含有中心部分的多分塊式光電能量轉換器的製作方法

2023-05-30 23:05:16

專利名稱：含有中心部分的多分塊式光電能量轉換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及將光功率轉變成電功率的裝置，尤其是，涉及含有一個或多個位於中 心的分塊的分塊式半導體光功率轉換裝置。
背景技術：
在許多應用中都有使用將光功率轉變成電功率的裝置，其中最為公眾所知的可能 是將陽光轉變成電能，其中一般使用矽基光電電池(也被稱為光電池或太陽能電池)。 在這類應用中， 一般使用具有相對大的感光區域的光電電池陣列。在這類應用中，光功率可以由高功率雷射提供，並通過光纖將所述光功率傳送至 所述模塊中，其中，光功率信號被轉換成電功率信號。在這類應用中，所述光一般以高 密度受限紅外光束的形式進入，並且相應於典型光纖的低吸收窗口，所述光束的波長一 般在900nm - 1600 nm的範圍內。在這類應用中的光功率轉換器具有相對小的感光區域， 優選採用幾平方毫米或更小的圓形感光區域，並且所述光功率轉換器基於複合半導體， 所述複合半導體(如InP、 GaAs以及它們的合金)比矽更適於吸收紅外光。這類基於GaAs 的裝置的一個例子在授權給Virshup的美國專利5， 342, 45中公開，在此通過參考將其 結合於本申請中。
正如Virshup的專利文件以及本申請說明書附圖l(該附圖1是Virsh叩的專利文 件圖2的再現)中所描述的，典型的半導體光功率轉換器含有P-n結20，所述p-n結 20形成於基極層16和發射極層18之間，所述基極層16可以是典型的n極層，所述發 射極層18可以是典型的p極層。所述基極層16和發射極層18被夾在被置於絕緣襯底12上的高導電性緩沖層14和高導電性光學透窗層22之間，在所述光學透窗層22之後 可以加上較厚的導電層24。保護層(圖1未顯示)位於透窗層上，並且如金屬柵格線的 電觸頭(圖1未顯示)被沉積在所述保護層上。在所述金屬柵格線間(典型的如3微米 窄的柵格線)蝕刻去除保護層，使得入射光可以穿過透窗層並被下面的p-n結20吸收。 為了完成電路， 一般還要通過蝕刻技術腐蝕到p-n結的n區。蝕刻深度通常為幾微米以 確保到達基極層16。 一旦當金屬被沉積在暴露出來的n極層時，便可以在n極和p極之 間建立連接。當光子入射並被p-n結20吸收時，產生栽流子，並且在p-n結產生電場 的條件下，所述載流子遷移並在電接觸器處被收集以在其間產生電勢差。通過連接外部 電路，便可提取電功率。
單個p-n結可以傳送的開路電壓受限於所採用的半導體材料的禁帶，並且所述可 傳送電壓一般小於l伏。通過以橫向結構的形式將多個所述的p-n結串聯，各個電壓被 累加便可以產生達到或超過12伏的輸出電壓。為了製作這類單個p-n結元件， 一般在 相鄰分塊間進行蝕刻。所述蝕刻必須足夠深以使這些p-n結彼此隔離，典型的深度為約 25微米。為了完成p-n結的串聯，在相鄰p-n結之間形成空氣橋。所述空氣橋的一邊接 到p-n結的被暴露的n區，另 一邊接到相鄰的p-n結的p區。 對於光功率通過帶有圓截面的受限光束傳輸的應用，如光功率由光纖發出，如圖2 (該圖2是Virsh叩專利文件圖3的再現)所示，這些多個p-n結元件一般通過將半導 體晶片的圓形感光區域劃分成多個扇形裝置分塊28來製作，所迷分塊28通過蝕刻溝槽 26而彼此隔離，並通過互連電觸頭40串聯連接；雖然圖中顯示了6個分塊，但是典型 的裝置可以具有2 - 16個或更多個分塊。圖2所示裝置的缺點之一在於蝕刻溝槽26會聚的感光結構中心有一小孔；因此， 對進入該裝置中心的光線被丟失。 一般來說，所述裝置每塊分塊將光轉變成電能的效率 與所述感光區域和所述溝槽區域的比率成比例。如圖2所示裝置中，所述轉變比率在所 述感光區域周邊處具有最大值，朝向所述裝置中心99而逐漸降低，在該裝置中心99處 完全為零。由於典型的光束(如從光纖中發出的光束)的分布大約接近高斯分布，在光 束中心處光強最大，因此如圖2所示的扇形分塊導致入射光重要部分的丟失，並因此對 於裝置的總功率轉換效率產生消極影響。[9]現有技術的另 一個缺點也與入射到功率轉換裝置上的光束中的光功率分布不均有 關。由於如此大量的光能量衝擊所述功率轉換器的中心99周圍的相對小的區域，許多 由光子產生的載流子在遠離電觸頭40的地方產生，所述電觸頭40位於該裝置的邊緣； 結果，當總光強增加時，該裝置的層的內阻開始起重要作用。所述光強增加的直接結果 是造成電流的增加。所述增加的電流必須穿過電阻材料到達裝置邊緣，電流越大則由電 阻對電流阻礙所造成的電壓損失就越多。隨著光強增加，由光子產生的電流增大，所述 裝置的內阻將造成裝置內部的電壓降，因此減少該裝置提供給外部電路的輸出電壓和電 功率。從而，對於現有技術的半導體功率轉換器， 一般可以觀察到，光強越高，輸出電 壓中的損失越多。現有技術的功率轉換器的另一個缺點在於，現有的功率轉換器專用於功率轉換， 而現實應用中可能需要將光功率轉換和光數據提取集成於一個模塊裡。然而，在應用如 圖2所示的現有技術裝置時，光功率轉換和從調製光束中提取光數據的任務將導致具有 矛盾的設計要求；例如，光功率轉換一般要求轉換功率最大化，需要採用具有相對大的 感光區域的裝置。另一方面，高速光數據通信(例如調製帶寬超過O. 1-1 MHz)—般需 要採用具有低寄生電容的小面積光探測器。如圖2所示的現有技術的分塊光轉換器的調 制帶寬可以通過裝置分塊的串聯進一步降低，所述調製帶寬的降低會增加裝置內阻而產 生較高的RC值。

發明內容
本發明的目的之一在於至少克服現有技術中的一些缺點，而提供改善的光功率轉 換器，所述改善的光功率轉換器對高斯光束具有提高的光轉換效率並具有較低的內阻。
本發明的另一個目的在於提供一種既可用於光功率轉換又可用於數據探測的光 功率轉換器。因此，本發明涉及一種光電能量轉換器，包括基底、第一多層結構、多個溝溝 槽和多個電互連器，其中所述基底由半導體材料製作；所述第一多層結構由所述基底 支撐，所述第一多層結構包括第一導電類型的半導體材料的第一基極層、第二導電類型 的半導體材料的第一發射極層和第二導電類型的半導體材料的第一導電層；所述第一基極層位於所述基底之上；所述第一發射極層被設於所述第一基極層之上，所述第二導電 類型與所述第 一導電類型相反，從而在所述第 一發射極層與所述第一基極層之間形成 p-n結區域；所述第一導電層被設置於所述第一發射極層之上；所述溝溝槽延伸通過所 述第一多層結構，並且部分延伸進入所述基底，從而形成多個由所述基底支撐的空間上 分離的裝置分塊；其中，所述裝置分塊以圓形組合排列，其中第一組裝置分塊位於中心 並且被第二組裝置分塊所環繞，所述第一組裝置分塊由一個或多個裝置分塊組成，所述 第二組裝置分塊包括至少兩個裝置分塊，以及其中，所述多個裝置分塊中的兩個或更多 個分塊含有第一金屬觸頭和第二金屬觸頭，所述第一金屬觸頭與所述裝置分塊內的第一 基極層電連通，以及所述第二金屬觸頭被設置於所述裝置分塊內的第一發射極層之上， 與所述第一發射極層電連通；以及，所述多個電互連器通過將每一個且僅一個第一金屬 觸頭電連接到其相鄰的第二金屬觸頭，從而將所述兩個或更多個裝置分塊電氣串聯連 接，從而當所選波長的輻射入射到所述第一發射極層上時，在未連接的第一金屬觸頭和 未連接的第二金屬觸頭之間產生一個電壓，所述未連接的第一金屬觸頭為所述兩個或更 多個裝置分塊的第一金屬觸頭中，未連接到任一第二金屬觸頭的第一金屬觸頭，所述未 連接的所述第二金屬觸頭為所述兩個或更多個裝置分塊的第二金屬觸頭中，未連接到任 一第一金屬觸頭的第二金屬觸頭。才艮據本發明的一個方面，所述兩個或更多的裝置分塊組成所述第一裝置分塊組和 第二裝置分塊組。 4艮據本發明的另一個方面，所述裝置分塊中的兩個或更多分塊組成所述第二裝置 分塊組但兩個或更多分塊不包含在所述第一裝置分塊組內。所述第一裝置分塊組可以構 成中心分塊，所述中心分塊位於環形裝置部分的中心，所述環形裝置部分的中心由所述 第二裝置分塊組形成。 根據本發明的光電能量轉換器可以含有在所述中心裝置分塊內的所述第一多層 結構上沉積形成的第二多層結構，所述第二多層結構含有在第一導電層上沉積形成的 第一電導類型半導體材料的第二基級層；在所述第二基極層上沉積形成的第二電導類型 半導體材料的第二發射極層；第三金屬觸頭與第二基極層之間進行電連通；以及，第四 金屬觸頭與第二發射極層之間進行電連通。根據本發明的一個方面，第三和第四金屬觸 頭外向延伸超過環形裝置部分並且與環形裝置部分的裝置分塊之間電絕緣用以連接第二裝置分塊組的外部獨立電路，在所述第三和第四觸頭與所述環形裝置部分內的第 一多 層結構之間插入一層或多層電流阻塞層。
