高速光探測器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及基于半導(dǎo)體的光探測器，且更具體地，涉及制備具有增強(qiáng)速度響應(yīng)的 高速光探測器的結(jié)構(gòu)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 能夠?qū)⒐庑盘栟D(zhuǎn)換成可探測電信號的基于半導(dǎo)體的光探測器廣泛用于不同技術(shù) 領(lǐng)域（諸如光學(xué)通信網(wǎng)路）中。即，基于p-i-n結(jié)的光電二極管（也稱為PIN光電二極管） 由于其相較于p-n結(jié)對入射光的快速回應(yīng)而尤其適合作為高速光探測器。傳統(tǒng)的p-i-n結(jié) 包括P型半導(dǎo)體層（P層）、η型半導(dǎo)體層（η層）及純質(zhì)型（未摻雜或輕摻雜）半導(dǎo)體層 (也稱為i層，夾置于Ρ層與η層之間）。當(dāng)p-i-n結(jié)操作為光探測器時(shí)，p-i-n結(jié)通常處 于反向偏壓條件中且在不存在光的情況下本質(zhì)上不傳導(dǎo)電流。當(dāng)具有足以將電子自價(jià)帶能 級激發(fā)至導(dǎo)帶能級中的能量的光子由i層吸收時(shí)，產(chǎn)生一對"自由"電子-空穴載流子。在 由分別由P層提供給空穴及由η層提供給電子的較低能級形成的強(qiáng)電勢梯度的影響下，"自 由"電子及空穴載流子在i層內(nèi)沿相反方向分別朝向η層及ρ層快速移動(dòng)，藉此產(chǎn)生可由 外部電路探測為電信號且與入射光信號相關(guān)的光電流。按照慣例，歐姆接點(diǎn)設(shè)置于Ρ層及 η層的每一個(gè)上，藉此分別提供PIN光電二極管的陽極接點(diǎn)及陰極接點(diǎn)。
[0003] 在傳統(tǒng)的PIN光探測器中，光電流本質(zhì)上由于純質(zhì)層（其充當(dāng)光吸收層）中所產(chǎn) 生的自由載流子而形成。由于相同的耗盡半導(dǎo)體層用于光吸收以及用于在P型半導(dǎo)體區(qū)域 與η型半導(dǎo)體區(qū)域之間傳輸光產(chǎn)生的載流子，所以傳統(tǒng)的PIN光探測器的帶寬（S卩，對入射 光響應(yīng)的速度）通常受限于相較于電子載流子慢很多的在純質(zhì)層內(nèi)的空穴載流子的渡越 時(shí)間。
[0004] 增大光探測器的帶寬的常見方式為減小光吸收層的垂直長度（即，高度或厚度） 以便減少電荷載流子的渡越時(shí)間。由于此直接引起更大比電容，所以光電二極管的面積及 因此光探測面積必須減小以使電容保持低于某一指定值。同時(shí)，光電二極管的量子效率或 響應(yīng)度隨著光吸收區(qū)域的厚度的減小而降低。
[0005] 因此，基于PIN的光探測器特性的改進(jìn)意味著一方面寬寬與另一方面光探測區(qū)域 的響應(yīng)度及大小之間的權(quán)衡，其通常取決于這些參數(shù)中的哪一個(gè)對光探測器的預(yù)期應(yīng)用最 關(guān)鍵。
[0006] 用于減小比電容的方法在于引入不吸收所關(guān)注的波長范圍內(nèi)的光的純質(zhì)漂移層。 在第一近似法中，光吸收層中所產(chǎn)生的載流子以與電場及各自載流子迀移率成比例的漂移 速度行進(jìn)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，電 子載流子的飽和速度通常在比空穴載流子低的電場下達(dá)到。因此，由于在大多數(shù)傳統(tǒng)系統(tǒng) 中，所施加的外部電場受限制，所以空穴載流子通常無法達(dá)到其飽和速度。應(yīng)注意，由于空 穴比電子行進(jìn)更慢，所以通常自P側(cè)提供光電二極管的照明，這導(dǎo)致空穴行進(jìn)所沿著的更 短的有效距離。通過設(shè)計(jì)光探測器使得僅更快速的載流子（電子）將必須行進(jìn)越過額外的 漂移層，漂移層將對總渡越時(shí)間僅具有次要貢獻(xiàn)，但將對減小光電二極管的比電容具有大 的影響。
