專利名稱：含有中心部分的多分塊式光電能量轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將光功率轉(zhuǎn)變成電功率的裝置，尤其是，涉及含有一個(gè)或多個(gè)位于中 心的分塊的分塊式半導(dǎo)體光功率轉(zhuǎn)換裝置。
背景技術(shù)：
在許多應(yīng)用中都有使用將光功率轉(zhuǎn)變成電功率的裝置，其中最為公眾所知的可能 是將陽(yáng)光轉(zhuǎn)變成電能，其中一般使用硅基光電電池(也被稱為光電池或太陽(yáng)能電池)。 在這類應(yīng)用中， 一般使用具有相對(duì)大的感光區(qū)域的光電電池陣列。在這類應(yīng)用中，光功率可以由高功率激光提供，并通過(guò)光纖將所述光功率傳送至 所述模塊中，其中，光功率信號(hào)被轉(zhuǎn)換成電功率信號(hào)。在這類應(yīng)用中，所述光一般以高 密度受限紅外光束的形式進(jìn)入，并且相應(yīng)于典型光纖的低吸收窗口，所述光束的波長(zhǎng)一 般在900nm - 1600 nm的范圍內(nèi)。在這類應(yīng)用中的光功率轉(zhuǎn)換器具有相對(duì)小的感光區(qū)域， 優(yōu)選采用幾平方毫米或更小的圓形感光區(qū)域，并且所述光功率轉(zhuǎn)換器基于復(fù)合半導(dǎo)體， 所述復(fù)合半導(dǎo)體(如InP、 GaAs以及它們的合金)比硅更適于吸收紅外光。這類基于GaAs 的裝置的一個(gè)例子在授權(quán)給Virshup的美國(guó)專利5， 342, 45中公開(kāi)，在此通過(guò)參考將其 結(jié)合于本申請(qǐng)中。
正如Virshup的專利文件以及本申請(qǐng)說(shuō)明書(shū)附圖l(該附圖1是Virsh叩的專利文 件圖2的再現(xiàn))中所描述的，典型的半導(dǎo)體光功率轉(zhuǎn)換器含有P-n結(jié)20，所述p-n結(jié) 20形成于基極層16和發(fā)射極層18之間，所述基極層16可以是典型的n極層，所述發(fā) 射極層18可以是典型的p極層。所述基極層16和發(fā)射極層18被夾在被置于絕緣襯底12上的高導(dǎo)電性緩沖層14和高導(dǎo)電性光學(xué)透窗層22之間，在所述光學(xué)透窗層22之后 可以加上較厚的導(dǎo)電層24。保護(hù)層(圖1未顯示)位于透窗層上，并且如金屬柵格線的 電觸頭(圖1未顯示)被沉積在所述保護(hù)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(hù)層，使得入射光可以穿過(guò)透窗層并被下面的p-n結(jié)20吸收。 為了完成電路， 一般還要通過(guò)蝕刻技術(shù)腐蝕到p-n結(jié)的n區(qū)。蝕刻深度通常為幾微米以 確保到達(dá)基極層16。 一旦當(dāng)金屬被沉積在暴露出來(lái)的n極層時(shí)，便可以在n極和p極之 間建立連接。當(dāng)光子入射并被p-n結(jié)20吸收時(shí)，產(chǎn)生栽流子，并且在p-n結(jié)產(chǎn)生電場(chǎng) 的條件下，所述載流子遷移并在電接觸器處被收集以在其間產(chǎn)生電勢(shì)差。通過(guò)連接外部 電路，便可提取電功率。
單個(gè)p-n結(jié)可以傳送的開(kāi)路電壓受限于所采用的半導(dǎo)體材料的禁帶，并且所述可 傳送電壓一般小于l伏。通過(guò)以橫向結(jié)構(gòu)的形式將多個(gè)所述的p-n結(jié)串聯(lián)，各個(gè)電壓被 累加便可以產(chǎn)生達(dá)到或超過(guò)12伏的輸出電壓。為了制作這類單個(gè)p-n結(jié)元件， 一般在 相鄰分塊間進(jìn)行蝕刻。所述蝕刻必須足夠深以使這些p-n結(jié)彼此隔離，典型的深度為約 25微米。為了完成p-n結(jié)的串聯(lián)，在相鄰p-n結(jié)之間形成空氣橋。所述空氣橋的一邊接 到p-n結(jié)的被暴露的n區(qū)，另 一邊接到相鄰的p-n結(jié)的p區(qū)。 對(duì)于光功率通過(guò)帶有圓截面的受限光束傳輸?shù)膽?yīng)用，如光功率由光纖發(fā)出，如圖2 (該圖2是Virsh叩專利文件圖3的再現(xiàn))所示，這些多個(gè)p-n結(jié)元件一般通過(guò)將半導(dǎo) 體芯片的圓形感光區(qū)域劃分成多個(gè)扇形裝置分塊28來(lái)制作，所迷分塊28通過(guò)蝕刻溝槽 26而彼此隔離，并通過(guò)互連電觸頭40串聯(lián)連接；雖然圖中顯示了6個(gè)分塊，但是典型 的裝置可以具有2 - 16個(gè)或更多個(gè)分塊。圖2所示裝置的缺點(diǎn)之一在于蝕刻溝槽26會(huì)聚的感光結(jié)構(gòu)中心有一小孔；因此， 對(duì)進(jìn)入該裝置中心的光線被丟失。 一般來(lái)說(shuō)，所述裝置每塊分塊將光轉(zhuǎn)變成電能的效率 與所述感光區(qū)域和所述溝槽區(qū)域的比率成比例。如圖2所示裝置中，所述轉(zhuǎn)變比率在所 述感光區(qū)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。由于典型的光束(如從光纖中發(fā)出的光束)的分布大約接近高斯分布，在光 束中心處光強(qiáng)最大，因此如圖2所示的扇形分塊導(dǎo)致入射光重要部分的丟失，并因此對(duì) 于裝置的總功率轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生消極影響。[9]現(xiàn)有技術(shù)的另 一個(gè)缺點(diǎn)也與入射到功率轉(zhuǎn)換裝置上的光束中的光功率分布不均有 關(guān)。由于如此大量的光能量沖擊所述功率轉(zhuǎn)換器的中心99周圍的相對(duì)小的區(qū)域，許多 由光子產(chǎn)生的載流子在遠(yuǎn)離電觸頭40的地方產(chǎn)生，所述電觸頭40位于該裝置的邊緣； 結(jié)果，當(dāng)總光強(qiáng)增加時(shí)，該裝置的層的內(nèi)阻開(kāi)始起重要作用。所述光強(qiáng)增加的直接結(jié)果 是造成電流的增加。所述增加的電流必須穿過(guò)電阻材料到達(dá)裝置邊緣，電流越大則由電 阻對(duì)電流阻礙所造成的電壓損失就越多。隨著光強(qiáng)增加，由光子產(chǎn)生的電流增大，所述 裝置的內(nèi)阻將造成裝置內(nèi)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(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的半導(dǎo)體功率轉(zhuǎn)換器， 一般可以觀察到，光強(qiáng)越高，輸出電 壓中的損失越多?，F(xiàn)有技術(shù)的功率轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)缺點(diǎn)在于，現(xiàn)有的功率轉(zhuǎn)換器專用于功率轉(zhuǎn)換， 而現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中可能需要將光功率轉(zhuǎn)換和光數(shù)據(jù)提取集成于一個(gè)模塊里。然而，在應(yīng)用如 圖2所示的現(xiàn)有技術(shù)裝置時(shí)，光功率轉(zhuǎn)換和從調(diào)制光束中提取光數(shù)據(jù)的任務(wù)將導(dǎo)致具有 矛盾的設(shè)計(jì)要求；例如，光功率轉(zhuǎn)換一般要求轉(zhuǎn)換功率最大化，需要采用具有相對(duì)大的 感光區(qū)域的裝置。另一方面，高速光數(shù)據(jù)通信(例如調(diào)制帶寬超過(guò)O. 1-1 MHz)—般需 要采用具有低寄生電容的小面積光探測(cè)器。如圖2所示的現(xiàn)有技術(shù)的分塊光轉(zhuǎn)換器的調(diào) 制帶寬可以通過(guò)裝置分塊的串聯(lián)進(jìn)一步降低，所述調(diào)制帶寬的降低會(huì)增加裝置內(nèi)阻而產(chǎn) 生較高的RC值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一在于至少克服現(xiàn)有技術(shù)中的一些缺點(diǎn)，而提供改善的光功率轉(zhuǎn) 換器，所述改善的光功率轉(zhuǎn)換器對(duì)高斯光束具有提高的光轉(zhuǎn)換效率并具有較低的內(nèi)阻。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種既可用于光功率轉(zhuǎn)換又可用于數(shù)據(jù)探測(cè)的光 功率轉(zhuǎn)換器。