施例中，障壁層122由具有實質上20奈米之一垂直厚度的一n摻雜AlGaAs化合物製成。然而，熟習此項技術者可基於光偵測器之特定參數而輕易判定其他半導體材料及/或摻雜濃度以達成障壁層之所要阻止效應。在其他實施例中，障壁層122亦可充當一蝕刻終止層。
在其他實施例中，光偵測器100可進一步包括安置於光吸收層102與p側電流散佈層110之間以便阻止電子載流子自陽極114流動至光吸收層102中之一p摻雜半導體之一障壁層。接著，p摻雜障壁層及n摻雜障壁層可根據特定應用而設置於光偵測器之p側及n側之兩者或僅一者處。
表1中總結可用於形成上文所描述之光偵測器100之一基於GaAs/AlGaAs之結構的摻雜位準及厚度之例示性值。如此項技術中一般所使用，符號p++係指一重p摻雜材料，而符號p+及n+分別係指p摻雜及n摻雜之中等位準。
儘管圖1及圖2中未展示，但光偵測器100可包括用於改良效能之額外功能層。例如，可引入緊鄰純質半導體層之較低摻雜「阻礙(set-back)」層。此外，儘管已參考具有基於GaAs及AlGaAs材料之層之一異質結構的一光偵測器而描述上述實施例，但亦可分別使用其他化合或元素半導體材料而非GaAs及AlGaAs來實施本發明，只要該等選定半導體材料具有遵循上文所描述之帶隙能量及/或摻雜濃度之相對關係的帶隙能量及/或摻雜濃度。此外，儘管已參考一垂直照射結構而描述本發明，但本發明之原理亦可應用於具有一波導結構之一光偵測器。如熟習此項技術者亦將輕易認知，術語「垂直照射」及「垂直堆疊結構」並非意欲使光偵測器之使用或建構限於一垂直定向，而是可採用其他定向，諸如沿一水平方向及/或具有一水平堆疊結構之一光偵測器偵測光信號。此外，上文所描述之光偵測器結構之原理可有利地嵌入於光偵測器之一共振腔增強(RCE)型式中。
Claims (29)
- 一種光偵測器，其包括：一第一層，其包括具有一第一帶隙能量、一第一電場及一第一摻雜濃度的一第一半導體材料，該第一半導體材料包括一GaAs化合物；及一第二層，其設置於該第一層相對於一入射光之一側上，該第二層包括具有高於該第一帶隙能量之一第二帶隙能量的一第二半導體材料、低於該第一電場之一非零第二電場及一第二摻雜濃度，該第二層與該第一層介接(interfaced with)，該第二半導體材料包括一AlGaAs化合物；及位於該第一及第二層之間且具有一第三摻雜濃度之一區域。
- 如請求項1之光偵測器，其中該第二電場由該第一摻雜濃度、該第二摻雜濃度及該第三摻雜濃度至少之一所實現。
- 如請求項2之光偵測器，其中該第一層吸收一所欲範圍內之波長之光。
- 如請求項3之光偵測器，其中該第一層之至少一部分實質上處於一空乏狀態。
- 如請求項3之光偵測器，其中該第二摻雜濃度高於該第一摻雜濃度。
- 如請求項3之光偵測器，其中該第一摻雜濃度可變動地沿著該第一層分佈，且在該第一層鄰近於該第二層之一區域中之該第一摻雜濃度係高於在該第一層之其他區域中之該第一摻雜濃度。
- 如請求項3之光偵測器，其中該該第二摻雜濃度可變動地沿著該第二層分佈，且在該第二層鄰近於該第一層之一區域中之該第二摻雜濃度係高於在該第二層之其他區域中之該第二摻雜濃 度。
- 如請求項3之光偵測器，其中該第二半導體材料係一輕度摻雜n型半導體材料。
- 如請求項3之光偵測器，其中該第一帶隙能量及該第二帶隙能量沿著該第一層及該第二層之一厚度係實質上均勻的。
- 如請求項3之光偵測器，其中該區域包括一第三層，該第三層包括具有一第三半導體材料，該第三半導體材料具有沿著該第三層之一厚度分級(graded)之一第三帶隙能量，該第三層藉由該第二層與該第一層介接。
- 如請求項10之光偵測器，其中該經分級(graded)第三帶隙能量自實質上等於在該第三層面向該第一層之一側處之該第一帶隙能量之一數值增加至實質上等於在該第三層面向該第二層之一側處之該第二帶隙能量之一數值。
- 如請求項11之光偵測器，其中該第三半導體材料具有一經分級化合物，該經分級化合物自在該第三層面向該第一層處實質上等於該第一半導體材料之一化合物逐漸地變動至在該第三層面向該第二層處實質上等於該第二半導體材料之一化合物。
- 如請求項11之光偵測器，其中該第三半導體材料包括摻雜有與該第二層之摻雜物具有相同類型摻雜物之一區域。
- 如請求項3之光偵測器，其進一步包括耦合至一外部電路之一第一歐姆接點及安置於該第一歐姆接點與相對於該第二層之該第一層之一側之間的一第四層，該第四層包括具有一第四帶隙能量及一第四摻雜濃度之一第四半導體材料。
