專利名稱：高速半導(dǎo)體光電探測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電探測(cè)器，尤其涉及雪崩光電探測(cè)器。
光電子裝置由于其巨大的信息處理能力而主要用于通信網(wǎng)絡(luò)，正在受到極大的關(guān)注。構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)整體所必要的一部分就是半導(dǎo)體光電探測(cè)器，它可以將入射光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。一種標(biāo)準(zhǔn)型的光電探測(cè)器是PIN二極管，它包括一個(gè)本征半導(dǎo)體光吸收層，夾于N型與P型半導(dǎo)體層之間。這種裝置存在的一個(gè)問(wèn)題在于，本征光吸收層相對(duì)來(lái)說(shuō)較厚(通常為200～400nm)，這限制了由入射光產(chǎn)生的電子和空穴的傳輸時(shí)間，因而限制了裝置的速度。最近，有人提出減小該裝置的本征層厚度并將它夾于兩層波導(dǎo)層之間，以便增加吸收長(zhǎng)度。這種裝置仍然會(huì)受到傳輸時(shí)間的限制，因?yàn)楸菊鲄^(qū)定義為包括向該裝置施加偏壓產(chǎn)生的電場(chǎng)的區(qū)域，它包括波導(dǎo)層的厚度。還有人提出通過(guò)波導(dǎo)將光引入到標(biāo)準(zhǔn)PIN裝置的本征區(qū)。
另外一種光電探測(cè)器是波導(dǎo)雪崩光電探測(cè)器。作為本征層的一部分，這種裝置通常包括不摻雜質(zhì)的吸收和波導(dǎo)層、摻雜質(zhì)的電荷層和不摻雜質(zhì)的放大層。另外，這種裝置的本征層相當(dāng)厚，通常大約為700nm到1000nm，這限制了傳輸時(shí)間。
因此，我們希望提供一種光電探測(cè)器，它傳輸很快，以便該裝置可以高速運(yùn)行。
本發(fā)明一方面涉及一種半導(dǎo)體雪崩光電探測(cè)器，它包括一個(gè)基本不摻雜質(zhì)的放大層，一個(gè)薄且基本上不摻雜質(zhì)的光吸收層以及一個(gè)摻雜質(zhì)的波導(dǎo)層，波導(dǎo)層與光吸收層相分離并且能夠?qū)⑷肷涔庖氲焦馕諏?。另一方面，本發(fā)明涉及一種制造雪崩光電探測(cè)器的方法以及一種包括雪崩光電探測(cè)器的網(wǎng)絡(luò)和接收機(jī)。
在下面的描述部分中將詳細(xì)描述本發(fā)明的上述和其它的特征。在附圖中

圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的雪崩光電探測(cè)器的橫截面圖；圖2是圖1所示裝置的俯視圖；以及圖3是包含圖1和圖2所示裝置的網(wǎng)絡(luò)一部分的原理圖。
應(yīng)該可以理解的是，由于僅僅是為了解釋說(shuō)明，這些附圖沒(méi)有必要按照比例繪制。
圖1和圖2中示出了按照本發(fā)明制造的一種典型的裝置。在圖1所示的橫截面圖中，從觀看者朝向圖面的方向，光(由圖2中的箭頭表示)入射到裝置的一側(cè)。根據(jù)本實(shí)施例的本發(fā)明是一個(gè)半導(dǎo)體雪崩光電探測(cè)器10，它包括基本上不摻雜質(zhì)的放大層14，薄的、基本上不摻雜質(zhì)的光吸收層16，以及摻雜質(zhì)的波導(dǎo)層17，波導(dǎo)層17與光吸收層16分離并且能夠?qū)⑷肷涔庖氲焦馕諏印?br> 詳細(xì)地說(shuō)，裝置10通常是在一個(gè)半導(dǎo)體基底11之上形成的，在這種情況下，半導(dǎo)體基底11最好是半絕緣的InP。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，如金屬有機(jī)化學(xué)蒸汽沉淀(MOCVD)，或者其它眾所周知的技術(shù)，在基底之上，連續(xù)形成外延半導(dǎo)體層12-18。第一層是覆層12，它最好是N型InP材料，其厚度典型地為400～1000nm，并且在本例中摻雜密度大約為2×1018cm-3。在覆層12之上形成一層N型摻雜的電荷層13，本例中采用的是InAlAs。這層的典型厚度是200nm，并且在本例中摻雜密度大約為2×1018cm-3，以便能基本上防止電荷載體進(jìn)入覆層和基底。還可以這樣理解，雖然在本實(shí)施例中最好采用電荷層13和覆層12，但是它們對(duì)于本發(fā)明并不是必需的。
在電荷層13之上形成放大層14，它基本是不摻雜質(zhì)的(本征的)。應(yīng)這樣理解，在上下文中“不摻雜質(zhì)”指的是不是有意摻雜質(zhì)，而且這一層可包括一些少量N型或者P型摻雜物(小于1×1017cm-3)的本底摻雜。在這個(gè)實(shí)施例中，層14由InAlAs組成。但也可以是其它任何半導(dǎo)體材料，例如InP，它可提供該裝置產(chǎn)生的自由載體的倍增以響應(yīng)入射光。層14的典型厚度在200至1000nm范圍內(nèi)。第二電荷層15最好在放大層14之上形成。這層最好摻雜P-導(dǎo)電型雜質(zhì)，其密度在7×1017cm-3至2×1018cm-3范圍內(nèi)。在這個(gè)實(shí)施例中，層15由InAlAs組成，其厚度最好在50～100nm的范圍內(nèi)，并且用于保護(hù)吸收層免受在裝置工作期間放大層產(chǎn)生的強(qiáng)電場(chǎng)的影響。其它合適的材料還包括InP。