根據本發明的一個實施例中，所述基底含有半絕緣GaAs層；第二基極層是n-摻
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雜GaAs層，其含有的施主雜質濃度範圍在5X10 cm至2xi0 cm之間並且其厚度範
圍在1微米至3微米之間；本徵層是未摻雜GaAs層，其含有的摻雜級小於10"cn^並且 其厚度範圍在0. 5微米至1. 5微米之間；第二發射極層是p-摻雜GaAs層，其含有的受主
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雜質濃度範圍在5xl0 cm至2xl0 cm之間並且其厚度範圍在0. 5微米至1. 5微米
之間；第一基極層是n-摻雜GaAs層，其含有的施主雜質濃度範圍在2 x 10"cn^至2 x
1018cm—3之間並且其厚度範圍在1微米至3微米之間；第一發射極層是p-摻雜GaAs層，
其含有的受主雜質濃度範圍在5 x 10"cm—3至2 x 10"cm—3之間並且其厚度範圍在0. 2微 米至1微米之間。緩衝層是n-摻雜GaAs層，其厚度範圍在1微米至10微米並且其含有
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的施主雜質濃度範圍在5 x 10 cm至2xl0 cm之間，並將所述緩衝層插入基底和第 一基極層之間；導電層是p-摻雜AlGaAs和InGaP合金層，其厚度範圍在1微米至3微
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米並且其含有的受主雜質濃度範圍在2 x 10 cm至2 x 10 cm之間，並將所述導電層 插入第 一發射極層和第二基極層之間。
根據本發明的另一個實施例中，所述基底含有半絕緣InP層；第一基極層是n-摻雜InGaAs層，InGaAs層柵格與InP層相匹配並且第一基極層含有的施主雜質濃度範
圍在5 x 10"cm—至1 x 10"cn^之間並且其厚度範圍在1微米至3微米之間；第一發射 極層是p-摻雜InGaAs層，InGaAs層柵格與InP層相匹配並且其第一發射極層含有的受 主雜質濃度範圍在5 x 10"crn^至1 x 10"cn^之間並且其厚度範圍在0. 5微米至1. 5微 米之間；緩衝層是n-摻雜InP層，其厚度範圍在5微米至10微米並且其含有的施主雜
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質濃度範圍在5xl0 cm至2xl0 cm之間，並將所述緩衝層插入基底和第一基極層 之間；導電層是p-摻雜InP層，其厚度範圍在1. 5微米至2. 5微米並且其含有的受主雜
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質濃度範圍在2x10 cm至2xl0 cm之間，並將所述導電層插入第一發射極層和第二基極層之間；第二基極層是n-摻雜InGaAs層，其含有的施主雜質濃度範圍在5 x 10 cm至2 x 10 cm之間並且其厚度範圍在1微米至2微米之間；本徵層是未摻雜InGaAs 層，其含有的摻雜級小於10"cm—並且其厚度範圍在0. 5微米至1. 5微米之間；以及，第 二發射極層是P-摻雜InGaAs層，其含有的受主雜質濃度範圍在5 x 10"cm—3至5 x 10 cm之間並且其厚度範圍在0. 5微米至1. 5微米之間。


下面將結合代表本發明優選實施例的附圖更詳細的描述本發明，其中，相同的參 考標識用於指示相同的器件，其中圖1是現有技術下的半導體光能量轉換器的層結構示意圖；圖2是現有技術下的分塊式半導體光能量轉換器的平面圖；圖3是根據本發明的一個實施例的光電能量轉換器的平面圖，所述光電能量轉換 器含有中心部分；圖4是圖3所示的光電能量轉換器的沿A-A線的截面圖，以說明其示例性層結構；圖5是圖3和圖4所示的光電能量轉換器的沿圖3中B-B線的截面圖；圖6是根據本發明的一個實施例的光電能量轉換器的平面圖，所述光電能量轉換 器含有獨立可尋址中心部分；圖7是圖6所示光電能量轉換器的一個示例性實施例的沿圖6中C-C線和D-D 線的截面圖；圖8是圖6所示光電能量轉換器的另一可選實施例的沿圖6中C-C線和D-D線 的截面圖；圖9是根據本發明的GaAs/AlGaAs光電能量轉換器在50mW光照條件下的電流-電壓(I-V)特性和輸出功率-電壓(P-V)特性的曲線示意圖；[29]圖10是根據本發明的InGaAs/InP光電能量轉換器在波長1430nm，強度lOOmW 的光照條件下的電流-電壓(I-V)特性和輸出功率-電壓(P-V)特性的曲線示意圖。
具體實施例 下面首先參照圖3、 4和5對本發明的光電能量轉換器(PPC )的示範實施例進行 描述。
首先參見圖3， PPC 50含有多個裝置分塊51 - 55,所述分塊以圓形組合方式排列， 其具有中心部分或中心分塊55和多個設置在所述中心分塊55周圍的分塊51 -54,所述 多個分塊圍繞所述中心分塊55而形成環狀結構。分塊51 - 54以及中心分塊55通過窄 溝槽100和200而彼此隔離，各分塊51 - 54在此又^皮稱為環狀分塊。環形或通常為無 間斷的溝槽200將中心分塊55與其他環狀分塊51 - 54隔離，而溝槽100從溝槽200處 徑向延伸並將各環狀分塊51 - 54彼此隔離。溝槽100和200在外延生長的半導體晶片 內採用蝕刻技術領域中已知的具有高縱橫比的方法進行蝕刻，所述具有高縱橫比的蝕刻 方法例如反應式離子蝕刻法(RIE)。電互連器70在接觸墊61和62之間將分塊51 - 55 串聯，電互連器70將以空氣橋的形式在下文中進一步詳細描述，以使所述裝置被適當 波長的光照射時每個分塊上可以產生電壓，從而每個分塊上產生的電壓被累加，以在接 觸墊61和62之間產生分別較高的輸出電壓V。ut。雖然圖3中所示的PPC 50隻有四個環 狀分塊，但其他實施例中含有的環狀分塊可以低於或可以高於圖3中所示環狀分塊的數 量，以便提供較高的輸出電壓。通常，基於較低能隙材料的裝置將需要更多的裝置分塊 以實現例如6V的所期望的輸出電壓值V。ut 。例如，下文中描述的InP基裝置可能具有 12個或更多個裝置分塊，而GaAs基裝置可能適合於配置5個裝置分塊。圖4是圖3中所示PPC 50的沿"A - A"線的部分截面圖，用以說明PPC 50的層 結構；所述層結構包括一個半絕緣或絕緣基底130,第一電流阻擋層131,以及第一多 層結構30，所述第一多層結構30依次包括第一半導體材料的第一電導類型的緩衝層 132,具有第一能隙的第一半導體材料的第一電導類型的第一基極層133,具有第二能隙 的第二半導體材料的與所述第一電導類型相反的第二電導類型(以在其間形成p-n結區