因此，本發(fā)明涉及一種光電能量轉(zhuǎn)換器，包括基底、第一多層結(jié)構(gòu)、多個(gè)溝溝 槽和多個(gè)電互連器，其中所述基底由半導(dǎo)體材料制作；所述第一多層結(jié)構(gòu)由所述基底 支撐，所述第一多層結(jié)構(gòu)包括第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的第一基極層、第二導(dǎo)電類型 的半導(dǎo)體材料的第一發(fā)射極層和第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的第一導(dǎo)電層；所述第一基極層位于所述基底之上；所述第一發(fā)射極層被設(shè)于所述第一基極層之上，所述第二導(dǎo)電 類型與所述第 一導(dǎo)電類型相反，從而在所述第 一發(fā)射極層與所述第一基極層之間形成 p-n結(jié)區(qū)域；所述第一導(dǎo)電層被設(shè)置于所述第一發(fā)射極層之上；所述溝溝槽延伸通過(guò)所 述第一多層結(jié)構(gòu)，并且部分延伸進(jìn)入所述基底，從而形成多個(gè)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于中心 并且被第二組裝置分塊所環(huán)繞，所述第一組裝置分塊由一個(gè)或多個(gè)裝置分塊組成，所述 第二組裝置分塊包括至少兩個(gè)裝置分塊，以及其中，所述多個(gè)裝置分塊中的兩個(gè)或更多 個(gè)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(nèi)的第一 基極層電連通，以及所述第二金屬觸頭被設(shè)置于所述裝置分塊內(nèi)的第一發(fā)射極層之上， 與所述第一發(fā)射極層電連通；以及，所述多個(gè)電互連器通過(guò)將每一個(gè)且僅一個(gè)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(gè)或更多個(gè)裝置分塊電氣串聯(lián)連 接，從而當(dāng)所選波長(zhǎng)的輻射入射到所述第一發(fā)射極層上時(shí)，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(chǎn)生一個(gè)電壓，所述未連接的第一金屬觸頭為所述兩個(gè)或更 多個(gè)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(gè)或更多個(gè)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(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，所述兩個(gè)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(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，所述裝置分塊中的兩個(gè)或更多分塊組成所述第二裝置 分塊組但兩個(gè)或更多分塊不包含在所述第一裝置分塊組內(nèi)。所述第一裝置分塊組可以構(gòu) 成中心分塊，所述中心分塊位于環(huán)形裝置部分的中心，所述環(huán)形裝置部分的中心由所述 第二裝置分塊組形成。 根據(jù)本發(fā)明的光電能量轉(zhuǎn)換器可以含有在所述中心裝置分塊內(nèi)的所述第一多層 結(jié)構(gòu)上沉積形成的第二多層結(jié)構(gòu)，所述第二多層結(jié)構(gòu)含有在第一導(dǎo)電層上沉積形成的 第一電導(dǎo)類型半導(dǎo)體材料的第二基級(jí)層；在所述第二基極層上沉積形成的第二電導(dǎo)類型 半導(dǎo)體材料的第二發(fā)射極層；第三金屬觸頭與第二基極層之間進(jìn)行電連通；以及，第四 金屬觸頭與第二發(fā)射極層之間進(jìn)行電連通。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，第三和第四金屬觸 頭外向延伸超過(guò)環(huán)形裝置部分并且與環(huán)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(dú)立電路，在所述第三和第四觸頭與所述環(huán)形裝置部分內(nèi)的第 一多 層結(jié)構(gòu)之間插入一層或多層電流阻塞層。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)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(zhì)濃度范圍在5X10 cm至2xi0 cm之間并且其厚度范
圍在1微米至3微米之間；本征層是未摻雜GaAs層，其含有的摻雜級(jí)小于10"cn^并且 其厚度范圍在0. 5微米至1. 5微米之間；第二發(fā)射極層是p-摻雜GaAs層，其含有的受主
1 了 一3 1 f —3
雜質(zhì)濃度范圍在5xl0 cm至2xl0 cm之間并且其厚度范圍在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(zhì)濃度范圍在2 x 10"cn^至2 x
1018cm—3之間并且其厚度范圍在1微米至3微米之間；第一發(fā)射極層是p-摻雜GaAs層，
其含有的受主雜質(zhì)濃度范圍在5 x 10"cm—3至2 x 10"cm—3之間并且其厚度范圍在0. 2微 米至1微米之間。緩沖層是n-摻雜GaAs層，其厚度范圍在1微米至10微米并且其含有
17 —2 1fi —3
的施主雜質(zhì)濃度范圍在5 x 10 cm至2xl0 cm之間，并將所述緩沖層插入基底和第 一基極層之間；導(dǎo)電層是p-摻雜AlGaAs和InGaP合金層，其厚度范圍在1微米至3微
1 S —3 1Q —3
米并且其含有的受主雜質(zhì)濃度范圍在2 x 10 cm至2 x 10 cm之間，并將所述導(dǎo)電層 插入第 一發(fā)射極層和第二基極層之間。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)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?xùn)鸥衽cInP層相匹配并且第一基極層含有的施主雜質(zhì)濃度范
圍在5 x 10"cm—至1 x 10"cn^之間并且其厚度范圍在1微米至3微米之間；第一發(fā)射 極層是p-摻雜InGaAs層，InGaAs層?xùn)鸥衽cInP層相匹配并且其第一發(fā)射極層含有的受 主雜質(zhì)濃度范圍在5 x 10"crn^至1 x 10"cn^之間并且其厚度范圍在0. 5微米至1. 5微 米之間；緩沖層是n-摻雜InP層，其厚度范圍在5微米至10微米并且其含有的施主雜
1 了 一3 18—2
質(zhì)濃度范圍在5xl0 cm至2xl0 cm之間，并將所述緩沖層插入基底和第一基極層 之間；導(dǎo)電層是p-摻雜InP層，其厚度范圍在1. 5微米至2. 5微米并且其含有的受主雜
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質(zhì)濃度范圍在2x10 cm至2xl0 cm之間，并將所述導(dǎo)電層插入第一發(fā)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(zhì)濃度范圍在5 x 10 cm至2 x 10 cm之間并且其厚度范圍在1微米至2微米之間；本征層是未摻雜InGaAs 層，其含有的摻雜級(jí)小于10"cm—并且其厚度范圍在0. 5微米至1. 5微米之間；以及，第 二發(fā)射極層是P-摻雜InGaAs層，其含有的受主雜質(zhì)濃度范圍在5 x 10"cm—3至5 x 10 cm之間并且其厚度范圍在0. 5微米至1. 5微米之間。


下面將結(jié)合代表本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的附圖更詳細(xì)的描述本發(fā)明，其中，相同的參 考標(biāo)識(shí)用于指示相同的器件，其中圖1是現(xiàn)有技術(shù)下的半導(dǎo)體光能量轉(zhuǎn)換器的層結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)下的分塊式半導(dǎo)體光能量轉(zhuǎn)換器的平面圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的光電能量轉(zhuǎn)換器的平面圖，所述光電能量轉(zhuǎn)換 器含有中心部分；圖4是圖3所示的光電能量轉(zhuǎn)換器的沿A-A線的截面圖，以說(shuō)明其示例性層結(jié)構(gòu)；圖5是圖3和圖4所示的光電能量轉(zhuǎn)換器的沿圖3中B-B線的截面圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的光電能量轉(zhuǎn)換器的平面圖，所述光電能量轉(zhuǎn)換 器含有獨(dú)立可尋址中心部分；圖7是圖6所示光電能量轉(zhuǎn)換器的一個(gè)示例性實(shí)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(zhuǎn)換器的另一可選實(shí)施例的沿圖6中C-C線和D-D線 的截面圖；圖9是根據(jù)本發(fā)明的GaAs/AlGaAs光電能量轉(zhuǎn)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(jù)本發(fā)明的InGaAs/InP光電能量轉(zhuǎn)換器在波長(zhǎng)1430nm，強(qiáng)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(shí)施例 下面首先參照?qǐng)D3、 4和5對(duì)本發(fā)明的光電能量轉(zhuǎn)換器(PPC )的示范實(shí)施例進(jìn)行 描述。