[0007] 已在專利US5, 818, 096中提出用于改進(jìn)PIN光電二極管的頻率響應(yīng)及飽和輸出 的方法。此方法在于使光吸收的功能與兩個(gè)半導(dǎo)體層之間的載流子行進(jìn)分離，以取代如在 傳統(tǒng)的PIN光電二極管中使用相同的耗盡純質(zhì)半導(dǎo)體層。具體地，p型半導(dǎo)體層用作為光 吸收層，且純質(zhì)非吸收半導(dǎo)體層用作為載流子傳輸層。在此配置中，載流子注入至載流子行 進(jìn)層中的響應(yīng)時(shí)間本質(zhì)上取決于P型光吸收層中的電子擴(kuò)散時(shí)間。由于光吸收層中的空 穴載流子的響應(yīng)時(shí)間極短，所以當(dāng)光吸收層中的空穴載流子僅相對于此層內(nèi)的電子移動(dòng)作 出響應(yīng)時(shí)，載流子傳輸層中的空穴載流子的較慢漂移速度沒有直接對光電二極管響應(yīng)起作 用。這導(dǎo)致改進(jìn)的頻率響應(yīng)及飽和輸出。然而，飽和功率的增大意味著光電二極管的較低 的響應(yīng)度。
[0008] 公開的專利申請US2007/0096240A1提出一種用于以較低飽和功率為代價(jià)增強(qiáng) 響應(yīng)度的光電二極管結(jié)構(gòu)。所提出的光電二極管結(jié)構(gòu)除包括常見的純質(zhì)光吸收層之外，還 包括P型摻雜層和/或η型摻雜層作為額外光吸收層。在此情況中，摻雜（非耗盡）吸收 層內(nèi)的少數(shù)載流子（即，具有與摻雜載流子相反極性的載流子）的移動(dòng)本質(zhì)上取決于其各 自的擴(kuò)散時(shí)間。接著，該少數(shù)載流子可自摻雜吸收層快速擴(kuò)散至純質(zhì)層中，且因此與傳統(tǒng)的 PIN光電二極管相比較更不明顯地影響總渡越時(shí)間。由于額外摻雜吸收層增加總光學(xué)吸收 量，所以光電二極管響應(yīng)度也被提供。
[0009] 專利申請W0 03/065416描述一種用于在基本上不減小帶寬的情況下提高裝置之 響應(yīng)度的經(jīng)改造的PIN光電二極管。所提出的光電二極管具有由第二p型半導(dǎo)體層（其充 當(dāng)光吸收層）聯(lián)接的P型半導(dǎo)體層及η型半導(dǎo)體層。該第二p型半導(dǎo)體層沿載流子的路徑 具有分級的Ρ摻雜濃度，其自陽極附近的高值變動(dòng)至朝向陰極的較低值。該分級的Ρ摻雜 濃度在基本上未減少吸收層內(nèi)的載流子的渡越時(shí)間的情況下增加了光電二極管的凈吸收。 此分級摻雜相對于相同厚度的純質(zhì)半導(dǎo)體增大電容，但由該分級摻雜產(chǎn)生的偽電場可給電 子提供較高的速度，這補(bǔ)償增加的電容。
[0010] 因此，需要能夠提供增大的響應(yīng)時(shí)間且維持光探測器的響應(yīng)度與電容之間期望的 平衡的高速光探測器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 考慮到現(xiàn)有系統(tǒng)的上述缺陷及缺點(diǎn)而制造本發(fā)明，并且本發(fā)明的目的在于提供一 種光探測器，其具有增強(qiáng)響應(yīng)速度，同時(shí)將該光探測器的量子效率及比電容維持在期望水 平內(nèi)。
