專利名稱：改進(jìn)的光電探測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于半導(dǎo)體的光電探測(cè)器，尤其涉及具有改進(jìn)的吸收特性、高速、寬的帶寬的光電探測(cè)器。
背景技術(shù)：
在光電探測(cè)器的高速和靈敏度之間有眾所周知的折衷方案。高的帶寬信號(hào)檢測(cè)要求載流子具有較短的躍遷時(shí)間，因此需要較薄的吸收層。但是，對(duì)吸收層厚度的尺寸限制導(dǎo)致吸收效果和響應(yīng)度降低。
一種類型的基于半導(dǎo)體的光電探測(cè)器是p-i-n結(jié)二極管，或稱為PIN二極管。一般由外延層中的多個(gè)半導(dǎo)電性固體的夾層結(jié)構(gòu)構(gòu)成這類結(jié)構(gòu)。具體而言，由本征半導(dǎo)體將p型半導(dǎo)體材料和n型半導(dǎo)體區(qū)隔開。
在PIN二極管中，耗盡層以與摻雜濃度成反比的距離延伸到結(jié)的各邊中。因此，p-i耗盡層充分地延伸到本征材料中，i-n結(jié)的耗盡層也同樣如此。因此，PIN二極管的功能如同具有包圍整個(gè)本征材料的耗盡層的p-n結(jié)。這種結(jié)構(gòu)固有的主要優(yōu)點(diǎn)包括兩個(gè)方面。首先，添加本征材料可以增加由二極管捕獲的光量的分?jǐn)?shù)。其次，由于具有伸長(zhǎng)的耗盡層，因此PIN二極管具有非常小的結(jié)容量和相應(yīng)較快的響應(yīng)速度。
致力于增加PIN二極管的速度的工作主要集中在降低結(jié)的容量。至少一種所提出的設(shè)計(jì)方案包含用來有效增加二極管的本征部分的尺寸的未摻雜的漂移區(qū)(drift region)。雖然這種方案適用于增加結(jié)容量，但不幸的是，它增加了載流子的遷移時(shí)間并因此而降低了光電探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間。因此，在本領(lǐng)域中，需要在增加器件的響應(yīng)度時(shí)可以實(shí)現(xiàn)容量和響應(yīng)時(shí)間之間的平衡的改善的光電探測(cè)器。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明包含具有由一第二p型半導(dǎo)體層耦合的一第一p型半導(dǎo)體層和一n型半導(dǎo)體層的光電二極管。第二p型半導(dǎo)體層在沿載流子的路徑上具有分級(jí)的摻雜。具體而言，摻雜的濃度分級(jí)為從陽極附近的高值到接近陰極的p濃度的低值。通過以這種方式對(duì)摻雜進(jìn)行分級(jí)，實(shí)現(xiàn)吸收增加，改善器件的響應(yīng)度。雖然與相同厚度的本征半導(dǎo)體相比，這種摻雜增加了容量，但由這種分級(jí)摻雜而產(chǎn)生的偽電場(chǎng)使電子具有非常高的速度，這種速度高于對(duì)這種容量的增加的補(bǔ)償。下面參照


本發(fā)明的實(shí)施例和優(yōu)點(diǎn)。

圖1是根據(jù)本發(fā)明的pin光電二極管的能帶圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的表面照明結(jié)構(gòu)中的光電二極管的基本結(jié)構(gòu)的斷面圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的電場(chǎng)和電子速度之間的關(guān)系圖。
圖4是本發(fā)明的半導(dǎo)體層的摻雜濃度和相對(duì)深度之間的關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，設(shè)置用于光電導(dǎo)目的的外延結(jié)構(gòu)。該光電導(dǎo)的結(jié)構(gòu)是改性PIN二極管，為了通過具有分級(jí)摻雜濃度的改進(jìn)的層而提高性能，優(yōu)化該改性PIN二極管。這里進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和制造方法。