首先參見(jiàn)圖3， PPC 50含有多個(gè)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(gè)設(shè)置在所述中心分塊55周圍的分塊51 -54,所述 多個(gè)分塊圍繞所述中心分塊55而形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)。分塊51 - 54以及中心分塊55通過(guò)窄 溝槽100和200而彼此隔離，各分塊51 - 54在此又^皮稱為環(huán)狀分塊。環(huán)形或通常為無(wú) 間斷的溝槽200將中心分塊55與其他環(huán)狀分塊51 - 54隔離，而溝槽100從溝槽200處 徑向延伸并將各環(huán)狀分塊51 - 54彼此隔離。溝槽100和200在外延生長(zhǎng)的半導(dǎo)體晶片 內(nèi)采用蝕刻技術(shù)領(lǐng)域中已知的具有高縱橫比的方法進(jìn)行蝕刻，所述具有高縱橫比的蝕刻 方法例如反應(yīng)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(lián)，電互連器70將以空氣橋的形式在下文中進(jìn)一步詳細(xì)描述，以使所述裝置被適當(dāng) 波長(zhǎng)的光照射時(shí)每個(gè)分塊上可以產(chǎn)生電壓，從而每個(gè)分塊上產(chǎn)生的電壓被累加，以在接 觸墊61和62之間產(chǎn)生分別較高的輸出電壓V。ut。雖然圖3中所示的PPC 50只有四個(gè)環(huán) 狀分塊，但其他實(shí)施例中含有的環(huán)狀分塊可以低于或可以高于圖3中所示環(huán)狀分塊的數(shù) 量，以便提供較高的輸出電壓。通常，基于較低能隙材料的裝置將需要更多的裝置分塊 以實(shí)現(xiàn)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(gè)或更多個(gè)裝置分塊，而GaAs基裝置可能適合于配置5個(gè)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(shuō)明PPC 50的層 結(jié)構(gòu)；所述層結(jié)構(gòu)包括一個(gè)半絕緣或絕緣基底130,第一電流阻擋層131,以及第一多 層結(jié)構(gòu)30，所述第一多層結(jié)構(gòu)30依次包括第一半導(dǎo)體材料的第一電導(dǎo)類型的緩沖層 132,具有第一能隙的第一半導(dǎo)體材料的第一電導(dǎo)類型的第一基極層133,具有第二能隙 的第二半導(dǎo)體材料的與所述第一電導(dǎo)類型相反的第二電導(dǎo)類型(以在其間形成p-n結(jié)區(qū)
域129)的第一發(fā)射極層134,以及第三半導(dǎo)體材料的第二電導(dǎo)類型的導(dǎo)電層136。所述 第一和第二半導(dǎo)體材料用于吸收入射光并在發(fā)射極層和基極層產(chǎn)生少數(shù)光誘導(dǎo)載流子， 然后通過(guò)p-n結(jié)區(qū)域129的電場(chǎng)將所述光誘導(dǎo)載流子吸入鄰近的發(fā)射極層或基極層，在所述鄰近的發(fā)射極層或基極層內(nèi)少數(shù)載流子成為多數(shù)載流子并且為所述第一發(fā)射極層 134和基極層133充電，所述第一發(fā)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(chǎn)生光誘導(dǎo)電壓。導(dǎo)電層136的第三半導(dǎo)體材料對(duì)入 射光是透明的并且含有第三禁帶，所述第三禁帶寬于形成第一基極層133的第一半導(dǎo)體 材料和形成第一發(fā)射極層134的第二半導(dǎo)體材料中的任何一種材料的禁帶?？蛇x地，對(duì) 入射光透明的第二導(dǎo)電類型的接觸層或保護(hù)層101可被沉積于導(dǎo)電層136上方，以便有 助于與第一金屬觸頭60和柵格線(未在圖中示出)形成較好的歐姆接觸。所述術(shù)語(yǔ)"禁 帶(bandgap)"和"能隙(energy bandgap)"在本申請(qǐng)中可互換使用，指半導(dǎo)體材 料中價(jià)帶頂部和導(dǎo)帶底部之間的能量差異。 位于基極層133下方的緩沖層132相對(duì)厚于基極層133和發(fā)射極層134。在操作 中，緩沖層132起到第二導(dǎo)電層的作用以有助于所述第一極的光生載流子移動(dòng)至各自的
第一金屬觸頭65;緩沖層132具有低表面電阻，優(yōu)選小于l歐姆/cm2。基底130和第一
電流阻擋層131可以采用第一半導(dǎo)體材料，即與緩沖層132和第一基極層133的材料相 同，以有助于具有低缺陷密度的高品質(zhì)基極層133的外延生長(zhǎng)，所述缺陷將造成光誘導(dǎo) 栽流子的非輻射復(fù)合。所述第二半導(dǎo)體材料，即所述第一發(fā)射極層的材料優(yōu)選采用與所 述第 一半導(dǎo)體材料相同或高于其的禁帶并且實(shí)際上與所述第 一半導(dǎo)體材料具有相同的 晶格常數(shù)。
基底130應(yīng)該具有高電阻系數(shù)以便阻止緩沖層132中流動(dòng)的光生載流子穿過(guò)基底 130而滲漏，所述載流子的滲漏將減少PPC 50的輸出電壓并且因此降低PPC 50的性能。 因?yàn)槲磽诫s質(zhì)且具有本征導(dǎo)電性的最適合的半導(dǎo)體材料制成的高品質(zhì)基底僅是半絕緣 性的，所以，基底130可以是由所述第一半導(dǎo)體材料制成的固有絕緣或半絕緣基底，所
述第一導(dǎo)體材料優(yōu)選具有不小于107歐姆/厘米的電阻率。對(duì)于基底的選擇，優(yōu)選未摻雜
質(zhì)GaAs或InP基底，所述GaAs或InP基底的本底摻雜不超過(guò)10"cm—3。這樣的本底摻 雜將確?；變?nèi)沒(méi)有直流傳導(dǎo)，但是不能阻止基底內(nèi)不希望出現(xiàn)的光誘導(dǎo)電流傳導(dǎo)。有利之處在于，根據(jù)本發(fā)明，第一電流阻擋層131被插入在半絕緣層基底130和 緩沖層132之間，第一電流阻擋層131具有與緩沖層132的第一電導(dǎo)類型相反的第二電 導(dǎo)類型，并因此與緩沖層132形成一個(gè)p-n結(jié)127，所述p-n結(jié)127阻止緩沖層132的多數(shù)載流子流入基底130，以便進(jìn)一步抑制所述裝置的分塊之間通過(guò)基底130的滲漏電 流。位于電流阻擋層131和緩沖層132之間的p-n結(jié)127在下文被稱為電流阻擋結(jié)127 或第一電流阻擋結(jié)。 盡管在根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施例中第一電導(dǎo)類型可以是p型電導(dǎo)，而第二電導(dǎo)類 型是n型電導(dǎo)，但是在此所述的實(shí)施例中的第一電導(dǎo)類型是n型電導(dǎo)，而第二電導(dǎo)類型 是p型電導(dǎo)。所述n型是指摻有摻雜材料或提供施主雜質(zhì)的的半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)，所述 半導(dǎo)體材料中的大多數(shù)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(zhì)的半 導(dǎo)體材料的電導(dǎo)，所述半導(dǎo)體材料中的大多數(shù)載流子為空穴。當(dāng)術(shù)語(yǔ)"n (p)-型"和 "n(p)-摻雜"指半導(dǎo)體材料的各自電導(dǎo)類型時(shí)，在此可以互換使用。下文中所使用 的"摻雜級(jí)"指n型半導(dǎo)體材料中施主雜質(zhì)的凈濃度，或指p型半導(dǎo)體材料中受主雜質(zhì) 的凈濃度。 所述第一基極層可以摻有濃度范圍在5 x 10"cn^至1 x 10"cm^的施主雜質(zhì)。所 述第一基極層可以摻有濃度高于5 x 10"cm—3的受主雜質(zhì)，或優(yōu)選摻有濃度范圍在2 x
10至1 x 10 cm的受主雜質(zhì)，或最優(yōu)選為摻有濃度范圍在3x 10至5xl0 cm的受 主雜質(zhì)。在其他實(shí)施例中，所述第一基極層可以摻有的施主雜質(zhì)濃度從遠(yuǎn)離p-n結(jié)區(qū)域 129至電流阻擋層131逐漸增加，其濃度范圍從小于2 x 10"cm—3到至少為2 x 10"cnf3。 類似地，所述發(fā)射極層的受主雜質(zhì)從遠(yuǎn)離p-n結(jié)區(qū)域129至導(dǎo)電層136逐漸增加，其濃
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度水平從小于2 x 101 cm 3到至少為2 x 10 cm 。
在第一優(yōu)選實(shí)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(fā)射極層134的半導(dǎo)體材料采用砷化鎵(GaAs),導(dǎo)電層136和可選透窗層135 的半導(dǎo)體材料采用InGaP和AlGaAs中的一種或兩者，以及所述可選保護(hù)層的半導(dǎo)體材 料釆用砷化鎵(GaAs)。
更具體的，基底30由實(shí)質(zhì)上不摻雜的GaAs所形成，基底30的本底摻雜級(jí)不超
過(guò)1015cm_3并且可以具有幾百微米的厚度，例如厚度范圍在350微米至650微米之間。 電流阻擋層131在基底30上外延生長(zhǎng)，并且電流阻擋層131的半導(dǎo)體材料是p-型GaAs,所述p-型GaAs的受主雜質(zhì)濃度范圍在5x10 cm_至1 x 10 cm—之間，或者例如濃度大
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約是2xio cin ,并且厚度范圍在0. 2至0. 3微米之間例如0. 25微米。緩沖層132外 延生長(zhǎng)于電流阻擋層131上，所述緩沖層132的半導(dǎo)體材料是n型高摻雜GaAs，并且所
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述n型高摻雜GaAs的施主濃度范圍在5 x 10 cm至2xl0 cm之間，并且厚度范圍在 1至10微米之間，例如5微米。第一基極層133外延生長(zhǎng)于緩沖層132上，所述第一基 極層133的半導(dǎo)體材料也是n型GaAs，所述n型GaAs的施主濃度范圍在5x10" cm—3
至2 x 10 nf3之間例如1 x 1018cm—3,并且厚度范圍大約為3微米。第一發(fā)射極層134 外延生長(zhǎng)于第一基極層133上，并且所述第一發(fā)射極層134的半導(dǎo)體材料是p型GaAs， 所述p型GaAs的受主雜質(zhì)濃度范圍在2x10 cm至1 x 10 cm之間，優(yōu)選在3 x 1018
cm—3至5 x 101S cnT3之間，并且厚度范圍在0. 2至1微米之間，例如0. 8微米。所述p-n 結(jié)區(qū)域129形成于第一基極層133和第一發(fā)射極層134之間。
可選透窗層135外延生長(zhǎng)于第一發(fā)射極層134上，并且所迷可選透窗層135的半