域129)的第一發射極層134,以及第三半導體材料的第二電導類型的導電層136。所述 第一和第二半導體材料用於吸收入射光並在發射極層和基極層產生少數光誘導載流子， 然後通過p-n結區域129的電場將所述光誘導載流子吸入鄰近的發射極層或基極層，在所述鄰近的發射極層或基極層內少數載流子成為多數載流子並且為所述第一發射極層 134和基極層133充電，所述第一發射極層134和基極層133將在下文中被稱為第一活 性層，其具有相反極性的電荷從而產生光誘導電壓。導電層136的第三半導體材料對入 射光是透明的並且含有第三禁帶，所述第三禁帶寬於形成第一基極層133的第一半導體 材料和形成第一發射極層134的第二半導體材料中的任何一種材料的禁帶。可選地，對 入射光透明的第二導電類型的接觸層或保護層101可被沉積於導電層136上方，以便有 助於與第一金屬觸頭60和柵格線(未在圖中示出)形成較好的歐姆接觸。所述術語"禁 帶(bandgap)"和"能隙(energy bandgap)"在本申請中可互換使用，指半導體材 料中價帶頂部和導帶底部之間的能量差異。 位於基極層133下方的緩衝層132相對厚於基極層133和發射極層134。在操作 中，緩衝層132起到第二導電層的作用以有助於所述第一極的光生載流子移動至各自的
第一金屬觸頭65;緩沖層132具有低表面電阻，優選小於l歐姆/cm2。基底130和第一
電流阻擋層131可以採用第一半導體材料，即與緩衝層132和第一基極層133的材料相 同，以有助於具有低缺陷密度的高品質基極層133的外延生長，所述缺陷將造成光誘導 栽流子的非輻射複合。所述第二半導體材料，即所述第一發射極層的材料優選採用與所 述第 一半導體材料相同或高於其的禁帶並且實際上與所述第 一半導體材料具有相同的 晶格常數。
基底130應該具有高電阻係數以便阻止緩衝層132中流動的光生載流子穿過基底 130而滲漏，所述載流子的滲漏將減少PPC 50的輸出電壓並且因此降低PPC 50的性能。 因為未摻雜質且具有本徵導電性的最適合的半導體材料製成的高品質基底僅是半絕緣 性的，所以，基底130可以是由所述第一半導體材料製成的固有絕緣或半絕緣基底，所
述第一導體材料優選具有不小於107歐姆/釐米的電阻率。對於基底的選擇，優選未摻雜
質GaAs或InP基底，所述GaAs或InP基底的本底摻雜不超過10"cm—3。這樣的本底摻 雜將確保基底內沒有直流傳導，但是不能阻止基底內不希望出現的光誘導電流傳導。有利之處在於，根據本發明，第一電流阻擋層131被插入在半絕緣層基底130和 緩衝層132之間，第一電流阻擋層131具有與緩衝層132的第一電導類型相反的第二電 導類型，並因此與緩衝層132形成一個p-n結127，所述p-n結127阻止緩衝層132的多數載流子流入基底130，以便進一步抑制所述裝置的分塊之間通過基底130的滲漏電 流。位於電流阻擋層131和緩衝層132之間的p-n結127在下文被稱為電流阻擋結127 或第一電流阻擋結。 儘管在根據本發明的其他實施例中第一電導類型可以是p型電導，而第二電導類 型是n型電導，但是在此所述的實施例中的第一電導類型是n型電導，而第二電導類型 是p型電導。所述n型是指摻有摻雜材料或提供施主雜質的的半導體材料的電導，所述 半導體材料中的大多數載流子為電子；所述p型是指摻有摻雜材料或提供受主雜質的半 導體材料的電導，所述半導體材料中的大多數載流子為空穴。當術語"n (p)-型"和 "n(p)-摻雜"指半導體材料的各自電導類型時，在此可以互換使用。下文中所使用 的"摻雜級"指n型半導體材料中施主雜質的淨濃度，或指p型半導體材料中受主雜質 的淨濃度。 所述第一基極層可以摻有濃度範圍在5 x 10"cn^至1 x 10"cm^的施主雜質。所 述第一基極層可以摻有濃度高於5 x 10"cm—3的受主雜質，或優選摻有濃度範圍在2 x
10至1 x 10 cm的受主雜質，或最優選為摻有濃度範圍在3x 10至5xl0 cm的受 主雜質。在其他實施例中，所述第一基極層可以摻有的施主雜質濃度從遠離p-n結區域 129至電流阻擋層131逐漸增加，其濃度範圍從小於2 x 10"cm—3到至少為2 x 10"cnf3。 類似地，所述發射極層的受主雜質從遠離p-n結區域129至導電層136逐漸增加，其濃
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度水平從小於2 x 101 cm 3到至少為2 x 10 cm 。
在第一優選實施例中，基底130、電流阻擋層131、緩沖層132、第一基極層133 以及第一發射極層134的半導體材料採用砷化鎵(GaAs),導電層136和可選透窗層135 的半導體材料採用InGaP和AlGaAs中的一種或兩者，以及所述可選保護層的半導體材 料釆用砷化鎵(GaAs)。
更具體的，基底30由實質上不摻雜的GaAs所形成，基底30的本底摻雜級不超
過1015cm_3並且可以具有幾百微米的厚度，例如厚度範圍在350微米至650微米之間。 電流阻擋層131在基底30上外延生長，並且電流阻擋層131的半導體材料是p-型GaAs,所述p-型GaAs的受主雜質濃度範圍在5x10 cm_至1 x 10 cm—之間，或者例如濃度大
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約是2xio cin ,並且厚度範圍在0. 2至0. 3微米之間例如0. 25微米。緩沖層132外 延生長於電流阻擋層131上，所述緩沖層132的半導體材料是n型高摻雜GaAs，並且所
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述n型高摻雜GaAs的施主濃度範圍在5 x 10 cm至2xl0 cm之間，並且厚度範圍在 1至10微米之間，例如5微米。第一基極層133外延生長於緩衝層132上，所述第一基 極層133的半導體材料也是n型GaAs，所述n型GaAs的施主濃度範圍在5x10" cm—3
至2 x 10 nf3之間例如1 x 1018cm—3,並且厚度範圍大約為3微米。第一發射極層134 外延生長於第一基極層133上，並且所述第一發射極層134的半導體材料是p型GaAs， 所述p型GaAs的受主雜質濃度範圍在2x10 cm至1 x 10 cm之間，優選在3 x 1018
cm—3至5 x 101S cnT3之間，並且厚度範圍在0. 2至1微米之間，例如0. 8微米。所述p-n 結區域129形成於第一基極層133和第一發射極層134之間。
可選透窗層135外延生長於第一發射極層134上，並且所迷可選透窗層135的半
導體材料是GaAs的第一合金，例如AlGaAs或更具體的是AlxGai-xAs,所述AlxGai—xAs 合金中鋁的相對含量jr > 50%,例如,二 80%。可選透窗層135具有與第一發射極層134 相同的或更高的p型電導。之所以選用AlGaAs是因為其對於PPC 50工作的所選輻射波 長的光透率，以及由於第一發射極層134的鈍化，從而減少第一發射極層134與其後層 的界面上的光誘導載流子的非輻射複合率。可選透窗層135的受主雜質濃度可以為5 x 10"cm」並且其厚度範圍可以在0. 02至0. 1微米之間，例如0. 08微米。
導電層136可以高摻雜濃度的p極層，所述高摻雜濃度的p極層的受主雜質濃度