參照?qǐng)D1，PIN光電二極管10的能帶圖表示形成光電二極管10的半導(dǎo)體材料的相對(duì)能級(jí)。具體而言，由包含第一p型半導(dǎo)體層14、第二p型半導(dǎo)體層16和n型半導(dǎo)體層18的半導(dǎo)體材料組構(gòu)成光電二極管10。如圖所示，陽極層12鄰近于用于聚集空穴的第一p型半導(dǎo)體層14。
第一p型半導(dǎo)體層14是三元化合物半導(dǎo)體，或第III-V族半導(dǎo)體。因此，第一p型半導(dǎo)體層14是第III族中的兩種元素與第V族中的一種元素的組合，或者相反，是第V族中的兩種元素與第III族中的一種元素的組合。周期表中的代表性的族如下表所示。

在優(yōu)選實(shí)施例中，第一p型半導(dǎo)體層14是InAlAs。但可以理解，第一p型半導(dǎo)體層14可以是提供優(yōu)化光電二極管10的動(dòng)作所需的帶隙的任意三元化合物半導(dǎo)體。
n型半導(dǎo)體層18也是三元化合物半導(dǎo)體，或第III-V族半導(dǎo)體。如上所述，n型半導(dǎo)體層18是第III族中的兩種元素與第V族中的一種元素的組合，或者相反，是第V族中的兩種元素與第III族中的一種元素的組合。在優(yōu)選實(shí)施例中，n型半導(dǎo)體層18是InAlAs。但可以理解，第一p型半導(dǎo)體層14可以是提供優(yōu)化光電二極管10的動(dòng)作所需的帶隙的任意三元化合物半導(dǎo)體。
第二p型半導(dǎo)體層16也是三元化合物半導(dǎo)體，或第III-V族半導(dǎo)體。在優(yōu)選實(shí)施例中，第二p型半導(dǎo)體層16是具有分級(jí)摻雜濃度的InGaAs。但可以理解，第二p型半導(dǎo)體層16可以是提供優(yōu)化光電二極管10的動(dòng)作所需的低帶隙的任意三元化合物半導(dǎo)體。
為了實(shí)現(xiàn)分級(jí)摻雜濃度，不以典型的方式對(duì)第二p型半導(dǎo)體層16進(jìn)行摻雜。一般地，通過使用缺少價(jià)電子且常被用作受主的摻雜劑制備p型半導(dǎo)體。p型摻雜導(dǎo)致產(chǎn)生大量的空穴。例如，在一類III-V半導(dǎo)體中，可以用諸如Zn或Cd的第II族的原子取代一些第III族的原子，由此制成p型材料。同樣地，當(dāng)?shù)贗V族原子作為第V族原子的受主和第III族原子的施主時(shí)，第IV族摻雜的III-V半導(dǎo)體將同時(shí)具有過量的電子和空穴。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的表面照明結(jié)構(gòu)中的光電二極管10的基本結(jié)構(gòu)的斷面圖。提供用于生長(zhǎng)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的襯底層20。在襯底上淀積n型半導(dǎo)體層18。淀積第一p型半導(dǎo)體層14和第二p型半導(dǎo)體層16，使得第二p型半導(dǎo)體層16直接鄰近于n型半導(dǎo)體層18。如上所述，在第一p型半導(dǎo)體層14上淀積用于聚集空穴的陽極層12。還示出了用于聚集電子的陰極層22或n型接觸層。
已經(jīng)說明，第二p型半導(dǎo)體層16的特征在于它包含分級(jí)摻雜濃度。為了優(yōu)化光電二極管的性能，控制摻雜劑在第二p型半導(dǎo)體層16的存在。第一濃度15位于第一p型半導(dǎo)體14附近，第二濃度17直接鄰近于n型半導(dǎo)體層18。優(yōu)選地，第一濃度15的厚度為800～1000埃，即尺寸與載流子的遷移方向平行。
在優(yōu)選實(shí)施例中，第一濃度15大于第二濃度17。具體而言，第一濃度15位于位置x0并限定摻雜劑濃度p0。對(duì)于所有大于零的x和D，在第二p型半導(dǎo)體層16的深度D上，由下面的等式控制優(yōu)選的摻雜濃度梯度(1)---p=p0e-xD]]>圖4表示等式(1)。