- 如請求項14之光偵測器，其中該第四摻雜濃度高於該第一摻雜濃度。
- 如請求項15之光偵測器，其中該第四帶隙能量高於該第一帶隙 能量。
- 如請求項14之光偵測器，其進一步包括耦合至一外部電路之一第二歐姆接點及安置於該第二歐姆接點與相對於該第一層之該第二層之一側之間的一第五層，該第五層包括具有一第五帶隙能量及一第五摻雜濃度之一第五半導體材料，該第五帶隙能量高於該第二帶隙能量。
- 如請求項17之光偵測器，其中該第一及第二歐姆接點之至少一者具有一環形狀。
- 如請求項17之光偵測器，其進一步包括一障壁層，該障壁層安置於該第二層與該第五層之間，該障壁層包括包括具有一第六帶隙能量及一第六摻雜濃度之一第六半導體材料，該第六帶隙能量高於該第二帶隙能量及該第五帶隙能量。
- 如請求項19之光偵測器，其中該第六半導體材料包括一n型摻雜AlGaAs化合物，且該障壁層具有20奈米之一厚度。
- 如請求項1之光偵測器，其中該第一半導體材料包括一純質型(intrinsic)GaAs化合物，該第二半導體材料包括一純質型或輕度n型摻雜AlGaAs化合物，且該區域係一第三半導體材料，該第三半導體材料包括具有一經分級鋁濃度(graded concentration of aluminum)之一輕度摻雜AlGaAs化合物，該鋁濃度在該區域鄰近於該第一層之一第一側處具有實質上為零之一數值且橫跨該區域朝向該區域鄰近於該第二層之一相對第二側逐漸地增加，於該第二側處之該鋁濃度實質上類似於該第二半導體材料之該AlGaAs化合物之一鋁濃度。
- 一種光偵測器，其包括：一第一層，其包括具有一第一帶隙能量、一第一電場及一第一摻雜濃度的一第一半導體材料，該第一半導體材料包括一GaAs 化合物，該第一層吸收一所欲範圍內之波長之光；一第二層，其包括具有高於該第一帶隙能量之一第二帶隙能量的一第二半導體材料、低於該第一電場之一非零第二電場及一第二摻雜濃度，該第二層與該第一層介接(interfaced with)，該第二半導體材料包括一AlGaAs化合物；位於該第一及第二層之間且具有一第三摻雜濃度之一區域，該第二電場由該第一摻雜濃度、該第二摻雜濃度及該第三摻雜濃度至少之一所實現；耦合至一外部電路之一第一歐姆接點；及安置於該第一歐姆接點與相對於(opposite to)該第二層之該第一層之一側之間的一第四層，該第四層包括具有一第四帶隙能量及一第四摻雜濃度之一第四半導體材料。
- 如請求項22之光偵測器，其中該第四摻雜濃度高於該第一摻雜濃度。
- 如請求項23之光偵測器，其中該第四帶隙能量高於該第一帶隙能量。
- 如請求項22之光偵測器，其進一步包括耦合至一外部電路之一第二歐姆接點及安置於該第二歐姆接點與相對於該第一層之該第二層之一側之間的一第五層，該第五層包括具有一第五帶隙能量及一第五摻雜濃度之一第五半導體材料，該第五帶隙能量高於該第二帶隙能量。
- 如請求項25之光偵測器，其中該第一及第二歐姆接點之至少一者具有一環形狀。
- 如請求項25之光偵測器，其進一步包括一障壁層，該障壁層安置於該第二層與該第五層之間，該障壁層包括包括具有一第六帶隙能量及一第六摻雜濃度之一第六半導體材料，該第六帶隙 能量高於該第二帶隙能量及該第五帶隙能量。
- 如請求項27之光偵測器，其中該第六半導體材料包括一n型摻雜AlGaAs化合物，且該障壁層具有20奈米之一厚度。
- 一種光偵測器，其包括：一第一層，其包括具有一第一帶隙能量、一第一電場及一第一摻雜濃度的一第一半導體材料，該第一半導體材料包括一純質型GaAs化合物；一第二層，其包括具有高於該第一帶隙能量之一第二帶隙能量的一第二半導體材料、低於該第一電場之一非零第二電場及一第二摻雜濃度，該第二層與該第一層介接，該第二半導體材料包括一純質型或輕度n型摻雜之AlGaAs化合物；及一區域，其位於該第一及第二層之間且包括具有一第三摻雜濃度之一第三半導體材料，該第三半導體材料包括具有一經分級鋁濃度之一輕度摻雜AlGaAs化合物，該鋁濃度在該區域鄰近於該第一層之一第一側處具有實質上為零之一數值且橫跨該區域朝向該區域鄰近於該第二層之一相對第二側逐漸地增加，於該第二側處之該鋁濃度實質上類似於該第二半導體材料之該AlGaAs化合物之一鋁濃度。
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