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範圍在2xl0 cm 至2xl0 cm之間，並且優選為3x10 cm或者更高，以降低導電
層136的表面阻抗。導電層136的半導體材料可以是AlGaAs的第二合金，例如AlxGai-xAs,
所述AlxGa卜xAs中鋁的相對含量少於50°/。，，例如20°/。，並且其厚度範圍在1至3微米之 間，例如2微米。導電層136的AlGaAs的第二合金中的鋁含量x應該足夠高，以確保 導電層136對於所選波長的入射輻射的光透率。另一方面，減少所述導電層的所述鋁含 量有利於降低其表面阻抗，因為減少了所述導電層的不希望出現的氧化。[42]因此，根據本發明的一個可選實施例，利用不含鋁的導電層136，例如InGaP合
金的p-摻雜層，所述InGaP合金例如是InxGai-xP的合成材料，其中x的範圍在0. 5至 0. 54之間。所述層可以在鋁含量超過50%的AlGaAs第一合金的可選透窗層135上外延 生長，或可以直接在p-摻雜GaAs的第一發射極層134上外延生長。 本發明的另一方面涉及將碳(C)用作優選的摻雜材料，所述碳(C)摻雜材料用 於本發明的優選實施例的PPC 50的p-摻雜層，所述p-摻雜層如電流阻擋層131、第一 發射極層134、可選透窗層135以及導電層136,所述碳(C)摻雜材料用以代替較為傳 統的p-摻雜材料如鈹(Be )和鋅(Zn ),所述鈹(Be )和鋅(Zn ) —般用於GaAs基和 InP基光電設備。有利的是，所述碳(C)摻雜材料的使用可以加強p-摻雜第一發射極 層134中和跨越p-n結區域129的電場強度以及增加所述PPC的內部量子效率。傳統摻
雜劑，如鋅，在大於5x 1017(^—3的高摻雜級時可能出現有害的效應，如少數載流子的壽 命降低，然而所述碳(C)摻雜將不會產生所述有害效應，或者至少將有害效應大大減 小。所述碳(C )摻雜使得高度摻雜GaAs或InGaAs的半導體材料可以很好地保持少數 載流子的壽命並且因此有助於活性層133/134實現高量子效率，即高比例光生電子和空 穴在無非輻射複合情況下離開所述p-n結區域129。因此，將碳作為摻雜材料，第一發 射極層134的p-摻雜級可以在大體上沒有降低所述裝置的量子效率條件下達到5 x
1 Ji 一〗 if! —3
10 cm 。與之相反，採用如鋅的傳統摻雜材料在高摻雜級，如大於2xl0 cm時，p-n
結區域129的p極層將產生額外的非輻射複合中心並且降低少數載流子壽命，從而導致 量子效率的降低並且導致所述PPC所產生的光電流和/或輸出電壓變小。此外，半導體 宿主材料中的碳離子空間分布較傳統受主雜質如Zn和Be更具穩定性。通過這種穩定性， 碳摻雜可以在所述P-n結區域129的p極部分和n極部分之間形成更陡的高梯度界面， 有助於使p-n結獲得更強的電場並且使得從p-n結內遷移出的光生少數載流子的遷移率 更高，有利於產生光生電流。導電層136的所述碳摻雜可以通過提供具有高摻雜級的較 高品質材料以降低導電層136的表面阻抗，尤其是所述較高品質材料與所述導電層136 中含有較少鋁的InGaP材料結合使用時更有利於降低所述表面阻抗。
上述實施例是直接將光轉變成電功率，所述光波長範圍在0. 8至0. 9微米之間， 通過所述導電層的GaAs的禁帶和AlGaAs/InGaP的禁帶所詳細說明，其中所述基極層133 和所述發射極層134的半導體材料是GaAs。本領域技術人員可以判斷出無論短波光或長波光可以通過所述PPC 50被轉換，所述PPC 50通過使用與所述GaAs基底相匹配的 AlGaAs或InGaAs合金層柵格作為所述緩衝器132和所述發射極層134，並且適當調整
所述導電層136的金屬沉積。例如，鋁含量x從5%至35°/。的AlxGa(i-x)As合金可以被用
於所述第一活性層133和134,並且其他鋁含量較高的AlxGa(i-x)As合金或InGaP合金可 以被用於所述導電層136,所述合金相對於所述第一活性層133和134的半導體材料具 有更高的禁帶。通過在GaAs基底上使用AlGaAs或InGaAs生長製作所述第一活性層 1 33/134，所述PPC 50被製造適用於光波長範圍大約從0. 7微米到大約1. 3微米。所述 導電層136的禁帶可以在0. 15 eV和0. 5 eV (電子伏特)之間，高於所述發射極層134 的禁帶，以便確保所迷導電層136用於被所述第一活性層133/134層所吸收的入射光的 光透率。
所述PPC 50的其他實施例使用層結構，所述層結構在磷酸銦(InP)基底上外延 生長，並且所述PPC 50適用於轉換波長範圍在1.2微米至1.6微米之間的光，大多數 商業光纖在所述波長範圍內都具有低光損。例如，所述其他實施例中一例，所述PPC50 可以在其層結構裡使用下述半導體材料。所述基底130的半導體材料是半絕緣體InP，
所述半絕緣體InP摻有含量為10"cm—s的鐵(Fe)雜質並且具有107ohm/cm的高電阻係數。 所述電流阻塞層131是摻有雜質的p型InP層，所述p極層的厚度範圍在0. 2微米至0. 3 微米之間，例如0. 25微米，並且摻雜級為5 x 10"cn^或更高；所述緩沖層132是摻有 InP雜質的n極層，所述n極層的厚度範圍在5微米至10微米之間，例如7微米，並 且摻雜級為5 x 10"cii^或更高；所述第一基極層133的半導體材料是n極InGaAs合金 層，所述InGaAs合金層與InP層晶格匹配並且其厚度範圍在1微米至3微米，例如3 微米，並且施主雜質濃度為5 x 1017_3或更高；所述第一發射極層134是p極InGaAs 合金層，所述InGaAs合金層與InP層晶格匹配並且其厚度範圍在0. 5微米至1. 5微米， 例如1微米，並且受主雜質濃度範圍為2 x 1018cm—3至1 x 10"cm—3之間或者優選範圍在3
x 1018cm—3至5 x 10"cm—之間並將碳雜質作為優選摻雜材料;所述導電層136是摻有InP 雜質的p極層，所述p極層的厚度範圍在1.5微米至2. 5微米之間，例如2微米，並且 受主雜質濃度範圍在2 x 10"cm"3至2 x 10"cm—3之間，並且優選濃度範圍超過3 x 1Q18cm—。例如，p極InP層131和136的摻雜材料可以是Be。所述接觸層101的半導體材
料是P極InGaAs合金層，優選碳雜質作為摻雜材料，並且摻雜級大約為2 x 10"cm」或 更高，並且所述p極層的厚度範圍在0. 1微米至0. 2微米之間。
參見圖3,所述PPC 50的所述裝置分塊51-55通過前述層結構的PPC晶片通過形 成的所述溝槽100和200製造，所述溝槽100和200延伸超過所述第一多層結構30和 所述電流阻塞層131，並且部分延伸進入所述基底130,以使所述裝置分塊51-55之間 電隔離和空間隔離並且所述裝置分塊51-55通過所述基底支撐，所述基底至少是半絕緣
體，即含有的電阻係數不超過107 ohm/cm,以便與所述電流阻塞層131共同作用以減少 所述裝置分塊間的滲漏電流。所述溝槽的深度根據所述第一多層結構30的總厚度確定，並且範圍可以在10微 米至20微米之間。所述溝槽100和200的縱橫比應當適當提高以使入射光纖的分段最 小化，所述入射光纖的分段到達所述基底材料，所述基底材料位於所述溝槽的底部，所 述縱橫比通過溝槽深575與溝槽寬573的比例確定，所述溝槽深和溝槽寬分別用"箭頭" 標註於圖4中，由於所述光將在所述基底材料處被吸收並產生光載流子並因此造成所述 基底材料電導係數不必要的增加，從而在所述裝置分塊間造成潛在的電導路徑，所述電 導路徑將導致所述PPC裝置光轉換率的降低。因此，所述溝槽100和200應當適當窄， 並優選所述溝槽寬範圍在2微米至IO微米之間，例如5微米或更小，並且所述溝槽100 和200的縱橫比應當大於4且優選大於5。所述電流阻塞層131阻止所述緩衝層132內 的多數載流子從其流向所述基底，因此所述電流阻塞層131將阻止所述裝置分塊間的滲 漏電流通過所述基底130，將使所述PPC50裝置的光轉換率相對於不含所述電流阻塞層 131的相似裝置的光轉換率獲得驚人的提高。所述術語"光轉換率和功率轉換率"在這 可交替使用，兩者都定義為由所述PPC裝置提供給外電路的電功率與所述PPC裝置的入 射光的光功率的比值。