第二p型半導(dǎo)體層16的分級(jí)摻雜結(jié)構(gòu)使光電二極管10的性能提高。在動(dòng)作過程中，在光電二極管10的第二p型半導(dǎo)體層16中吸收入射光。在大的漂移電場(chǎng)的影響下，吸收到第二p型半導(dǎo)體層16的第二濃度17部分中的光產(chǎn)生向陽極12和陰極22漂移的電子和空穴。雖然這是標(biāo)準(zhǔn)均勻低摻雜的吸收器PIN光電探測(cè)器的常見情形，但在本發(fā)明中，載流子的光響應(yīng)更復(fù)雜。
在第二p型半導(dǎo)體層16的第二濃度17部分中產(chǎn)生的電子以其飽和速度到達(dá)陰極，并得以聚集。在第二p型半導(dǎo)體層16的第二濃度17部分產(chǎn)生的空穴遷移到陽極12，由此進(jìn)入摻雜劑的濃度相當(dāng)高的第一濃度15，并在這里聚集，由此結(jié)束它們的遷移時(shí)間。
通過對(duì)比，在第二p型半導(dǎo)體層16的第一濃度15部分中所吸收的光也會(huì)產(chǎn)生電子和空穴。但在這種情況下，空穴易于聚集在第一濃度15中，因此實(shí)質(zhì)上不增加載流子的遷移時(shí)間或降低光電二極管10的帶寬。因此，當(dāng)考慮空穴時(shí)，光電二極管10的分級(jí)摻雜濃度不增加它們的遷移時(shí)間或降低第一濃度15或第二濃度17中的探測(cè)器帶寬。
第二p型半導(dǎo)體層16的分級(jí)摻雜濃度的另一方面是產(chǎn)生偽電場(chǎng)。第一濃度15區(qū)域中產(chǎn)生的電子受到下式中表達(dá)的偽場(chǎng)的作用(2)---E=-(kTq)dpdx]]>其中，k是波爾茲曼常數(shù)，T是溫度，q是電子的電荷， 值是摻雜濃度梯度。
偽場(chǎng)E產(chǎn)生“過沖”電子速度，即，電子速度可能比飽和速度快幾倍。典型的電子飽和速度的量級(jí)為5×106cm/sec。但是，在D＝1000埃時(shí)等式(1)所示的指數(shù)梯度產(chǎn)生電場(chǎng)E＝2.5kV/cm，這對(duì)應(yīng)于3×107cm/sec的電子過沖速度。圖3表示偽場(chǎng)E的大小與電子速度之間的關(guān)系。
如上所述，本發(fā)明通過實(shí)施分級(jí)摻雜濃度，提高了光電二極管中的技術(shù)發(fā)展水平。在這種方式中，基本上不用降低器件的整個(gè)帶寬，就可以增加光電二極管的凈吸收。還可以理解，通過調(diào)整摻雜濃度、器件的容量以及吸收區(qū)域的整體厚度，可以方便地優(yōu)化整體速度。上述實(shí)施例只是本發(fā)明的諸多可能的具體實(shí)施例中的幾種實(shí)例，這對(duì)于本領(lǐng)域中的技術(shù)人員是顯而易見的。在不背離下面權(quán)利要求中限定的發(fā)明的精神和范圍的情況下，本領(lǐng)域中的技術(shù)人員可以很容易地設(shè)計(jì)許多不同的配置。
權(quán)利要求
1.一種光電二極管，包括一第一p型半導(dǎo)體層；一n型半導(dǎo)體層；在第一p型半導(dǎo)體層和n型半導(dǎo)體層之間設(shè)置的一第二p型半導(dǎo)體層，該第二p型半導(dǎo)體層被設(shè)置使得該第二P型半導(dǎo)體直接鄰近于n型半導(dǎo)體，且該第二p型半導(dǎo)體層具有分級(jí)摻雜濃度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的光電二極管，進(jìn)一步包括一用于聚集空穴的陽極層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的光電二極管，進(jìn)一步包括一用于聚集電子的陰極層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的光電二極管，其特征在于，第一p型半導(dǎo)體層是InAlAs。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的光電二極管，其特征在于，n型半導(dǎo)體層是InAlAs。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的光電二極管，其特征在于，第二p型半導(dǎo)體層是InGaAs。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的光電二極管，其特征在于，分級(jí)摻雜濃度限定鄰近于第一p型半導(dǎo)體層的一第一濃度和鄰近于n型半導(dǎo)體層的一第二濃度，并且第一濃度大于第二濃度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的光電二極管，其特征在于，第一濃度位于位置x0并限定摻雜劑濃度p0，并且，對(duì)于所有大于零的x和D，在第二p型半導(dǎo)體層的深度D上，由下面的等式控制分級(jí)摻雜濃度p=p0e-xD]]>