[0012] 此目的通過獨(dú)立技術(shù)方案的主題解決。有利的實(shí)施例由從屬技術(shù)方案的主題限 定。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明，提供一種光探測器，其包括：第一層，其包括第一半導(dǎo)體材料，該第一 半導(dǎo)體材料具有適于吸收在預(yù)期范圍內(nèi)的波長的光的第一帶隙能量；及第二層，其與該第 一層的相鄰側(cè)接合，該第二層包括具有高于該第一帶隙能量的第二帶隙能量的第二半導(dǎo)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區(qū)域中的至少一個(gè)中的摻雜 濃度的分布使得在相同反向偏壓條件下，建立在該第二層內(nèi)的非零電場小于建立在該第一 層內(nèi)的電場。
[0014] 在本發(fā)明的進(jìn)一步發(fā)展中，該摻雜濃度使得該第一層的至少一部分在所述反向偏 壓條件下基本上處于耗盡狀態(tài)中。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步發(fā)展，該第二層中的摻雜濃度高于該第一層中的摻雜濃度。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步發(fā)展，在該第一層的與該第二層相鄰的區(qū)域中的摻雜濃度高 于該第一層的在該第一層的所述區(qū)域外的大部分中的摻雜濃度。
[0017] 在本發(fā)明的另一發(fā)展中，該第二層的與該第一層相鄰的區(qū)域中的摻雜濃度高于該 第二層的在該第二層的所述區(qū)域外的大部分中的摻雜濃度。
[0018] 在本發(fā)明的進(jìn)一步發(fā)展中，該第二半導(dǎo)體材料可為η型輕摻雜半導(dǎo)體材料。
[0019] 在本發(fā)明的進(jìn)一步發(fā)展中，沿該第一層及該第二層的厚度，該第一帶隙能量及該 第二帶隙能量基本上是均勻的。
[0020] 在本發(fā)明的進(jìn)一步發(fā)展中，該光探測器進(jìn)一步包括：第三層，其使該第一層與該第 二層接合，該第三層包括沿該第三層的厚度具有分級帶隙能量的第三半導(dǎo)體材料。
[0021] 在本發(fā)明的進(jìn)一步發(fā)展中，該分級帶隙能量自在該第三層的面向該第一層側(cè)處的 基本上等于該第一帶隙能量的值增大至在該第三層的面向該第二層側(cè)處的基本上等于該 第二帶隙能量的值。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步發(fā)展中，該第三半導(dǎo)體材料可具有自在該第三層的面向該第 一層側(cè)處的基本上等于該第一半導(dǎo)體材料的組分逐漸變動(dòng)至在該第三層的面向該第二層 側(cè)處的基本上等于該第二半導(dǎo)體材料的組分的分級組分。另外或替代地，該第三半導(dǎo)體材 料可包括一區(qū)域，該區(qū)域摻雜有與該第二層的摻雜劑相同類型的摻雜劑。
[0023] 在本發(fā)明的進(jìn)一步發(fā)展中，所述第三層包括在該第二層和/或該第一層中，該第 三層設(shè)置在該第二層和/或該第一層的端側(cè)處。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步發(fā)展，該光探測器進(jìn)一步包括：第一歐姆接點(diǎn)，其適于聯(lián)接至 外部電路；及第四層，其布置在該第一歐姆接點(diǎn)與該第一層的與該第二層相對的相鄰層之 間，該第四層包括具有第四帶隙能量及第四摻雜濃度的第四半導(dǎo)體材料；其中該第四層適 于充當(dāng)用于促進(jìn)自該第一層至該第一歐姆接點(diǎn)中的傳輸電流的提取的電流散布層。
[0025] 該第四帶隙能量可高于該第一帶隙能量，使得該第四層為窗口層。
[0026] 在本發(fā)明的又一發(fā)展中，該光探測器進(jìn)一步包括：第二歐姆接點(diǎn)，其適于聯(lián)接至外 部電路；及第五層，其布置在該第二歐姆接點(diǎn)與該第二層的與該第一層相對的相鄰側(cè)之間， 該第五層包括具有第五帶隙能量及第五摻雜濃度的第五半導(dǎo)體材料；其中該第五層適于充 當(dāng)用于促進(jìn)自該第二層至該第二歐姆接