在所述裝置分塊51-55的每一塊分塊中，第一金屬觸頭65沉積在所述第一基極 層133上用於與所述第一基極層的電連通，並且第二金屬觸頭60沉積在所述可選保護 層101上或在沒有所述可選保護層時直接沉積在所述導電層136上用於與所述第一發射 層134的電連通。然後電互連器70以金屬空氣橋的形式將每個所述第一金屬觸頭65與鄰近設備分塊的所述第二金屬觸頭進行連接但是每個空氣橋只連接一個所述第 一金屬 觸頭和一個鄰近的所迷第二金屬觸頭，以使所有的所述裝置分塊51-55實現串聯。當經 過選擇的光投射到所述PPC 50上時，加入電壓用以在所述第一金屬觸頭和所述第二金 屬觸頭處產生更高的總輸出電壓V。ut,所述經過選擇的光通過所述第一活性層133/134 的吸收範圍和所述導電層136的傳輸範圍選擇，所述電壓產生於所述裝置分塊51-55的 每一塊分塊的p-n結區域129,所述第一金屬觸頭和所述第二金屬觸頭不與任何其他的 第一和第二金屬觸頭保持連接。這些不與任何其他的第 一和第二金屬觸頭保持連接的所 述第一金屬觸頭和所述第二金屬觸頭在此分別作為基極和發射極的電觸頭；所述觸頭可 以通過空氣橋71連接至接觸墊61和62以便連接到所述PPC 50的外電路。
如圖3所示的實施例，所述裝置分塊51的所述第二金屬觸頭60可以通過空氣橋 70連接到所述裝置分塊52的所述第一金屬觸頭65，所述觸點截面如圖4所示。所述裝 置分塊51的所述第二金屬觸頭60可以通過空氣橋70連接到所述裝置中心分塊55的所 述第一金屬觸頭65,所述裝置中心分塊55的所述第二金屬觸頭60通過空氣橋連接到所 述裝置分塊53的所述第一金屬觸頭65。所述裝置中心分塊55的所述第一金屬觸頭65 和所述第二金屬觸頭60都具有環狀結構並且涉及下文中的所述第一和第二觸頭。所述 中心觸頭60和65環繞所述中心分塊55設置，所述中心分塊55的所述第一環狀觸頭65 鄰近環狀溝槽200並且所述第二環狀觸頭60位於所述中心分塊55內且緊鄰所述第一環 狀觸頭65，如圖5所示所述第一環狀觸頭65位於開口 73內，圖5是用於說明光電能量 轉換器的層結構的截面圖，所述層結構是沿著圖3中所示劃線B-B的截面圖。所述第 一環狀觸頭65處有一缺口 61,空氣橋70通過所述缺口 61將所述第二環狀觸頭60連接 至鄰近設備分塊的所述第一金屬觸頭65處，所述第二金屬觸頭通過另一個空氣橋70連 接至所述最後的裝置分塊54的所述第一金屬觸頭。這種交互連接結構導致各所述裝置 分塊51、 52、 53、 54和55以一定的順序串聯，所述的串聯方式獲得在所述發射極電觸 頭和基極層電觸頭之間的輸出電壓V。ut,即在所述裝置分塊54的所述第二金屬觸頭和所 述裝置分塊51的所述第二金屬觸頭60之間產生輸出電壓，所述輸出電壓接近於所述裝 置分塊51 - 55每個分塊p-n結處產生電壓的總值。所述裝置分塊54和51通過空氣橋 71保持與所述金屬接觸墊61 (如圖3所示)和62的金屬連接，所述金屬接觸墊61和 62分別作為所述PPC50的陽極和陰極。[50]所述第一和第二金屬接觸電65和60可以在單個金屬鍍層工序中沉積，所述金屬 鍍層工序完成後進行觸頭結構製作工序和空氣橋70和71製作，如Virshup專利中所描 述的。所述裝置分塊51 - 54的外部更適於進行所述第二環狀觸頭60沉積，以便與所述 保護層101上的金屬柵格線相重疊，而所述中心分塊55沒有任何金屬柵格線並且各分 塊相應的所述第二環形觸頭60直接在所述接觸保護層101上沉澱。所述中心分塊55的 所述第一和第二環形觸頭65和60的寬度應該適當的窄以便將所述中心分塊55的所述 接觸保護層101表面的大部分區域留給入射光。經由實施例可知，所述環形分塊51-54 的外圍圓周直徑為1800微米，所述中心分塊的圓周直徑為250微米，以及所述環狀觸 頭65和60的寬度範圍在10微米到50微米之間。 先沉積所述第一金屬觸頭64，位於各裝置分塊中的所述第一基極層133在各裝置 分塊的選定位置暴露出來，優選接近溝槽，所述溝槽可以將所述第一基極層133與鄰近 裝置區域隔離，通過可選擇蝕刻法，從所述多層結構30的頂部蝕刻至所述第一基極層 133的上方以便在形成開口 73，並在所述第一發射極層134中沉積所述第一金屬觸頭65, 如圖4所示，圖4是用於說明圖3中所示光電能量轉換器的層結構的截面圖，所述層結 構是沿著圖3中所示劃線A-A的截面圖。
本發明中所述PPC 50的裝置分塊布局具有新穎的技術特徵，與圖l中現有技術 下的"扇形楔"相比有利於提供更高的光功率轉換效率，在本發明所述裝置分塊布局中 裝置分塊55位於中心處並由一組裝置分塊51 - 54環繞，所述裝置分塊51 - 54在中心 分塊55周圍沉澱，圖1的現有技術中所述溝槽26全部會聚於所述PPC的中心以在所述 裝置感光表面的中心有效的形成一個空心。所述現有技術嚴重的影響現有技術條件下的 光能量轉換器的轉換效率，其中入射光以光束的形式進入，所述光束的密度從光束軸向 外遞減，例如從單模光纖中發出的高斯或類似於高斯的光束。之處在於，本發明所述PPC 50消除現有技術裝置中的缺陷，通過利用位於裝置中心的分塊55,所述分塊55可以利 用入射光束中心的光，所述入射中心的光強最大。根據入射光密度分布對所述PPC進行 幾何處理，不均運照射布局產生的消極影響被極大的避免。我們發現，通過採用適當尺 寸的中心裝置分塊55，所迷PPC50的光轉換效率提高了 25°/。，所述PPC 50中含有5個 分塊。我們又發現，為了將高斯光束的光功率有效地轉換為電功率，所述中心分塊55 所具有的感光表面的面積與所述PPC 50所具有的感光表面的總面積的比例優選在15% 和25%之間，更為優選的是2(W。然而，在申請中所述入射光強在所述PPC 50的感光表面實際上是相同的，所述分塊51 - 54的感光表面的面積是相等的。注意術語"感光表 面"用於定義入射光到達所述活性層所穿過的所述.PPC的表面，所述活性層用於吸收入 射光並將其轉換成電流。PPC 50的感光表面是所有裝置分塊51 - 55接受光的總面積的 一部分，如圖3所示，所述感光表面未被金屬覆蓋。術語"感光表面"在此用於定義各 分塊的感光表面。另一個有利之處在於，所述中心分塊55使得裝置中非必須的電壓降 減少並且與阻抗路徑一起連接到所述接觸墊61和62,所述阻抗路徑是載流子在裝置中 產生並傳導的路徑。通過中心分塊捕獲的光，電流不需要通過阻抗材料的長距離傳輸， 但是可以直接在鄰近中心分塊處被收集並通過金屬柵格線傳輸，所述金屬柵格線相對於 裝置的周長具有低的阻抗。在現有技術中，沒有利用裝置中心部分收集電流的方法。