導(dǎo)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(duì)含量jr > 50%,例如,二 80%?？蛇x透窗層135具有與第一發(fā)射極層134 相同的或更高的p型電導(dǎo)。之所以選用AlGaAs是因?yàn)槠鋵?duì)于PPC 50工作的所選輻射波 長(zhǎng)的光透率，以及由于第一發(fā)射極層134的鈍化，從而減少第一發(fā)射極層134與其后層 的界面上的光誘導(dǎo)載流子的非輻射復(fù)合率?？蛇x透窗層135的受主雜質(zhì)濃度可以為5 x 10"cm」并且其厚度范圍可以在0. 02至0. 1微米之間，例如0. 08微米。
導(dǎo)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(zhì)濃度
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范圍在2xl0 cm 至2xl0 cm之間，并且優(yōu)選為3x10 cm或者更高，以降低導(dǎo)電
層136的表面阻抗。導(dǎo)電層136的半導(dǎo)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(duì)含量少于50°/。，，例如20°/。，并且其厚度范圍在1至3微米之 間，例如2微米。導(dǎo)電層136的AlGaAs的第二合金中的鋁含量x應(yīng)該足夠高，以確保 導(dǎo)電層136對(duì)于所選波長(zhǎng)的入射輻射的光透率。另一方面，減少所述導(dǎo)電層的所述鋁含 量有利于降低其表面阻抗，因?yàn)闇p少了所述導(dǎo)電層的不希望出現(xiàn)的氧化。[42]因此，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)可選實(shí)施例，利用不含鋁的導(dǎo)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的范圍在0. 5至 0. 54之間。所述層可以在鋁含量超過(guò)50%的AlGaAs第一合金的可選透窗層135上外延 生長(zhǎng)，或可以直接在p-摻雜GaAs的第一發(fā)射極層134上外延生長(zhǎng)。 本發(fā)明的另一方面涉及將碳(C)用作優(yōu)選的摻雜材料，所述碳(C)摻雜材料用 于本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)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(fā)射極層134、可選透窗層135以及導(dǎo)電層136,所述碳(C)摻雜材料用以代替較為傳 統(tǒng)的p-摻雜材料如鈹(Be )和鋅(Zn ),所述鈹(Be )和鋅(Zn ) —般用于GaAs基和 InP基光電設(shè)備。有利的是，所述碳(C)摻雜材料的使用可以加強(qiáng)p-摻雜第一發(fā)射極 層134中和跨越p-n結(jié)區(qū)域129的電場(chǎng)強(qiáng)度以及增加所述PPC的內(nèi)部量子效率。傳統(tǒng)摻
雜劑，如鋅，在大于5x 1017(^—3的高摻雜級(jí)時(shí)可能出現(xiàn)有害的效應(yīng)，如少數(shù)載流子的壽 命降低，然而所述碳(C)摻雜將不會(huì)產(chǎn)生所述有害效應(yīng)，或者至少將有害效應(yīng)大大減 小。所述碳(C )摻雜使得高度摻雜GaAs或InGaAs的半導(dǎo)體材料可以很好地保持少數(shù) 載流子的壽命并且因此有助于活性層133/134實(shí)現(xiàn)高量子效率，即高比例光生電子和空 穴在無(wú)非輻射復(fù)合情況下離開(kāi)所述p-n結(jié)區(qū)域129。因此，將碳作為摻雜材料，第一發(fā) 射極層134的p-摻雜級(jí)可以在大體上沒(méi)有降低所述裝置的量子效率條件下達(dá)到5 x
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10 cm 。與之相反，采用如鋅的傳統(tǒng)摻雜材料在高摻雜級(jí)，如大于2xl0 cm時(shí)，p-n
結(jié)區(qū)域129的p極層將產(chǎn)生額外的非輻射復(fù)合中心并且降低少數(shù)載流子壽命，從而導(dǎo)致 量子效率的降低并且導(dǎo)致所述PPC所產(chǎn)生的光電流和/或輸出電壓變小。此外，半導(dǎo)體 宿主材料中的碳離子空間分布較傳統(tǒng)受主雜質(zhì)如Zn和Be更具穩(wěn)定性。通過(guò)這種穩(wěn)定性， 碳摻雜可以在所述P-n結(jié)區(qū)域129的p極部分和n極部分之間形成更陡的高梯度界面， 有助于使p-n結(jié)獲得更強(qiáng)的電場(chǎng)并且使得從p-n結(jié)內(nèi)遷移出的光生少數(shù)載流子的遷移率 更高，有利于產(chǎn)生光生電流。導(dǎo)電層136的所述碳摻雜可以通過(guò)提供具有高摻雜級(jí)的較 高品質(zhì)材料以降低導(dǎo)電層136的表面阻抗，尤其是所述較高品質(zhì)材料與所述導(dǎo)電層136 中含有較少鋁的InGaP材料結(jié)合使用時(shí)更有利于降低所述表面阻抗。
上述實(shí)施例是直接將光轉(zhuǎn)變成電功率，所述光波長(zhǎng)范圍在0. 8至0. 9微米之間， 通過(guò)所述導(dǎo)電層的GaAs的禁帶和AlGaAs/InGaP的禁帶所詳細(xì)說(shuō)明，其中所述基極層133 和所述發(fā)射極層134的半導(dǎo)體材料是GaAs。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以判斷出無(wú)論短波光或長(zhǎng)波光可以通過(guò)所述PPC 50被轉(zhuǎn)換，所述PPC 50通過(guò)使用與所述GaAs基底相匹配的 AlGaAs或InGaAs合金層?xùn)鸥褡鳛樗鼍彌_器132和所述發(fā)射極層134，并且適當(dāng)調(diào)整
所述導(dǎo)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
于所述第一活性層133和134,并且其他鋁含量較高的AlxGa(i-x)As合金或InGaP合金可 以被用于所述導(dǎo)電層136,所述合金相對(duì)于所述第一活性層133和134的半導(dǎo)體材料具 有更高的禁帶。通過(guò)在GaAs基底上使用AlGaAs或InGaAs生長(zhǎng)制作所述第一活性層 1 33/134，所述PPC 50被制造適用于光波長(zhǎng)范圍大約從0. 7微米到大約1. 3微米。所述 導(dǎo)電層136的禁帶可以在0. 15 eV和0. 5 eV (電子伏特)之間，高于所述發(fā)射極層134 的禁帶，以便確保所迷導(dǎo)電層136用于被所述第一活性層133/134層所吸收的入射光的 光透率。
所述PPC 50的其他實(shí)施例使用層結(jié)構(gòu)，所述層結(jié)構(gòu)在磷酸銦(InP)基底上外延 生長(zhǎng)，并且所述PPC 50適用于轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)范圍在1.2微米至1.6微米之間的光，大多數(shù) 商業(yè)光纖在所述波長(zhǎng)范圍內(nèi)都具有低光損。例如，所述其他實(shí)施例中一例，所述PPC50 可以在其層結(jié)構(gòu)里使用下述半導(dǎo)體材料。所述基底130的半導(dǎo)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(zhì)并且具有107ohm/cm的高電阻系數(shù)。 所述電流阻塞層131是摻有雜質(zhì)的p型InP層，所述p極層的厚度范圍在0. 2微米至0. 3 微米之間，例如0. 25微米，并且摻雜級(jí)為5 x 10"cn^或更高；所述緩沖層132是摻有 InP雜質(zhì)的n極層，所述n極層的厚度范圍在5微米至10微米之間，例如7微米，并 且摻雜級(jí)為5 x 10"cii^或更高；所述第一基極層133的半導(dǎo)體材料是n極InGaAs合金 層，所述InGaAs合金層與InP層晶格匹配并且其厚度范圍在1微米至3微米，例如3 微米，并且施主雜質(zhì)濃度為5 x 1017_3或更高；所述第一發(fā)射極層134是p極InGaAs 合金層，所述InGaAs合金層與InP層晶格匹配并且其厚度范圍在0. 5微米至1. 5微米， 例如1微米，并且受主雜質(zhì)濃度范圍為2 x 1018cm—3至1 x 10"cm—3之間或者優(yōu)選范圍在3
x 1018cm—3至5 x 10"cm—之間并將碳雜質(zhì)作為優(yōu)選摻雜材料;所述導(dǎo)電層136是摻有InP 雜質(zhì)的p極層，所述p極層的厚度范圍在1.5微米至2. 5微米之間，例如2微米，并且 受主雜質(zhì)濃度范圍在2 x 10"cm"3至2 x 10"cm—3之間，并且優(yōu)選濃度范圍超過(guò)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(dǎo)體材
料是P極InGaAs合金層，優(yōu)選碳雜質(zhì)作為摻雜材料，并且摻雜級(jí)大約為2 x 10"cm」或 更高，并且所述p極層的厚度范圍在0. 1微米至0. 2微米之間。
參見(jiàn)圖3,所述PPC 50的所述裝置分塊51-55通過(guò)前述層結(jié)構(gòu)的PPC晶片通過(guò)形 成的所述溝槽100和200制造，所述溝槽100和200延伸超過(guò)所述第一多層結(jié)構(gòu)30和 所述電流阻塞層131，并且部分延伸進(jìn)入所述基底130,以使所述裝置分塊51-55之間 電隔離和空間隔離并且所述裝置分塊51-55通過(guò)所述基底支撐，所述基底至少是半絕緣