在電荷層15之上形成的是一層薄且基本上不摻雜質(zhì)的吸收層16。在本實(shí)施例中，層16由InGaAs組成，但也可以采用其它任何半導(dǎo)體材料，它可以吸收入射光，并且可以在隨后的響應(yīng)中產(chǎn)生自由載體。這層的厚度預(yù)期在50～100nm的范圍內(nèi)。
在吸收層16之上形成透明的波導(dǎo)層17。該波導(dǎo)層最好摻P-導(dǎo)電型雜質(zhì)，其密度在7×1017cm-3至1×1018cm-3范圍內(nèi)。在本實(shí)施例中，波導(dǎo)層最好由InGaAsP組成，但也可以采用其它折射系數(shù)更高的材料，而且是與即將描述的覆層18相匹配的柵格。該波導(dǎo)層的厚度最好為200～400nm。
最后，是一層P型摻雜質(zhì)的包覆層18，它形成于波導(dǎo)層17之上。在本實(shí)施例中，層18由InP組成，但也可以采用比波導(dǎo)層折射系數(shù)低的其它材料。覆層18的典型厚度在1000～2000nm的范圍內(nèi)。通過(guò)覆層18之上的金屬層19，以及N型覆層12之上的金屬層20和21，提供與覆層18的電接觸。接觸帶狀線23和24將金屬層19與金屬層20和21電連接。如附圖2示意，與N型覆層13的電接觸是通過(guò)在暴露覆層13的裝置的刻蝕臺(tái)階上形成的金屬層22提供的。金屬層19-22可以是金合金的，或是其它任何導(dǎo)電材料，它可形成一個(gè)與半導(dǎo)體材料相接觸的歐姆觸點(diǎn)?？梢赃@樣理解，該接觸方案僅僅是可用來(lái)接觸該裝置的許多可能技術(shù)中的一種。
可以理解的是，在運(yùn)行時(shí)，在朝向圖1的紙面方向上，當(dāng)光穿過(guò)波導(dǎo)層17時(shí)，一個(gè)反向偏壓通過(guò)觸點(diǎn)20-22施加于該裝置。當(dāng)光沿著波導(dǎo)層17移動(dòng)時(shí)，光與吸收層16耦合，導(dǎo)致在吸收層中產(chǎn)生自由載體(電子和空穴)。這些載體被施加的電場(chǎng)清除出吸收層16，而在放大層14中，由于碰撞電離電子數(shù)量增加。這種電子數(shù)量的倍增可以通過(guò)與觸點(diǎn)20-22相連的電路(圖中未示出)來(lái)進(jìn)行探測(cè)。也可以采用其它額外的或者可選的結(jié)構(gòu)。
圖3示出了一個(gè)可以采用前述裝置10的典型光纖網(wǎng)絡(luò)的一部分。最好包括一個(gè)半導(dǎo)體激光器(圖中未示出)的一個(gè)發(fā)送器30通過(guò)光纖31發(fā)送一個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)的光波。光纖31將光引入到包括雪崩光學(xué)探測(cè)器10的光學(xué)接收器32，。由光電探測(cè)器10產(chǎn)生的響應(yīng)光的電流最好電耦合互阻抗放大器33，該放大器放大電信號(hào)并且將電流轉(zhuǎn)換成一電壓信號(hào)，它作為數(shù)據(jù)信號(hào)耦合其余接收機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的其它部分。
可以這樣理解，本發(fā)明的一些優(yōu)點(diǎn)在于波導(dǎo)層17與吸收層16相分離。也就是說(shuō)，由于波導(dǎo)層現(xiàn)在是分離且摻雜質(zhì)的，那么就基本沒(méi)有電場(chǎng)穿過(guò)該層，因此也就不再是該裝置本征區(qū)的一部分。相反，該本征區(qū)包括層14-16。這意味著本征層的厚度可降低到300-500nm的典型值。這又降低了載體的傳輸時(shí)間，導(dǎo)致裝置速度更快。例如，在典型的現(xiàn)有技術(shù)APD中，吸收層和波導(dǎo)層至少為350nm用于進(jìn)行有效波導(dǎo)，電荷層約為50nm，而放大層約為200nm，這使得本征區(qū)的厚度大約為600nm。傳輸時(shí)間限制的帶寬與本征區(qū)的厚度成反比，在這種裝置中大約是38GHz。在本發(fā)明的一個(gè)例子中，吸收層16的厚度降低到50nm，而本征層的厚度(層14-16)降低到300nm。使得傳輸時(shí)間限制的帶寬大約為76.6GHz。希望該傳輸時(shí)間限制的帶寬至少為40GHz。另外，與在上述現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)例中光吸收分布在較厚波導(dǎo)吸收層的頭幾微米相比，由于本實(shí)例中光吸收分布在吸收層的頭50微米，因此這種設(shè)備的處理能力提高了25倍。最后，波導(dǎo)層和吸收層的分離改善了獨(dú)立于波導(dǎo)設(shè)計(jì)考慮的吸收性能。