參見圖6,根據本發明的另一個實施例提供的PPC 150，其中所述中心分塊55獨 立於環形分塊51 - 54進行連接並且與其電隔絕。本實施例中所述PPC 150具有4個端 口，包括作為第一裝置部分的中心裝置分塊55,所述分塊與作為第二裝置部分的環形分 塊51-54相互電隔絕，並且所述第一裝置部分可以獨立電連接。所述環形分塊51-54 在接接觸墊261和262間串聯，以形成所述PPC 150中的環形裝置部分簡稱環形部分。 注意圖3-7中，相同的數字用於表示相同的元件以簡化說明並且有助於理解實施例， 只是，中心分塊55的第一和第二環形觸頭在本實施例中分別被標為109和108，以將其 與環形分塊51 - 55的第一和第二金屬觸頭65和60相區別，所述第一和第二金屬觸頭 65和60如圖4中所示。與PPC 50中的被連接到各自環形分塊的第一和第二金屬觸頭不 同，所述PPC 150的所述中心裝置分塊55的所述第一和第二環形觸頭109和108通過 電導路徑118和119分別連接至接接觸墊263和264,所述電導路徑118和119的寬度 優選小於15微米，所述電導路徑118和119位於鄰近溝槽100處，所述溝槽100將所 述裝置的兩個環形分塊分隔。所述電導路徑118和119被設置在所述裝置分塊51和54 上並且所述裝置分塊從所述電導路徑的內圓周延伸到外圓周，但第二電流阻擋層106使 得所述電導路徑與所述裝置分塊絕緣，所述第二電流阻擋層在所述保護層101上外延生 長並且所述第二電流阻擋層具有的電導性與所述保護層101的電導性相反。所述電導路 徑118和119也在這分別被稱為第三和第四金屬觸頭。所述第三和第四金屬觸頭跨越所 述環形裝置部分而向外延伸，並且與所述環形裝置部分的裝置分塊電絕緣，以便獨立於 所述環形裝置部分的裝置分塊51-54而連接到外電路。[54] 所述第二電流阻擋層如圖7所示，所述圖7是PPC150沿劃線"C-C"(虛線128 左側)和沿劃線"D-D"(虛線128右側)部分的截面視圖。在前述實施例中，基底130 和第一活性層133/134的半導體材料是GaAs,導電層136和保護層101的半導體材料是 p型，以及第二電流阻擋層106可以是n-摻雜GaAs,所述n-摻雜GaAs的摻雜級至少為
5xl0"cm—並且其厚度在範圍l至5微米。電導路徑119和118可以與第一和第二金屬 觸頭65和60在同一金屬鍍層工序或在不同金屬鍍層工序中形成，金屬鍍層工序完成後 緊接著進行觸頭結構製作工序，第二阻擋層106在電導路徑119和118形成後被去除， 僅保留直接位於所述窄金屬電導路徑119和118下方的部分。 接接觸墊261和262之間的裝置分塊51 - 54通過空氣橋70串聯，除裝置分塊51 外，每塊裝置分塊51 - 54的第一金屬觸頭65被連接至下一相鄰環狀裝置分塊的第二金 屬觸頭60，以使裝置分塊51 - 54形成順序連接鏈，所述連接鏈裡的第一裝置分塊51 的第一金屬觸頭65通過第一空氣橋71連至接接觸墊261,並且裝置分塊54的第二金屬 觸頭60通過第二空氣橋71連至接接觸墊262。接接觸墊263和264作為PPC 150的第 一部分或中心部分55的陽極和陰極，而接接觸墊261和262作為PPC 150的第二部分 或環形部分51-54的陽極和陰極，所述環形部分包括順序連接的環形裝置分塊51 - 54。
有利之處在於，PPC 150可以作為結合了 PPC和較常規的光電探測器(PD)的集 成裝置，所述集成裝置的PPC部分相應於所述環形部分51 - 54，所述集成裝置的PD部 分相應於所述中心部分55。當採用含有適當波長的光照射時，所述光波含有載有數據的 調製成分，所述PPC 150可以提供電功率並在終端263和264提供探測數據，所述電功 率在裝置終端261和262之間為5伏或電壓更高的信號形式，用於例如驅動外部電路。 此外，所迷裝置的中心部分55可以採用來自裝置陽極終端263和陰極終端264的正向 偏壓，以驅動其活性層133/134以發射光而非吸收光，因此PPC 150的中心部分55可 作為發光二極體(LED)使用，例如用於發射而非^:測光數據信號。因此，本發明提供一個四埠 PPC,其具有兩個獨立可尋址部分，不同於圖l中 現有技術的光功率轉換器以及本發明的PPC 50實施例，圖1中現有技術的光功率轉換 器以及本發明的PPC 50實施例都是兩埠裝置。有利之處在於，PPC 150的獨立尋址部 分可被用於完成兩個不同的功能，例如在同 一裝置中執行光能轉換和同時接受或發射光 數據。[58] 如圖7中所示實施例，PPC 150的中心部分和環形部分在同一 p-n結129中分別 採用不同的空間區域探測或發射光，並且將光能轉變成電能。然而，所述p-n結129也 許並非最適於接受或發射光數據信號，即用於執行所述LED或PD功能。而且，在一些 應用中，光數據信號和光能可以通過不同波長的光栽送。 參見圖8， PPC 150的另一個實施例含有第二多層結構32,例如所述結構為p-i-n 型，被設置在中心分塊55內的第一多層結構30上，所述第二多層結構32可以被優化 以作為PD或LED使用。所述第二多層結構30可以含有第一電導類型的第二基極層102, 所述第二基極層102在保護層101上外延生長，隨後未摻雜層或本徵層103在所述第二 基極層102上外延生長，以及第二電導類型的第二發射層104在所述本徵層103上外延 生長。然後，第二電流阻擋層106在第二發射層104上方外延生長。在通過金屬鍍層和 結構製作工序形成電導路徑118和119之後，第二電流阻擋層106被去除，僅保留直接 位於所述電導路徑118和119下方的部分，以便提供與位於其下的半導體結構的電絕緣。第二多層結構32被保留在中心分塊55內，但可以在環形分塊51-54中被去除， 僅保留位於電導路徑118和119下方的部分。如圖8中虛線128的右側所顯示，中心分 塊55的第一環形觸頭109被設置在第二基極層102通過缺口暴露出的部分上以與第二 基極層102電連通，所迷缺口在本徵層103和第二發射層104內。中心分塊55的第二 環形觸頭108被設置在第二發射極層104上以與第二發射層104電連通。在所示實施例 中，第二發射極層104是p型並且第二基極層102是n型，第一環形觸頭109和第二環 形觸頭108可以通過現有已知n型和p型金屬鍍層技術分別形成，例如採用Au/Ge/Au 的金屬鍍層技術用於形成n型金屬觸頭108、 118、 119和65，和採用Ti/Pt/Au的金屬 鍍層技術用於形成p型金屬觸頭109和60。金屬空氣橋107通過第二環形觸頭108將第 二發射層104連接到電導路徑119，然後依次將電導路徑119通過空氣橋111連接到 PPC150的中心部分55的p-i-n結構的陽極端263。類似地，金屬空氣橋IIO通過第一 環形觸頭109將第二基極層102連接到電導路徑118，然後依次將電導路徑118通過空 氣橋112連接到PPC150的中心部分55的p-i-n結構的陰極端264。蝕刻溝槽100使陽 極端263和陰極端264與裝置的其他部分相隔離，空氣橋111和112架過所述蝕刻溝槽 100。[61] 例如，在含有如上所述的第一多層結構的GaAs基裝置中，第二基極層102的半 導體材料可以是n-摻雜的GaAs,所述GaAs含有的施主雜質濃度範圍約為5xl0"cm—3至
18 —3
2x10 cm並且厚度範圍在1至5微米之間，例如3微米；本徵層103的半導體材料可
以是未摻雜的GaAs,所述GaAs含有的本底摻雜級優選小10"cnT3並且厚度範圍在0. 5 微米至1. 5微米之間，例如0. 8微米；以及第二發射層104的半導體材料可以是p-摻雜 的GaAs，所述GaAs含有的受主雜質濃度範圍接近5x10 cm至2x10 cm並且厚度範 圍在0. 5微米至1微米之間，例如0. 8微米。第二電流阻擋層106也可以是n-摻雜的
l了—3 18 —3