9.根據(jù)權(quán)利要求8的光電二極管，其特征在于，第一濃度的長(zhǎng)度為800～1000埃。
10.一種光電二極管的制造方法，包括下列步驟設(shè)置一襯底層；在襯底上淀積第一p型半導(dǎo)體層；在襯底上淀積n型半導(dǎo)體層；將第二p型半導(dǎo)體層分級(jí)為第一濃度到第二濃度，其中，第一濃度大于第二濃度；以及在第一p型半導(dǎo)體層和n型半導(dǎo)體層之間淀積第二p型半導(dǎo)體層，使得第二濃度直接鄰近于n型半導(dǎo)體層。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，進(jìn)一步包括添加聚集空穴的陽極的步驟。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，進(jìn)一步包括添加聚集電子的陰極的步驟。
13.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其特征在于，第一p型半導(dǎo)體層是InAlAs。
14.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其特征在于，n型半導(dǎo)體層是InAlAs。
15.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其特征在于，第二p型半導(dǎo)體層是InGaAs。
16.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其特征在于，第一濃度位于位置x0并限定摻雜劑濃度p0，并且，對(duì)于所有大于零的x和D，在第二p型半導(dǎo)體層的深度D上，由下面的等式控制分級(jí)摻雜濃度p=p0e-xD]]>
17.一種光電二極管，具有一第一p型半導(dǎo)體層和一n型半導(dǎo)體層，該光電二極管包括在第一p型半導(dǎo)體層和n型半導(dǎo)體層之間設(shè)置的一第二p型半導(dǎo)體層，該第二p型半導(dǎo)體層被設(shè)置使得該第二P半導(dǎo)體直接鄰近于n型半導(dǎo)體，且該第二p型半導(dǎo)體層具有分級(jí)摻雜濃度，其中對(duì)于所有大于零的x和D，在第二p型半導(dǎo)體層的深度D上，由下面的等式控制分級(jí)摻雜濃度p=p0e-xD]]>
18.根據(jù)權(quán)利要求17的光電二極管，其特征在于，第二p型半導(dǎo)體層是III-V型半導(dǎo)體。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的光電二極管，其特征在于，第二p型半導(dǎo)體層是InGaAs。
全文摘要
本發(fā)明包含具有由第二p型半導(dǎo)體層耦合的第一p型半導(dǎo)體層和n型半導(dǎo)體層的光電二極管。第二p型半導(dǎo)體層在沿載流子的路徑上具有分級(jí)的摻雜。具體而言，摻雜的濃度分級(jí)為從陽極附近的高值到接近陰極的p濃度的低值。通過以這種方式對(duì)摻雜進(jìn)行分級(jí)，實(shí)現(xiàn)吸收增加，改善器件的響應(yīng)度。雖然與相同厚度的本征半導(dǎo)體相比，這種摻雜增加了容量，但由這種分級(jí)摻雜而產(chǎn)生的偽電場(chǎng)使電子具有非常高的速度，這種速度高于對(duì)這種容量的增加的補(bǔ)償。
文檔編號(hào)H01L29/732GK1701445SQ03803039
公開日2005年11月23日 申請(qǐng)日期2003年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月1日
發(fā)明者柯呈佶, 巴里·萊文 申請(qǐng)人:派克米瑞斯公司