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體雪崩光電探測(cè)器(10)，包括基本上不摻雜質(zhì)的放大層(14)；薄的、基本上不摻雜質(zhì)的光吸收層(16)；和摻雜質(zhì)的波導(dǎo)層(17)，該波導(dǎo)層與光吸收層相分離，并且能夠?qū)⑷肷涔庖氲焦馕諏印?br> 2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，還包括與放大層一個(gè)表面相鄰的第一電荷層(13)以及與放大層另一個(gè)表面相鄰的第二電荷層(15)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中吸收層的厚度在50-100nm的范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中該裝置有一個(gè)本征區(qū)(14-16)，該區(qū)域包括吸收層和放大層，該本征區(qū)的厚度在300至500nm的范圍內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的裝置，其中本征區(qū)還包括電荷層(18)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中吸收層由InGaAs組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，其中波導(dǎo)層由InGaAsP組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的裝置，其中放大層由InAlAs組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中該裝置的傳輸時(shí)間限制的帶寬至少為40GHz。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中波導(dǎo)層摻雜質(zhì)的密度在7×1017cm-3至1×1018cm-3范圍內(nèi)。
11.一種制造雪崩光電探測(cè)器的方法，包括以下步驟在基底之上形成基本上不摻雜質(zhì)的放大層(14)；在放大層之上形成薄的、且基本上不摻雜質(zhì)的光吸收層(16)；和在光吸收層之上形成分離的、摻雜質(zhì)的波導(dǎo)層(17)，該波導(dǎo)層能夠?qū)⑷肷涔庖氲焦馕諏印?br> 12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中各層通過(guò)MOCVD形成。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，還包括在形成放大層之前，在基底之上形成第一電荷層(13)，和在形成吸收層之前，在放大層之上形成第二電荷層(15)。
14.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中吸收層的厚度在50-100nm的范圍內(nèi)。
15.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中吸收層和放大層形成本征區(qū)(14-16)，其厚度范圍在300-500nm。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中本征區(qū)還包括電荷層(15)。
17.根據(jù)權(quán)要求11的方法，其中吸收層由InGaAs組成。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中波導(dǎo)層由InGaAsP組成。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中放大層由InAlAs組成。
20.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中波導(dǎo)層摻雜質(zhì)密度在7×1017cm-3至1×1018cm-3。
21.一種包括雪崩光學(xué)探測(cè)器(10)的光學(xué)接收器(32)，包括基本上不摻雜質(zhì)的放大層(14)；薄且基本上不摻雜質(zhì)的光吸收層(16)；以及摻雜質(zhì)的波導(dǎo)層(17)，該波導(dǎo)層與光吸收層相分離，并且能夠?qū)⑷肷涔庖氲焦馕諏印?br> 22.一種光學(xué)網(wǎng)絡(luò)，包括發(fā)射機(jī)(32)，與發(fā)射機(jī)相耦合的光纖(31)，以及與光纖相耦合的光學(xué)接收器(32)，所述接收器包括雪崩光學(xué)探測(cè)器，該雪崩探測(cè)器由以下組成基本不摻雜質(zhì)的放大層(14)；薄且基本上不摻雜質(zhì)的光吸收層(16)；以及摻雜質(zhì)的波導(dǎo)層(17)，該波導(dǎo)層與光吸收層相分離，并且能夠?qū)⑷肷涔庖氲轿諏印?br> 全文摘要
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體雪崩光電探測(cè)器(10),它包括基本上不摻雜質(zhì)的放大層(14);薄且不摻雜質(zhì)的光吸收層(16);以及摻雜質(zhì)的波導(dǎo)層(17),該波導(dǎo)層與光吸收層相分離,并且能夠?qū)⑷肷涔庖氲焦馕諏印?br> 文檔編號(hào)H01L27/14GK1327272SQ0111734
公開(kāi)日2001年12月19日 申請(qǐng)日期2001年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月28日
發(fā)明者艾倫·優(yōu)吉恩·邦德 申請(qǐng)人:朗迅科技公司