GaAs,所述GaAs的施主雜質濃度範圍約為5x10 cm至2x10 cm並且厚度範圍在0. 5 微米至2微米之間，例如1.0微米。在其他PPC 150的GaAs基實施例中，第二多層結 構32可以採用AlGaAs或InGaAs合金材料製作並且其能隙較第一活性層133和134寬 或窄，以便吸收光並將其轉變成光載流子，所述光載流子與環形分塊51-54的活性層 所吸收的光具有一組不同的光波長。所述實施例對於通過不同波長的光傳送光能量和數 據的應用是有利的。
在另一示例性實施例中，基底130的半導體材料是半絕緣體InP，所述基底130 上的各層結構131 - 136以及101的半導體材料請參考關於PPC50 InP基的實施例論述， 第一活性層133和134的InGaAs合金層晶格與InP層相匹配並且具有的能隙所對應的 波長大約為1. 48微米。在PPC150實施例中，第二基極層102的半導體材料可以是n-摻雜InGaAsP合金，所迷InGaAsP中的合金組分例如具有的能隙所對應的波長大約為1. 3
微米，施主雜質濃度大約1x10 cm以及層厚度範圍在1至3微米，例如2微米。本徵 層103的半導體材料可以是未摻雜的InGaAsP合金，與第二基極層102具有同樣的合金 組分並且層的厚度範圍在0. 5微米至1. 5微米，例如大約1微米，並且第二發射層104 的半導體材料可以是p-摻雜InGaAsP,與第二基極層102具有同樣的合金組分並且其受formula see original document page 25
主雜質濃度在5xl0 cm至5x10 cm之間或大約2x10 cm以及層厚度範圍為O. 5微 米至1. 5微米或大約1微米。第二電流阻擋層106可以是n-摻雜InGaAs,並且其施主 雜質濃度大約在5xl08cn^至2xl0"cm^之間以及層厚度為0. 2微米。PPC〗50的實施 例適於探測波長為1. 3微米的光數據信號，並且適於將操作波長在1480nm的大功率雷射信號轉變成電能量，所述雷射來自可產生波長1480nm的二極體雷射發生器。InP層和 InGaAs層的摻雜材料可以是Zn或Be。
本領域技術人員可以知道，如InGaAs和InGaP的三元材料和如InGaAsP不同合 金的四元材料的不同組合可以在InP基底上外延生長，以形成第一和第二多層結構30 和32，從而獲得波長操作範圍大約在1. 2微米至1. 6微米的PPC 150的不同實施例。如 分子束外延法(MBE)和有機金屬化學汽相澱積法(MOCVD)的傳統生長技術可以用於三 元材料層和四元材料層的外延生長，通過變質生長(metamorphic growth)可以將晶格 錯配層合併進PPC的層結構而實質上並不降低裝置性能。例如另一實施例中，第二多層 結構32可以採用InGaAsP或InGaP合金，並且較第一活性層133和134具有更寬或更 窄的能隙，以便吸收光並將其轉變成光載流子，所述光載流子與環形分塊51 - 54的活 性層所吸收的光具有一組不同的光波長。所述實施例對於通過不同波長的光傳送光能量 和數據的應用是有利的。
PPC測量結果 圖IO是根據本發明的InP基PPC的電流-電壓(I-V)特性411和輸出功率-電壓 (P-V)特性410的曲線示意圖，所述InP基PPC含有第一多層結構30,所述第一多層結 構30含有如上文所述的InGaAs活性層133/134和InP電流阻擋層131。所述裝置的最 大功率轉換效率超過28%,並且測量時輸出電壓為3. 5伏，得到的相應輸出電流為8. 1 毫安。當入射光的波長為1436納米且功率為100 mW時，可獲得PPC的最大輸出功率大 約為28. 4 mW。對於工作波長範圍在1310-1550 nm之間的光能量轉換器而言，這樣高的 功率轉換效率是顯著的改善，其性能參數遠超過所有的現有裝置。所測量的裝置具有9 塊扇形裝置分塊。 有利之處在於，根據本發明的InP基PPC的關鍵目的之一在於可用於光電能量技 術，即增加光能量的傳輸距離，使所述光能量的傳輸具有足夠效率以驅動如傳感器和數 據接口的遠程設備。當距離超過lkm時，必須使用範圍在1310 nm至1550 nm之間的長 波光，因為利用光纖傳輸所述範圍以外的光時，所述光的衰減相對較高。對於短波光， 例如980nm及以下，在常用光纖裡傳輸時的光衰減超過3dB/km，因此，給距離超過幾百 米的設備供能將被禁止。然而，當波長為1310nm及以上的光在光纖裡傳輸時，其光衰 減大約為0. 1 dB/km或小於0. 1 dB/km，因此，當光能量需要傳送的距離為lkm或超過 lkm時，根據本發明的InP基PPC較GaAs基裝置更適於用作能量轉換器。另一有利之處 在於，根據本發明的PPC可被安裝在適合於對準單模光纖的接收元件裡，因此，使用根 據本發明的InP基PPC可以發揮遠程傳送光能量的優點。 注意，上文描述的根據本發明的光電能量轉換器的具體實施例可以利用其他實施 例的部分技術特徵，並且僅作為示例，在本發明的具體應用中可採用很多元件的可選實 施例，這對於本領域技術人員是顯而易見的。例如，根據本發明的PPC的其他實施例可 以含有裝置分塊，所述裝置分塊以圓形組合排列，其中第一組裝置分塊位於中心並且被 第二組裝置分塊所環繞，所述第二組裝置分塊包括至少兩個裝置分塊。在這裡所述的實 施例中，第一組裝置分塊由單個中心分塊55組成，但是在其他實施例中，可以預見， 所述裝置分塊的第一組可以由不止一個裝置分塊構成，所述第一組裝置分塊有附加溝槽 隔離並且可以串聯或彼此絕緣以及逐個尋址。其他實施例可以含有基極層為p-摻雜而發射極為n-摻雜的裝置。在其他實施例中，還可以優化PPC中心部分的第二多層結構以產 生光，並且可以在第二基極層和發射基層之間不含本徵層，或可以使所含有的本徵層厚 度小於0. 1微米，以便形成量子井。當然，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下可以假設大量的其它實施例。
權利要求
1. 光電能量轉換器，包括基底、第一多層結構、多個溝槽和多個電互連器，其中所述基底由半導體材料製作；所述第一多層結構由所述基底支撐，所述第一多層結構包括第一導電類型的半導體材料的第一基極層、第二導電類型的半導體材料的第一發射極層和第二導電類型的半導體材料的第一導電層；所述第一基極層位於所述基底之上；所述第一發射極層被設於所述第一基極層之上，所述第二導電類型與所述第一導電類型相反，從而在所述第一發射極層與所述第一基極層之間形成p-n結區域；所述第一導電層被設置於所述第一發射極層之上；所述溝槽延伸通過所述第一多層結構，並且部分延伸進入所述基底，從而形成多個由所述基底支撐的空間上分離的裝置分塊；其中，所述裝置分塊以圓形組合排列，其中第一組裝置分塊位於中心並且被第二組裝置分塊所環繞，所述第一組裝置分塊由一個或多個裝置分塊組成，所述第二組裝置分塊包括至少兩個裝置分塊，以及其中，所述多個裝置分塊中的兩個或更多個分塊含有第一金屬觸頭和第二金屬觸頭，所述第一金屬觸頭與所述裝置分塊內的第一基極層電連通，以及所述第二金屬觸頭被設置於所述裝置分塊內的第一發射極層之上，與所述第一發射極層電連通；以及，所述多個電互連器通過將每一個且僅一個第一金屬觸頭電連接到其相鄰的第二金屬觸頭，從而將所述兩個或更多個裝置分塊電氣串聯連接，從而當所選波長的輻射入射到所述第一發射極層上時，在未連接的第一金屬觸頭和未連接的第二金屬觸頭之間產生一個電壓，所述未連接的第一金屬觸頭為所述兩個或更多個裝置分塊的第一金屬觸頭中，未連接到任一第二金屬觸頭的第一金屬觸頭，所述未連接的所述第二金屬觸頭為所述兩個或更多個裝置分塊的第二金屬觸頭中，未連接到任一第一金屬觸頭的第二金屬觸頭。
2. 如權利要求1所迷的光電能量轉換器，其中，所述兩個或更多個分塊包括有所述第 一組裝置分塊和第二組裝置分塊中的分塊。