體，即含有的電阻系數(shù)不超過(guò)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(jù)所述第一多層結(jié)構(gòu)30的總厚度確定，并且范圍可以在10微 米至20微米之間。所述溝槽100和200的縱橫比應(yīng)當(dāng)適當(dāng)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(dá)所述基底材料，所述基底材料位于所述溝槽的底部，所 述縱橫比通過(guò)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(biāo)注于圖4中，由于所述光將在所述基底材料處被吸收并產(chǎn)生光載流子并因此造成所述 基底材料電導(dǎo)系數(shù)不必要的增加，從而在所述裝置分塊間造成潛在的電導(dǎo)路徑，所述電 導(dǎo)路徑將導(dǎo)致所述PPC裝置光轉(zhuǎn)換率的降低。因此，所述溝槽100和200應(yīng)當(dāng)適當(dāng)窄， 并優(yōu)選所述溝槽寬范圍在2微米至IO微米之間，例如5微米或更小，并且所述溝槽100 和200的縱橫比應(yīng)當(dāng)大于4且優(yōu)選大于5。所述電流阻塞層131阻止所述緩沖層132內(nèi) 的多數(shù)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(guò)所述基底130，將使所述PPC50裝置的光轉(zhuǎn)換率相對(duì)于不含所述電流阻塞層 131的相似裝置的光轉(zhuǎn)換率獲得驚人的提高。所述術(shù)語(yǔ)"光轉(zhuǎn)換率和功率轉(zhuǎn)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上用于與所述第一基極層的電連通，并且第二金屬觸頭60沉積在所述可選保護(hù) 層101上或在沒(méi)有所述可選保護(hù)層時(shí)直接沉積在所述導(dǎo)電層136上用于與所述第一發(fā)射 層134的電連通。然后電互連器70以金屬空氣橋的形式將每個(gè)所述第一金屬觸頭65與鄰近設(shè)備分塊的所述第二金屬觸頭進(jìn)行連接但是每個(gè)空氣橋只連接一個(gè)所述第 一金屬 觸頭和一個(gè)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(shí)現(xiàn)串聯(lián)。當(dāng)經(jīng) 過(guò)選擇的光投射到所述PPC 50上時(shí)，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(chǎn)生更高的總輸出電壓V。ut,所述經(jīng)過(guò)選擇的光通過(guò)所述第一活性層133/134 的吸收范圍和所述導(dǎo)電層136的傳輸范圍選擇，所述電壓產(chǎn)生于所述裝置分塊51-55的 每一塊分塊的p-n結(jié)區(qū)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(fā)射極的電觸頭；所述觸頭可 以通過(guò)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(shí)施例，所述裝置分塊51的所述第二金屬觸頭60可以通過(guò)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(diǎn)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(guò)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(guò)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(huán)狀結(jié)構(gòu)并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(huán)繞所述中心分塊55設(shè)置，所述中心分塊55的所述第一環(huán)狀觸頭65 鄰近環(huán)狀溝槽200并且所述第二環(huán)狀觸頭60位于所述中心分塊55內(nèi)且緊鄰所述第一環(huán) 狀觸頭65，如圖5所示所述第一環(huán)狀觸頭65位于開(kāi)口 73內(nèi)，圖5是用于說(shuō)明光電能量 轉(zhuǎn)換器的層結(jié)構(gòu)的截面圖，所述層結(jié)構(gòu)是沿著圖3中所示劃線B-B的截面圖。所述第 一環(huán)狀觸頭65處有一缺口 61,空氣橋70通過(guò)所述缺口 61將所述第二環(huán)狀觸頭60連接 至鄰近設(shè)備分塊的所述第一金屬觸頭65處，所述第二金屬觸頭通過(guò)另一個(gè)空氣橋70連 接至所述最后的裝置分塊54的所述第一金屬觸頭。這種交互連接結(jié)構(gòu)導(dǎo)致各所述裝置 分塊51、 52、 53、 54和55以一定的順序串聯(lián)，所述的串聯(lián)方式獲得在所述發(fā)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(chǎn)生輸出電壓，所述輸出電壓接近于所述裝 置分塊51 - 55每個(gè)分塊p-n結(jié)處產(chǎn)生電壓的總值。所述裝置分塊54和51通過(guò)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(yáng)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(gè)金屬鍍層工序中沉積，所述金屬 鍍層工序完成后進(jìn)行觸頭結(jié)構(gòu)制作工序和空氣橋70和71制作，如Virshup專利中所描 述的。所述裝置分塊51 - 54的外部更適于進(jìn)行所述第二環(huán)狀觸頭60沉積，以便與所述 保護(hù)層101上的金屬柵格線相重疊，而所述中心分塊55沒(méi)有任何金屬柵格線并且各分 塊相應(yīng)的所述第二環(huán)形觸頭60直接在所述接觸保護(hù)層101上沉淀。所述中心分塊55的 所述第一和第二環(huán)形觸頭65和60的寬度應(yīng)該適當(dāng)?shù)恼员銓⑺鲋行姆謮K55的所述 接觸保護(hù)層101表面的大部分區(qū)域留給入射光。經(jīng)由實(shí)施例可知，所述環(huán)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(huán)狀觸 頭65和60的寬度范圍在10微米到50微米之間。 先沉積所述第一金屬觸頭64，位于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(lái)，優(yōu)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(qū)域隔離，通過(guò)可選擇蝕刻法，從所述多層結(jié)構(gòu)30的頂部蝕刻至所述第一基極層 133的上方以便在形成開(kāi)口 73，并在所述第一發(fā)射極層134中沉積所述第一金屬觸頭65, 如圖4所示，圖4是用于說(shuō)明圖3中所示光電能量轉(zhuǎn)換器的層結(jié)構(gòu)的截面圖，所述層結(jié) 構(gòu)是沿著圖3中所示劃線A-A的截面圖。
本發(fā)明中所述PPC 50的裝置分塊布局具有新穎的技術(shù)特征，與圖l中現(xiàn)有技術(shù) 下的"扇形楔"相比有利于提供更高的光功率轉(zhuǎn)換效率，在本發(fā)明所述裝置分塊布局中 裝置分塊55位于中心處并由一組裝置分塊51 - 54環(huán)繞，所述裝置分塊51 - 54在中心 分塊55周圍沉淀，圖1的現(xiàn)有技術(shù)中所述溝槽26全部會(huì)聚于所述PPC的中心以在所述 裝置感光表面的中心有效的形成一個(gè)空心。所述現(xiàn)有技術(shù)嚴(yán)重的影響現(xiàn)有技術(shù)條件下的 光能量轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率，其中入射光以光束的形式進(jìn)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(fā)出的高斯或類似于高斯的光束。之處在于，本發(fā)明所述PPC 50消除現(xiàn)有技術(shù)裝置中的缺陷，通過(guò)利用位于裝置中心的分塊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(qiáng)最大。根據(jù)入射光密度分布對(duì)所述PPC進(jìn)行 幾何處理，不均運(yùn)照射布局產(chǎn)生的消極影響被極大的避免。我們發(fā)現(xiàn)，通過(guò)采用適當(dāng)尺 寸的中心裝置分塊55，所迷PPC50的光轉(zhuǎn)換效率提高了 25°/。，所述PPC 50中含有5個(gè) 分塊。我們又發(fā)現(xiàn)，為了將高斯光束的光功率有效地轉(zhuǎn)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(yōu)選在15% 和25%之間，更為優(yōu)選的是2(W。然而，在申請(qǐng)中所述入射光強(qiáng)在所述PPC 50的感光表面實(shí)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(shù)語(yǔ)"感光表 面"用于定義入射光到達(dá)所述活性層所穿過(guò)的所述.PPC的表面，所述活性層用于吸收入 射光并將其轉(zhuǎn)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(shù)語(yǔ)"感光表面"在此用于定義各 分塊的感光表面。另一個(gè)有利之處在于，所述中心分塊55使得裝置中非必須的電壓降 減少并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(chǎn)生并傳導(dǎo)的路徑。通過(guò)中心分塊捕獲的光，電流不需要通過(guò)阻抗材料的長(zhǎng)距離傳輸， 但是可以直接在鄰近中心分塊處被收集并通過(guò)金屬柵格線傳輸，所述金屬柵格線相對(duì)于 裝置的周長(zhǎng)具有低的阻抗。在現(xiàn)有技術(shù)中，沒(méi)有利用裝置中心部分收集電流的方法。
