電荷控制雪崩光電二極體及其製造方法
2023-10-21 03:07:42 1
專利名稱：電荷控制雪崩光電二極體及其製造方法
技術領域：
本發明大體上涉及基於半導體的光電探測器領域，更特別地，涉及最優化的雪崩光電二極體及其製造方法。
背景技術：
由於已知的光子和電子間的相互作用，近些年在光電探測器領域取得了巨大的進展，特別是在利用半導體材料的光電探測器領域。一種基於半導體的光電探測器稱作雪崩光電二極體，或者APD。這種類型的結構通常由大量用作不同的目的，例如吸收和倍增的固體半導體材料構成。
APD結構通過激發態電荷載流子的行為提供大增益的主要益處，激發態電荷載流子在倍增層中產生大量的電子空穴對。然而，APD產生大量電荷載流子是如此地高效以致於有被飽和的危險，從而對器件帶寬產生有害影響。為了防止電荷載流子崩潰，強制電場在APD內自我調控，且特別地期望使倍增層中的電場顯著地高於吸收層中的電場。
傳統上，隔離吸收、分級、電荷、倍增(SAGCM)APD利用分級層(grading layer)使異質界面的空穴俘獲(hole trapping)最小化，利用電荷控制層隔離吸收層和倍增層之間的電場。該電荷控制層的設計是極其關鍵的，因為要允許倍增層中的電場強度足夠高以發起碰撞電離，同時保持吸收層中的電場較低以防止隧道崩潰。
例如，具有n-型倍增層的SAGCM APD結構，電子被擴增並且需要p-型摻雜起電荷控制層作用。然而，傳統的鈹或鋅p-型摻雜方法需要相對厚的電荷控制層，因為鈹或鋅伴隨有高擴散係數。由於該具有更低摻雜的厚電荷控制區域，載流子通過電荷控制層的渡越時間(transit time)增加，從而降低了APD設備的整體速度。
作為比較，在本發明中，鈹或鋅電荷控制層中存在的限制通過利用碳摻雜被克服了。這一解決方法導致了超薄電荷控制層，同時增加了光電探測器的速度。因為碳具有很小的擴散係數，所以能夠獲得精確的摻雜控制，從而能夠實現具有100埃或者更小厚度超薄層的電荷薄層(charge sheet)。
本發明包括在半絕緣InP結構上生長的外延結構。首先，生長緩衝層以隔離由基片產生的缺陷。然後生長n-型層用作收集電子的n-接觸層。接著，生長倍增層(multiplication layer)向APD設備提供雪崩增益。之後，通過碳摻雜生長超薄電荷控制層。生長吸收層作為由光激發產生電子空穴對的區域。最後，生長p-型層作為收集空穴的P接觸層。本發明進一步的實施例和優點在下面通過參考附圖加以討論。
附圖簡述
圖1是根據本發明一個方案的電荷控制雪崩光電二極體的透視圖。
圖2是描述電場空間依賴的曲線圖，其中電場跨電荷控制雪崩光電二極體的深度來設置。
優選實施例詳細說明根據本發明的優選實施例，出於光電導目的提供了一種外延結構。光電導結構是雪崩光電二極體(APD)，其通過電荷控制層加以優化以提高性能。本發明結構和製造方法的詳情在這裡進一步加以討論。
參考圖1，顯示了根據優選實施例的電荷控制APD 10的透視圖。基片12被提供作為沉積外延結構的基礎。本發明的電荷控制APD可以用多種合適的方式加以製造，包括分子束外延和金屬有機汽相外延。
基片12可以由半絕緣材料構成，或者選擇地，基片可以摻雜磷酸銦(InP)。在基片12上布置緩衝層14使基片12的任何結構缺陷或者化學缺陷與其餘的結構隔離。
在緩衝層14上布置n-型層16作為n-接觸層，從而收集瀉落(cascading)通過電荷控制APD 10的電子。n-型層可以由磷酸銦(InP)或者鋁砷化銦(InAlAs)中的一種構成。在n-型層16上布置由InAlAs構成的倍增層18。倍增層18提供雪崩效應，其中電子的電流密度被放大，藉此提供APD增益。
在倍增層18上布置電荷控制層20從而使倍增層18與電荷控制APD 10的頂層隔離。在優選實施例中，電荷控制層20由碳摻雜的InAlAs構成。電荷控制層20僅沉積小於100埃的厚度。有可能使電荷控制層20的厚度小至2埃，從而代表二維電荷薄層。因此優選地，電荷控制層20的厚度為2-100埃。
在吸收層24的上下布置兩個數字分級層(digistal graded layer)22，26，以便使由於鎵砷化銦(InGaAs)和InAlAs材料之間的能帶隙產生的任何載流子俘獲最小化。第一數字分級層22布置在電荷控制層20上。用於產生電子空穴對的吸收層24布置在數字分級層22上。然後在吸收層24上布置第二數字分級層26。