3. 如權利要求1所述的光電能量轉換器，其中，所述兩個或更多個分塊包括有所述第 二組裝置分塊中的分塊，但不包括所述第一組裝置分塊中的分塊。
4. 如權利要求3所述的光電能量轉換器，其中，所述第一組裝置分塊構成中心分塊， 所述中心分塊位於環形裝置部分的中心，所述環形裝置部分由所述第二組裝置分塊串聯 形成。
5. 如權利要求1所述的光電能量轉換器，其中所述多個溝槽包括將所述第一組裝置分 塊和第二組裝置分塊相隔離的環形槽，和一組從所述環形槽向外延伸的溝槽。
6. 如權利要求1所述的光電能量轉換器，其中，所述第一導電類型是n-型，並且所述 第二導電類型是P-型。
7. 如權利要求4所述的光電能量轉換器，進一步包括第二多層結構，所迷第二多層結 構被設置在所述中心裝置分塊的所述第一多層結構之上，所述第二多層結構包括第一 導電類型的半導體材料的第二基極層、第二導電類型的半導體材料第二發射極層、第三 金屬觸頭和第四金屬觸頭，其中所述第二基極層被設置在所述第一導電層之上； 所述第二發射極層被設置在所述第二基極層之上； 所述第三金屬觸頭與所述第二基極層電連通；以及 所述第四金屬觸頭與所述第二發射極層電連通。
8. 如權利要求7所述的光電能量轉換器，其中，所迷第三金屬觸頭和所述第四金屬觸 頭都跨越所述環形裝置部分而向外延伸，並且與所述環形裝置部分的裝置分塊電絕緣， 以便獨立於所述第二組裝置分塊而連接到外電路。
9. 如權利要求8所述的光電能量轉換器，進一步包括一層或多層電流阻擋層，所述電 流阻擋層被插入在所述環形裝置部分內的每個所述第三和第四金屬觸頭與所述第一多 層結構之間。
10. 如權利要求7所述的光電能量轉換器，進一步包括半導體材料的本徵層，所迷本徵 層被插入在所述第二基極層和所述第二發射極層之間，並且所述本徵層具有的本徵導電 率低於所述第二基極層和所迷第二發射極層的導電率。
11. 如權利要求7所述的光電能量轉換器，其中所述第一基極層和所述第一發射極層的 半導體材料所含有的禁帶小於所述第二基極層和所述第二發射極層的半導體材料所含 有的禁帶。
12. 如權利要求7所述的光電能量轉換器，其中所述第一基極層和所述第一發射極層的 半導體材料所含有的禁帶等於或大於所述第二基極層和所述第二發射極層的半導體材 料所含有的禁帶。
13. 如權利要求7所述的光電能量轉換器，其中所述基底、所述第一基極層以及所述第 一發射極層均包括GaAs。
14. 如權利要求13所述的光電能量轉換器，其中所述第二基極層包括n-摻雜GaAs，所述n-摻雜GaAs的施主雜質濃度範圍在formula see original document page 45x10 cm至2xl0 cm之間並且厚度範圍在1微米至3微米之間；所述本徵層包括未摻雜GaAs，所述未摻雜GaAs的摻雜級小於10"cm—3並且厚度範圍在0. 5微米至1. 5微米之間；以及所述第二發射極層包括p-摻雜GaAs，所述p-摻雜GaAs的受主雜質濃度範圍在5x10 cm至2x10 cm之間並且厚度範圍在0. 5微米至1. 5微米之間。
15. 如權利要求7所述的光電能量轉換器，其中，所述基底的半導體材料是GaAs,以及 所述第二基極層、所述第二發射極層和所述本徵層的半導體材料是InGaAs和InGaAsP 之中的一種合金。
16. 如權利要求7所述的光電能量轉換器，其中，所述基底的半導體材料是InP，以及 所述第二基極層、所述第二發射極層和所述本徵層的半導體材料是InGaAs和InGaAsP 之中的一種合金。
17. 如權利要求15所述的光電能量轉換器，其中所述第一基極層包括n-摻雜GaAs，所述n-摻雜GaAs的施主雜質濃度範圍在formula see original document page 42x10 cm至2x10 cm之間並且厚度範圍在1微米至3微米之間；以及所述第一發射極層包括P-摻雜GaAs,所述p-摻雜GaAs的受主雜質濃度範圍在5xl 0"cnf3至2xl0"cn^之間並且厚度範圍在0. 2微米至1微米之間；進一步包括緩衝層和導電層，其中 所述緩沖層的材料是n-摻雜GaAs,其厚度範圍在1微米至10微米並且其含有的施主雜formula see original document page 4質濃度範圍在5x10 cm至2x10 cm之間，並且所述緩衝層被插入在所述基底和所述 第一基極層之間；所述電導層的材料是p-摻雜AlGaAs和InGaP之中的一種合金，其厚度範圍在1微 米至3微米並且其含有的受主雜質濃度範圍在2x10 cm至2x10 cm之間，並且所述電導層被插入在所述第 一發射極層和所述第二基極層之間。
18. 如權利要求16所述的光電能量轉換器，其中所述第一基極層包括與InP晶格相匹配的n-摻雜InGaAs,其施主雜質濃度範圍在5xlO"cn^至lxlO"cm^之間並且其厚度範圍在1微米至3微米之間；以及所述第一發射極層包括與InP晶格相匹配的p-摻雜InGaAs，其受主雜質濃度範圍在 5xl0"cm」至lxlO"cm—之間並且其厚度範圍在0. 5微米至1. 5微米之間；進一步包括緩沖層和導電層，其中 所述緩衝層的材料是n-摻雜InP，其厚度範圍在5微米至10微米並且其施主雜質濃度範圍在5xlO"cn^至2xl0"cm—3之間，並且所述緩沖層被插入在所述基底和所述第一基 極層之間；所述導電層的材料是p-摻雜InP,其厚度範圍在1. 5微米至2. 5微米並且其受主雜 質濃度範圍在2xl0"cm—至2><1019(^_3之間，並且所述導電層被插入在第一發射極層和 第二基極層之間。
19. 如權利要求18所述的光電能量轉換器，其中所述第二基極層包括n-摻雜InGaAsP,其施主雜質濃度範圍在5xl0"cm—3至18 —22x10 cm之間並且其厚度範圍在1微米至2微米之間；所述本徵層包括未摻雜InGaAsP，其具有的摻雜級小於1015cm-3並且其厚度範圍在 0. 5微米至1. 5微米之間；以及，所述第二發射極層包括p-摻雜InGaAsP，其受主雜質濃度範圍在5xl0"cm—3至151 —35x10 cm之間並且其厚度範圍在0. 5微米至1. 5微米之間。
20. 如權利要求4所述的光電能量轉換器，其中，每個所述裝置分塊都含有感光表面， 並且其中，所述中心分塊的感光表面的面積佔所有裝置分塊的感光表面總面積的15 %至 25%。
21. 如權利要求1所述的光電能量轉換器，其中，每個所述裝置分塊具有同樣面積的感 光表面。
22. 如權利要求4所述的光電能量轉換器，進一步包括 第三金屬觸頭，所述第三金屬觸頭與所述第一基極層電連通； 第四金屬觸頭，所述第四金屬觸頭與所述第一發射極層電連通；以及，一層或多層電流阻擋層，所述一層或多層電流阻擋層被插入在所述環形裝置部分內 的每個所述第三金屬觸頭和所述第四金屬觸頭與所述第 一多層結構之間；其中，每個所述第三金屬觸頭和所述第四金屬觸頭都跨越所述環形裝置部分而向外 延伸，並且與所述環形裝置部分的裝置分塊電絕緣，以便獨立於所述第二組裝置分塊而 連接到外電路。
全文摘要
本發明涉及一種光電能量轉換器包括多個由所述基底支撐的空間上分離的裝置分塊，其中裝置分塊以圓形組合排列，其中第一組裝置分塊位於中心並且被第二組裝置分塊所環繞，第一組裝置分塊由一個或多個裝置分塊組成，第二組裝置分塊包括至少兩個裝置分塊，以及其中將兩個或多個裝置分塊進行串聯當所選波長的輻射入射在裝置上時產生電壓。
文檔編號H01L23/522GK101431084SQ200710301959
公開日2009年5月13日 申請日期2007年12月20日 優先權日2006年12月20日
發明者強 劉, 吳塔春, 森尼瓦提·韋德加加, 簡·古斯塔夫·威爾森 申請人:Jds尤尼弗思公司