高速光探测器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及基于半导体的光探测器，且更具体地，涉及制备具有增强速度响应的 高速光探测器的结构及方法。
【背景技术】
[0002] 能够将光信号转换成可探测电信号的基于半导体的光探测器广泛用于不同技术 领域（诸如光学通信网路）中。即，基于p-i-n结的光电二极管（也称为PIN光电二极管） 由于其相较于p-n结对入射光的快速回应而尤其适合作为高速光探测器。传统的p-i-n结 包括P型半导体层（P层）、η型半导体层（η层）及纯质型（未掺杂或轻掺杂）半导体层 (也称为i层，夹置于Ρ层与η层之间）。当p-i-n结操作为光探测器时，p-i-n结通常处 于反向偏压条件中且在不存在光的情况下本质上不传导电流。当具有足以将电子自价带能 级激发至导带能级中的能量的光子由i层吸收时，产生一对"自由"电子-空穴载流子。在 由分别由P层提供给空穴及由η层提供给电子的较低能级形成的强电势梯度的影响下，"自 由"电子及空穴载流子在i层内沿相反方向分别朝向η层及ρ层快速移动，藉此产生可由 外部电路探测为电信号且与入射光信号相关的光电流。按照惯例，欧姆接点设置于Ρ层及 η层的每一个上，藉此分别提供PIN光电二极管的阳极接点及阴极接点。
[0003] 在传统的PIN光探测器中，光电流本质上由于纯质层（其充当光吸收层）中所产 生的自由载流子而形成。由于相同的耗尽半导体层用于光吸收以及用于在P型半导体区域 与η型半导体区域之间传输光产生的载流子，所以传统的PIN光探测器的带宽（S卩，对入射 光响应的速度）通常受限于相较于电子载流子慢很多的在纯质层内的空穴载流子的渡越 时间。
[0004] 增大光探测器的带宽的常见方式为减小光吸收层的垂直长度（即，高度或厚度） 以便减少电荷载流子的渡越时间。由于此直接引起更大比电容，所以光电二极管的面积及 因此光探测面积必须减小以使电容保持低于某一指定值。同时，光电二极管的量子效率或 响应度随着光吸收区域的厚度的减小而降低。
[0005] 因此，基于PIN的光探测器特性的改进意味着一方面宽宽与另一方面光探测区域 的响应度及大小之间的权衡，其通常取决于这些参数中的哪一个对光探测器的预期应用最 关键。
[0006] 用于减小比电容的方法在于引入不吸收所关注的波长范围内的光的纯质漂移层。 在第一近似法中，光吸收层中所产生的载流子以与电场及各自载流子迀移率成比例的漂移 速度行进至收集层及电极。一般而言，载流子速度随着电场而增大，直至其饱和。然而，电 子载流子的饱和速度通常在比空穴载流子低的电场下达到。因此，由于在大多数传统系统 中，所施加的外部电场受限制，所以空穴载流子通常无法达到其饱和速度。应注意，由于空 穴比电子行进更慢，所以通常自P侧提供光电二极管的照明，这导致空穴行进所沿着的更 短的有效距离。通过设计光探测器使得仅更快速的载流子（电子）将必须行进越过额外的 漂移层，漂移层将对总渡越时间仅具有次要贡献，但将对减小光电二极管的比电容具有大 的影响。
[0007] 已在专利US5, 818, 096中提出用于改进PIN光电二极管的频率响应及饱和输出 的方法。此方法在于使光吸收的功能与两个半导体层之间的载流子行进分离，以取代如在 传统的PIN光电二极管中使用相同的耗尽纯质半导体层。具体地，p型半导体层用作为光 吸收层，且纯质非吸收半导体层用作为载流子传输层。在此配置中，载流子注入至载流子行 进层中的响应时间本质上取决于P型光吸收层中的电子扩散时间。由于光吸收层中的空 穴载流子的响应时间极短，所以当光吸收层中的空穴载流子仅相对于此层内的电子移动作 出响应时，载流子传输层中的空穴载流子的较慢漂移速度没有直接对光电二极管响应起作 用。这导致改进的频率响应及饱和输出。然而，饱和功率的增大意味着光电二极管的较低 的响应度。
[0008] 公开的专利申请US2007/0096240A1提出一种用于以较低饱和功率为代价增强 响应度的光电二极管结构。所提出的光电二极管结构除包括常见的纯质光吸收层之外，还 包括P型掺杂层和/或η型掺杂层作为额外光吸收层。在此情况中，掺杂（非耗尽）吸收 层内的少数载流子（即，具有与掺杂载流子相反极性的载流子）的移动本质上取决于其各 自的扩散时间。接着，该少数载流子可自掺杂吸收层快速扩散至纯质层中，且因此与传统的 PIN光电二极管相比较更不明显地影响总渡越时间。由于额外掺杂吸收层增加总光学吸收 量，所以光电二极管响应度也被提供。