參見(jiàn)圖6,根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例提供的PPC 150，其中所述中心分塊55獨(dú) 立于環(huán)形分塊51 - 54進(jìn)行連接并且與其電隔絕。本實(shí)施例中所述PPC 150具有4個(gè)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(huán)形分 塊51-54相互電隔絕，并且所述第一裝置部分可以獨(dú)立電連接。所述環(huán)形分塊51-54 在接接觸墊261和262間串聯(lián)，以形成所述PPC 150中的環(huán)形裝置部分簡(jiǎn)稱環(huán)形部分。 注意圖3-7中，相同的數(shù)字用于表示相同的元件以簡(jiǎn)化說(shuō)明并且有助于理解實(shí)施例， 只是，中心分塊55的第一和第二環(huán)形觸頭在本實(shí)施例中分別被標(biāo)為109和108，以將其 與環(huán)形分塊51 - 55的第一和第二金屬觸頭65和60相區(qū)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(huán)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(huán)形觸頭109和108通過(guò) 電導(dǎo)路徑118和119分別連接至接接觸墊263和264,所述電導(dǎo)路徑118和119的寬度 優(yōu)選小于15微米，所述電導(dǎo)路徑118和119位于鄰近溝槽100處，所述溝槽100將所 述裝置的兩個(gè)環(huán)形分塊分隔。所述電導(dǎo)路徑118和119被設(shè)置在所述裝置分塊51和54 上并且所述裝置分塊從所述電導(dǎo)路徑的內(nèi)圓周延伸到外圓周，但第二電流阻擋層106使 得所述電導(dǎo)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(hù)層101上外延生 長(zhǎng)并且所述第二電流阻擋層具有的電導(dǎo)性與所述保護(hù)層101的電導(dǎo)性相反。所述電導(dǎo)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(huán)形裝置部分而向外延伸，并且與所述環(huán)形裝置部分的裝置分塊電絕緣，以便獨(dú)立于 所述環(huán)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(cè))和沿劃線"D-D"(虛線128右側(cè))部分的截面視圖。在前述實(shí)施例中，基底130 和第一活性層133/134的半導(dǎo)體材料是GaAs,導(dǎo)電層136和保護(hù)層101的半導(dǎo)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(jí)至少為
5xl0"cm—并且其厚度在范圍l至5微米。電導(dǎo)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，金屬鍍層工序完成后 緊接著進(jìn)行觸頭結(jié)構(gòu)制作工序，第二阻擋層106在電導(dǎo)路徑119和118形成后被去除， 僅保留直接位于所述窄金屬電導(dǎo)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(guò)空氣橋70串聯(lián)，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(huán)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，所述連接鏈里的第一裝置分塊51 的第一金屬觸頭65通過(guò)第一空氣橋71連至接接觸墊261,并且裝置分塊54的第二金屬 觸頭60通過(guò)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(yáng)極和陰極，而接接觸墊261和262作為PPC 150的第二部分 或環(huán)形部分51-54的陽(yáng)極和陰極，所述環(huán)形部分包括順序連接的環(huán)形裝置分塊51 - 54。
有利之處在于，PPC 150可以作為結(jié)合了 PPC和較常規(guī)的光電探測(cè)器(PD)的集 成裝置，所述集成裝置的PPC部分相應(yīng)于所述環(huán)形部分51 - 54，所述集成裝置的PD部 分相應(yīng)于所述中心部分55。當(dāng)采用含有適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射時(shí)，所述光波含有載有數(shù)據(jù)的 調(diào)制成分，所述PPC 150可以提供電功率并在終端263和264提供探測(cè)數(shù)據(jù)，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(hào)形式，用于例如驅(qū)動(dòng)外部電路。 此外，所迷裝置的中心部分55可以采用來(lái)自裝置陽(yáng)極終端263和陰極終端264的正向 偏壓，以驅(qū)動(dòng)其活性層133/134以發(fā)射光而非吸收光，因此PPC 150的中心部分55可 作為發(fā)光二極管(LED)使用，例如用于發(fā)射而非^:測(cè)光數(shù)據(jù)信號(hào)。因此，本發(fā)明提供一個(gè)四端口 PPC,其具有兩個(gè)獨(dú)立可尋址部分，不同于圖l中 現(xiàn)有技術(shù)的光功率轉(zhuǎn)換器以及本發(fā)明的PPC 50實(shí)施例，圖1中現(xiàn)有技術(shù)的光功率轉(zhuǎn)換 器以及本發(fā)明的PPC 50實(shí)施例都是兩端口裝置。有利之處在于，PPC 150的獨(dú)立尋址部 分可被用于完成兩個(gè)不同的功能，例如在同 一裝置中執(zhí)行光能轉(zhuǎn)換和同時(shí)接受或發(fā)射光 數(shù)據(jù)。[58] 如圖7中所示實(shí)施例，PPC 150的中心部分和環(huán)形部分在同一 p-n結(jié)129中分別 采用不同的空間區(qū)域探測(cè)或發(fā)射光，并且將光能轉(zhuǎn)變成電能。然而，所述p-n結(jié)129也 許并非最適于接受或發(fā)射光數(shù)據(jù)信號(hào)，即用于執(zhí)行所述LED或PD功能。而且，在一些 應(yīng)用中，光數(shù)據(jù)信號(hào)和光能可以通過(guò)不同波長(zhǎng)的光栽送。 參見(jiàn)圖8， PPC 150的另一個(gè)實(shí)施例含有第二多層結(jié)構(gòu)32,例如所述結(jié)構(gòu)為p-i-n 型，被設(shè)置在中心分塊55內(nèi)的第一多層結(jié)構(gòu)30上，所述第二多層結(jié)構(gòu)32可以被優(yōu)化 以作為PD或LED使用。所述第二多層結(jié)構(gòu)30可以含有第一電導(dǎo)類型的第二基極層102, 所述第二基極層102在保護(hù)層101上外延生長(zhǎng)，隨后未摻雜層或本征層103在所述第二 基極層102上外延生長(zhǎng)，以及第二電導(dǎo)類型的第二發(fā)射層104在所述本征層103上外延 生長(zhǎng)。然后，第二電流阻擋層106在第二發(fā)射層104上方外延生長(zhǎng)。在通過(guò)金屬鍍層和 結(jié)構(gòu)制作工序形成電導(dǎo)路徑118和119之后，第二電流阻擋層106被去除，僅保留直接 位于所述電導(dǎo)路徑118和119下方的部分，以便提供與位于其下的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的電絕緣。第二多層結(jié)構(gòu)32被保留在中心分塊55內(nèi)，但可以在環(huán)形分塊51-54中被去除， 僅保留位于電導(dǎo)路徑118和119下方的部分。如圖8中虛線128的右側(cè)所顯示，中心分 塊55的第一環(huán)形觸頭109被設(shè)置在第二基極層102通過(guò)缺口暴露出的部分上以與第二 基極層102電連通，所迷缺口在本征層103和第二發(fā)射層104內(nèi)。中心分塊55的第二 環(huán)形觸頭108被設(shè)置在第二發(fā)射極層104上以與第二發(fā)射層104電連通。在所示實(shí)施例 中，第二發(fā)射極層104是p型并且第二基極層102是n型，第一環(huán)形觸頭109和第二環(huán) 形觸頭108可以通過(guò)現(xiàn)有已知n型和p型金屬鍍層技術(shù)分別形成，例如采用Au/Ge/Au 的金屬鍍層技術(shù)用于形成n型金屬觸頭108、 118、 119和65，和采用Ti/Pt/Au的金屬 鍍層技術(shù)用于形成p型金屬觸頭109和60。金屬空氣橋107通過(guò)第二環(huán)形觸頭108將第 二發(fā)射層104連接到電導(dǎo)路徑119，然后依次將電導(dǎo)路徑119通過(guò)空氣橋111連接到 PPC150的中心部分55的p-i-n結(jié)構(gòu)的陽(yáng)極端263。類似地，金屬空氣橋IIO通過(guò)第一 環(huán)形觸頭109將第二基極層102連接到電導(dǎo)路徑118，然后依次將電導(dǎo)路徑118通過(guò)空 氣橋112連接到PPC150的中心部分55的p-i-n結(jié)構(gòu)的陰極端264。蝕刻溝槽100使陽(yáng) 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(guò)所述蝕刻溝槽 100。[61] 例如，在含有如上所述的第一多層結(jié)構(gòu)的GaAs基裝置中，第二基極層102的半 導(dǎo)體材料可以是n-摻雜的GaAs,所述GaAs含有的施主雜質(zhì)濃度范圍約為5xl0"cm—3至