在優選實施例中，第一和第二數字分級層22，26都由鋁鎵砷化銦(InAlGaAs)構成。吸收層24由InGaAs構成，以便使通過光激發產生的電子空穴對數量最大。
用作p-接觸層的p-型層28布置在第二數字分級層26上，以便按照和n-型層16類似的方式收集空穴。p-型層26優選地是InP或者InAlAs之一，如同上面對於n-型層16的說明。在相關實施例中，p-型層28和n-型層16可以用相同材料製成，或者選擇地，它們可以用InP或者InAlAs系列中的不同材料構成。
參考圖1說明的電荷控制APD 10比典型的外延APD提供了極大改良的性能。特別地，電荷控制層20特別適合於維持倍增層18中的高電場，同時維持吸收層24中的低電場。
圖2是表示電場值的曲線圖，其測量了電荷控制APD 10的深度對各種偏壓的依賴性。特別地，注意到吸收層24典型地布置為距離p-型層28的表面0.25-1.25μm。類似地，倍增層18可以布置為距離p-型層28的表面1.25-1.75μm。
因此，從圖2顯見，位於吸收層24和倍增層18之間的電荷控制層20負責各個層之間的電場的增加。特別地，對於-5V偏壓，吸收層24中的電場大約為0，而倍增層18中的電場處於-1.75×103V/cm的量級。對於-30伏特的電壓，吸收層24中的電場大約為-1.0×103V，而倍增層18中的電場處於-5.0×103V/cm的量級。而且，因為電荷控制層20的厚度小於100埃，所以還使載流子渡越時間顯著降低，導致APD響應時間整體增效。
如上所述，本發明包括具有電荷控制層的雪崩光電二極體。特別地，電荷控制層是碳摻雜的，且厚度小於100埃，藉此增大了器件吸收層和倍增層之間的電場梯度。對於本領域技術人員應當顯而易見，上述實施例只是本發明許多可能具體實施例的少數幾個實例。本領域技術人員能夠容易地設計大量的各種其它布置而不背離由隨後的權利要求限定的本發明的精神和範圍。
權利要求
1.一種雪崩光電二極體，包括位於一基片層上的吸收層；位於該基片層上的倍增層；和碳摻雜電荷控制層，其位於吸收層和倍增層之間。
2.根據權利要求1的雪崩光電二極體，其中吸收層位於第一數字分級層和第二數字分級層之間。
3.根據權利要求1的雪崩光電二極體，進一步包括位於倍增層和基片之間的n-型接觸層。
4.根據權利要求1的雪崩光電二極體，進一步包括p-型接觸層。
5.根據權利要求1的雪崩光電二極體，進一步包括位於n-型接觸層和基片之間的緩衝層。
6.根據權利要求1的雪崩光電二極體，其中吸收層是InGaAs。
7.根據權利要求1的雪崩光電二極體，其中倍增層是InAlAs。
8.根據權利要求1的雪崩光電二極體，其中碳摻雜電荷控制層是碳摻雜InAlAs。
9.根據權利要求1的雪崩光電二極體，其中碳摻雜電荷控制層的厚度為2-100埃。
10.根據權利要求1的雪崩光電二極體，其中碳摻雜電荷控制層的厚度為5-50埃。
11.根據權利要求1的雪崩光電二極體，其中碳摻雜電荷控制層的厚度為5-35埃。
12.根據權利要求2的雪崩光電二極體，其中第一數字分級層是InAlGaAs，而第二數字分級層是InAlGaAs。
13.根據權利要求3的雪崩光電二極體，其中n-型接觸層是InP或者InAlA之一。
14.根據權利要求4的雪崩光電二極體，其中p-型接觸層是InP或者InAlAs之一。
15.一種製造雪崩光電二極體的方法，包括如下步驟提供基片層；沉積倍增層；沉積碳摻雜電荷控制層；和沉積吸收層。
16.根據權利要求15的方法，進一步包括沉積n-型層以收集電子的步驟。
17.根據權利要求15的方法，進一步包括沉積p-型層以收集空穴的步驟。
18.根據權利要求15的方法，進一步包括沉積用於防止帶隙偏移(bandgap offsets)之間的載流子俘獲的數字分級層的步驟。
19.根據權利要求15的方法，進一步包括以碳摻雜InAlAs材料的步驟。
全文摘要
本發明包括在半絕緣InP結構上生長的外延結構。首先，生長緩衝層以隔離由基片產生的缺陷。然後生長n－型層用作收集電子的n－接觸層。接著，生長倍增層向APD設備提供雪崩增益。之後，通過碳摻雜生長超薄電荷控制層。生長吸收層作為由光激發產生電子空穴對的區域。最後，生長p－型層作為收集空穴的P接觸層。
文檔編號H01L31/107GK1633699SQ03803050
公開日2005年6月29日 申請日期2003年2月3日 優先權日2002年2月1日
發明者柯呈佶 申請人:派克米瑞斯公司