[0009] 专利申请W0 03/065416描述一种用于在基本上不减小带宽的情况下提高装置之 响应度的经改造的PIN光电二极管。所提出的光电二极管具有由第二p型半导体层（其充 当光吸收层）联接的P型半导体层及η型半导体层。该第二p型半导体层沿载流子的路径 具有分级的Ρ掺杂浓度，其自阳极附近的高值变动至朝向阴极的较低值。该分级的Ρ掺杂 浓度在基本上未减少吸收层内的载流子的渡越时间的情况下增加了光电二极管的净吸收。 此分级掺杂相对于相同厚度的纯质半导体增大电容，但由该分级掺杂产生的伪电场可给电 子提供较高的速度，这补偿增加的电容。
[0010] 因此，需要能够提供增大的响应时间且维持光探测器的响应度与电容之间期望的 平衡的高速光探测器。
【发明内容】
[0011] 考虑到现有系统的上述缺陷及缺点而制造本发明，并且本发明的目的在于提供一 种光探测器，其具有增强响应速度，同时将该光探测器的量子效率及比电容维持在期望水 平内。
[0012] 此目的通过独立技术方案的主题解决。有利的实施例由从属技术方案的主题限 定。
[0013] 根据本发明，提供一种光探测器，其包括：第一层，其包括第一半导体材料，该第一 半导体材料具有适于吸收在预期范围内的波长的光的第一带隙能量；及第二层，其与该第 一层的相邻侧接合，该第二层包括具有高于该第一带隙能量的第二带隙能量的第二半导体 材料；其中该第一层、该第二层及该第一层与该第二层之间的区域中的至少一个中的掺杂 浓度的分布使得在相同反向偏压条件下，建立在该第二层内的非零电场小于建立在该第一 层内的电场。
[0014] 在本发明的进一步发展中，该掺杂浓度使得该第一层的至少一部分在所述反向偏 压条件下基本上处于耗尽状态中。
[0015] 根据本发明的进一步发展，该第二层中的掺杂浓度高于该第一层中的掺杂浓度。
[0016] 根据本发明的进一步发展，在该第一层的与该第二层相邻的区域中的掺杂浓度高 于该第一层的在该第一层的所述区域外的大部分中的掺杂浓度。
[0017] 在本发明的另一发展中，该第二层的与该第一层相邻的区域中的掺杂浓度高于该 第二层的在该第二层的所述区域外的大部分中的掺杂浓度。
[0018] 在本发明的进一步发展中，该第二半导体材料可为η型轻掺杂半导体材料。
[0019] 在本发明的进一步发展中，沿该第一层及该第二层的厚度，该第一带隙能量及该 第二带隙能量基本上是均匀的。
[0020] 在本发明的进一步发展中，该光探测器进一步包括：第三层，其使该第一层与该第 二层接合，该第三层包括沿该第三层的厚度具有分级带隙能量的第三半导体材料。
[0021] 在本发明的进一步发展中，该分级带隙能量自在该第三层的面向该第一层侧处的 基本上等于该第一带隙能量的值增大至在该第三层的面向该第二层侧处的基本上等于该 第二带隙能量的值。
[0022] 根据本发明的进一步发展中，该第三半导体材料可具有自在该第三层的面向该第 一层侧处的基本上等于该第一半导体材料的组分逐渐变动至在该第三层的面向该第二层 侧处的基本上等于该第二半导体材料的组分的分级组分。另外或替代地，该第三半导体材 料可包括一区域，该区域掺杂有与该第二层的掺杂剂相同类型的掺杂剂。
[0023] 在本发明的进一步发展中，所述第三层包括在该第二层和/或该第一层中，该第 三层设置在该第二层和/或该第一层的端侧处。
[0024] 根据本发明的进一步发展，该光探测器进一步包括：第一欧姆接点，其适于联接至 外部电路；及第四层，其布置在该第一欧姆接点与该第一层的与该第二层相对的相邻层之 间，该第四层包括具有第四带隙能量及第四掺杂浓度的第四半导体材料；其中该第四层适 于充当用于促进自该第一层至该第一欧姆接点中的传输电流的提取的电流散布层。
[0025] 该第四带隙能量可高于该第一带隙能量，使得该第四层为窗口层。
[0026] 在本发明的又一发展中，该光探测器进一步包括：第二欧姆接点，其适于联接至外 部电路；及第五层，其布置在该第二欧姆接点与该第二层的与该第一层相对的相邻侧之间， 该第五层包括具有第五带隙能量及第五掺杂浓度的第五半导体材料；其中该第五层适于充 当用于促进自该第二层至该第二欧姆接