18 —3
2x10 cm并且厚度范圍在1至5微米之間，例如3微米；本征層103的半導(dǎo)體材料可
以是未摻雜的GaAs,所述GaAs含有的本底摻雜級(jí)優(yōu)選小10"cnT3并且厚度范圍在0. 5 微米至1. 5微米之間，例如0. 8微米；以及第二發(fā)射層104的半導(dǎo)體材料可以是p-摻雜 的GaAs，所述GaAs含有的受主雜質(zhì)濃度范圍接近5x10 cm至2x10 cm并且厚度范 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(zhì)濃度范圍約為5x10 cm至2x10 cm并且厚度范圍在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(shí)施例中，第二多層結(jié) 構(gòu)32可以采用AlGaAs或InGaAs合金材料制作并且其能隙較第一活性層133和134寬 或窄，以便吸收光并將其轉(zhuǎn)變成光載流子，所述光載流子與環(huán)形分塊51-54的活性層 所吸收的光具有一組不同的光波長(zhǎng)。所述實(shí)施例對(duì)于通過(guò)不同波長(zhǎng)的光傳送光能量和數(shù) 據(jù)的應(yīng)用是有利的。
在另一示例性實(shí)施例中，基底130的半導(dǎo)體材料是半絕緣體InP，所述基底130 上的各層結(jié)構(gòu)131 - 136以及101的半導(dǎo)體材料請(qǐng)參考關(guān)于PPC50 InP基的實(shí)施例論述， 第一活性層133和134的InGaAs合金層晶格與InP層相匹配并且具有的能隙所對(duì)應(yīng)的 波長(zhǎng)大約為1. 48微米。在PPC150實(shí)施例中，第二基極層102的半導(dǎo)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(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)大約為1. 3
微米，施主雜質(zhì)濃度大約1x10 cm以及層厚度范圍在1至3微米，例如2微米。本征 層103的半導(dǎo)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 組分并且層的厚度范圍在0. 5微米至1. 5微米，例如大約1微米，并且第二發(fā)射層104 的半導(dǎo)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并且其受<formula>formula see original document page 25</formula>
主雜質(zhì)濃度在5xl0 cm至5x10 cm之間或大約2x10 cm以及層厚度范圍為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,并且其施主 雜質(zhì)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(shí)施 例適于探測(cè)波長(zhǎng)為1. 3微米的光數(shù)據(jù)信號(hào)，并且適于將操作波長(zhǎng)在1480nm的大功率激光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電能量，所述激光來(lái)自可產(chǎn)生波長(zhǎng)1480nm的二極管激光發(fā)生器。InP層和 InGaAs層的摻雜材料可以是Zn或Be。
本領(lǐng)域技術(shù)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(zhǎng)，以形成第一和第二多層結(jié)構(gòu)30 和32，從而獲得波長(zhǎng)操作范圍大約在1. 2微米至1. 6微米的PPC 150的不同實(shí)施例。如 分子束外延法(MBE)和有機(jī)金屬化學(xué)汽相淀積法(MOCVD)的傳統(tǒng)生長(zhǎng)技術(shù)可以用于三 元材料層和四元材料層的外延生長(zhǎng)，通過(guò)變質(zhì)生長(zhǎng)(metamorphic growth)可以將晶格 錯(cuò)配層合并進(jìn)PPC的層結(jié)構(gòu)而實(shí)質(zhì)上并不降低裝置性能。例如另一實(shí)施例中，第二多層 結(jié)構(gòu)32可以采用InGaAsP或InGaP合金，并且較第一活性層133和134具有更寬或更 窄的能隙，以便吸收光并將其轉(zhuǎn)變成光載流子，所述光載流子與環(huán)形分塊51 - 54的活 性層所吸收的光具有一組不同的光波長(zhǎng)。所述實(shí)施例對(duì)于通過(guò)不同波長(zhǎng)的光傳送光能量 和數(shù)據(jù)的應(yīng)用是有利的。
PPC測(cè)量結(jié)果 圖IO是根據(jù)本發(fā)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(jié)構(gòu)30,所述第一多層結(jié) 構(gòu)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(zhuǎn)換效率超過(guò)28%,并且測(cè)量時(shí)輸出電壓為3. 5伏，得到的相應(yīng)輸出電流為8. 1 毫安。當(dāng)入射光的波長(zhǎng)為1436納米且功率為100 mW時(shí)，可獲得PPC的最大輸出功率大 約為28. 4 mW。對(duì)于工作波長(zhǎng)范圍在1310-1550 nm之間的光能量轉(zhuǎn)換器而言，這樣高的 功率轉(zhuǎn)換效率是顯著的改善，其性能參數(shù)遠(yuǎn)超過(guò)所有的現(xiàn)有裝置。所測(cè)量的裝置具有9 塊扇形裝置分塊。 有利之處在于，根據(jù)本發(fā)明的InP基PPC的關(guān)鍵目的之一在于可用于光電能量技 術(shù)，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(qū)動(dòng)如傳感器和數(shù) 據(jù)接口的遠(yuǎn)程設(shè)備。當(dāng)距離超過(guò)lkm時(shí)，必須使用范圍在1310 nm至1550 nm之間的長(zhǎng) 波光，因?yàn)槔霉饫w傳輸所述范圍以外的光時(shí)，所述光的衰減相對(duì)較高。對(duì)于短波光， 例如980nm及以下，在常用光纖里傳輸時(shí)的光衰減超過(guò)3dB/km，因此，給距離超過(guò)幾百 米的設(shè)備供能將被禁止。然而，當(dāng)波長(zhǎng)為1310nm及以上的光在光纖里傳輸時(shí)，其光衰 減大約為0. 1 dB/km或小于0. 1 dB/km，因此，當(dāng)光能量需要傳送的距離為lkm或超過(guò) lkm時(shí)，根據(jù)本發(fā)明的InP基PPC較GaAs基裝置更適于用作能量轉(zhuǎn)換器。另一有利之處 在于，根據(jù)本發(fā)明的PPC可被安裝在適合于對(duì)準(zhǔn)單模光纖的接收元件里，因此，使用根 據(jù)本發(fā)明的InP基PPC可以發(fā)揮遠(yuǎn)程傳送光能量的優(yōu)點(diǎn)。 注意，上文描述的根據(jù)本發(fā)明的光電能量轉(zhuǎn)換器的具體實(shí)施例可以利用其他實(shí)施 例的部分技術(shù)特征，并且僅作為示例，在本發(fā)明的具體應(yīng)用中可采用很多元件的可選實(shí) 施例，這對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見(jiàn)的。例如，根據(jù)本發(fā)明的PPC的其他實(shí)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于中心并且被 第二組裝置分塊所環(huán)繞，所述第二組裝置分塊包括至少兩個(gè)裝置分塊。在這里所述的實(shí) 施例中，第一組裝置分塊由單個(gè)中心分塊55組成，但是在其他實(shí)施例中，可以預(yù)見(jiàn)， 所述裝置分塊的第一組可以由不止一個(gè)裝置分塊構(gòu)成，所述第一組裝置分塊有附加溝槽 隔離并且可以串聯(lián)或彼此絕緣以及逐個(gè)尋址。其他實(shí)施例可以含有基極層為p-摻雜而發(fā)射極為n-摻雜的裝置。在其他實(shí)施例中，還可以優(yōu)化PPC中心部分的第二多層結(jié)構(gòu)以產(chǎn) 生光，并且可以在第二基極層和發(fā)射基層之間不含本征層，或可以使所含有的本征層厚 度小于0. 1微米，以便形成量子井。當(dāng)然，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以假設(shè)大量的其它實(shí)施例。
權(quán)利要求
1. 光電能量轉(zhuǎn)換器，包括基底、第一多層結(jié)構(gòu)、多個(gè)溝槽和多個(gè)電互連器，其中所述基底由半導(dǎo)體材料制作；所述第一多層結(jié)構(gòu)由所述基底支撐，所述第一多層結(jié)構(gòu)包括第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的第一基極層、第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的第一發(fā)射極層和第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的第一導(dǎo)電層；所述第一基極層位于所述基底之上；所述第一發(fā)射極層被設(shè)于所述第一基極層之上，所述第二導(dǎo)電類型與所述第一導(dǎo)電類型相反，從而在所述第一發(fā)射極層與所述第一基極層之間形成p-n結(jié)區(qū)域；所述第一導(dǎo)電層被設(shè)置于所述第一發(fā)射極層之上；所述溝槽延伸通過(guò)所述第一多層結(jié)構(gòu)，并且部分延伸進(jìn)入所述基底，從而形成多個(gè)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于中心并且被第二組裝置分塊所環(huán)繞，所述第一組裝置分塊由一個(gè)或多個(gè)裝置分塊組成，所述第二組裝置分塊包括至少兩個(gè)裝置分塊，以及其中，所述多個(gè)裝置分塊中的兩個(gè)或更多個(gè)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(nèi)的第一基極層電連通，以及所述第二金屬觸頭被設(shè)置于所述裝置分塊內(nèi)的第一發(fā)射極層之上，與所述第一發(fā)射極層電連通；以及，所述多個(gè)電互連器通過(guò)將每一個(gè)且僅一個(gè)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(gè)或更多個(gè)裝置分塊電氣串聯(lián)連接，從而當(dāng)所選波長(zhǎng)的輻射入射到所述第一發(fā)射極層上時(shí)，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(chǎn)生一個(gè)電壓，所述未連接的第一金屬觸頭為所述兩個(gè)或更多個(gè)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(gè)或更多個(gè)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(quán)利要求1所迷的光電能量轉(zhuǎn)換器，其中，所述兩個(gè)或更多個(gè)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(quán)利要求1所述的光電能量轉(zhuǎn)換器，其中，所述兩個(gè)或更多個(gè)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(quán)利要求3所述的光電能量轉(zhuǎn)換器，其中，所述第一組裝置分塊構(gòu)成中心分塊， 所述中心分塊位于環(huán)形裝置部分的中心，所述環(huán)形裝置部分由所述第二組裝置分塊串聯(lián) 形成。
5. 如權(quán)利要求1所述的光電能量轉(zhuǎn)換器，其中所述多個(gè)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(huán)形槽，和一組從所述環(huán)形槽向外延伸的溝槽。
6. 如權(quán)利要求1所述的光電能量轉(zhuǎn)換器，其中，所述第一導(dǎo)電類型是n-型，并且所述 第二導(dǎo)電類型是P-型。
7. 如權(quán)利要求4所述的光電能量轉(zhuǎn)換器，進(jìn)一步包括第二多層結(jié)構(gòu)，所迷第二多層結(jié) 構(gòu)被設(shè)置在所述中心裝置分塊的所述第一多層結(jié)構(gòu)之上，所述第二多層結(jié)構(gòu)包括第一 導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的第二基極層、第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料第二發(fā)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(shè)置在所述第一導(dǎo)電層之上； 所述第二發(fā)射極層被設(shè)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(fā)射極層電連通。
8. 如權(quán)利要求7所述的光電能量轉(zhuǎn)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(huán)形裝置部分而向外延伸，并且與所述環(huán)形裝置部分的裝置分塊電絕緣， 以便獨(dú)立于所述第二組裝置分塊而連接到外電路。
9. 如權(quán)利要求8所述的光電能量轉(zhuǎn)換器，進(jìn)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(huán)形裝置部分內(nèi)的每個(gè)所述第三和第四金屬觸頭與所述第一多 層結(jié)構(gòu)之間。
10. 如權(quán)利要求7所述的光電能量轉(zhuǎn)換器，進(jìn)一步包括半導(dǎo)體材料的本征層，所迷本征 層被插入在所述第二基極層和所述第二發(fā)射極層之間，并且所述本征層具有的本征導(dǎo)電 率低于所述第二基極層和所迷第二發(fā)射極層的導(dǎo)電率。
11. 如權(quán)利要求7所述的光電能量轉(zhuǎn)換器，其中所述第一基極層和所述第一發(fā)射極層的 半導(dǎo)體材料所含有的禁帶小于所述第二基極層和所述第二發(fā)射極層的半導(dǎo)體材料所含 有的禁帶。
12. 如權(quán)利要求7所述的光電能量轉(zhuǎn)換器，其中所述第一基極層和所述第一發(fā)射極層的 半導(dǎo)體材料所含有的禁帶等于或大于所述第二基極層和所述第二發(fā)射極層的半導(dǎo)體材 料所含有的禁帶。
13. 如權(quán)利要求7所述的光電能量轉(zhuǎn)換器，其中所述基底、所述第一基極層以及所述第 一發(fā)射極層均包括GaAs。
14. 如權(quán)利要求13所述的光電能量轉(zhuǎn)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(zhì)濃度范圍在<formula>formula see original document page 4</formula>5x10 cm至2xl0 cm之間并且厚度范圍在1微米至3微米之間；所述本征層包括未摻雜GaAs，所述未摻雜GaAs的摻雜級(jí)小于10"cm—3并且厚度范圍在0. 5微米至1. 5微米之間；以及所述第二發(fā)射極層包括p-摻雜GaAs，所述p-摻雜GaAs的受主雜質(zhì)濃度范圍在5x10 cm至2x10 cm之間并且厚度范圍在0. 5微米至1. 5微米之間。
15. 如權(quán)利要求7所述的光電能量轉(zhuǎn)換器，其中，所述基底的半導(dǎo)體材料是GaAs,以及 所述第二基極層、所述第二發(fā)射極層和所述本征層的半導(dǎo)體材料是InGaAs和InGaAsP 之中的一種合金。
16. 如權(quán)利要求7所述的光電能量轉(zhuǎn)換器，其中，所述基底的半導(dǎo)體材料是InP，以及 所述第二基極層、所述第二發(fā)射極層和所述本征層的半導(dǎo)體材料是InGaAs和InGaAsP 之中的一種合金。
17. 如權(quán)利要求15所述的光電能量轉(zhuǎn)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(zhì)濃度范圍在<formula>formula see original document page 4</formula>2x10 cm至2x10 cm之間并且厚度范圍在1微米至3微米之間；以及所述第一發(fā)射極層包括P-摻雜GaAs,所述p-摻雜GaAs的受主雜質(zhì)濃度范圍在5xl 0"cnf3至2xl0"cn^之間并且厚度范圍在0. 2微米至1微米之間；進(jìn)一步包括緩沖層和導(dǎo)電層，其中 所述緩沖層的材料是n-摻雜GaAs,其厚度范圍在1微米至10微米并且其含有的施主雜<formula>formula see original document page 4</formula>質(zhì)濃度范圍在5x10 cm至2x10 cm之間，并且所述緩沖層被插入在所述基底和所述 第一基極層之間；所述電導(dǎo)層的材料是p-摻雜AlGaAs和InGaP之中的一種合金，其厚度范圍在1微 米至3微米并且其含有的受主雜質(zhì)濃度范圍在2x10 cm至2x10 cm之間，并且所述電導(dǎo)層被插入在所述第 一發(fā)射極層和所述第二基極層之間。
18. 如權(quán)利要求16所述的光電能量轉(zhuǎn)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(zhì)濃度范圍在5xlO"cn^至lxlO"cm^之間并且其厚度范圍在1微米至3微米之間；以及所述第一發(fā)射極層包括與InP晶格相匹配的p-摻雜InGaAs，其受主雜質(zhì)濃度范圍在 5xl0"cm」至lxlO"cm—之間并且其厚度范圍在0. 5微米至1. 5微米之間；進(jìn)一步包括緩沖層和導(dǎo)電層，其中 所述緩沖層的材料是n-摻雜InP，其厚度范圍在5微米至10微米并且其施主雜質(zhì)濃度范圍在5xlO"cn^至2xl0"cm—3之間，并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(dǎo)電層的材料是p-摻雜InP,其厚度范圍在1. 5微米至2. 5微米并且其受主雜 質(zhì)濃度范圍在2xl0"cm—至2><1019(^_3之間，并且所述導(dǎo)電層被插入在第一發(fā)射極層和 第二基極層之間。
19. 如權(quán)利要求18所述的光電能量轉(zhuǎn)換器，其中所述第二基極層包括n-摻雜InGaAsP,其施主雜質(zhì)濃度范圍在5xl0"cm—3至18 —22x10 cm之間并且其厚度范圍在1微米至2微米之間；所述本征層包括未摻雜InGaAsP，其具有的摻雜級(jí)小于1015cm-3并且其厚度范圍在 0. 5微米至1. 5微米之間；以及，所述第二發(fā)射極層包括p-摻雜InGaAsP，其受主雜質(zhì)濃度范圍在5xl0"cm—3至151 —35x10 cm之間并且其厚度范圍在0. 5微米至1. 5微米之間。
20. 如權(quán)利要求4所述的光電能量轉(zhuǎn)換器，其中，每個(gè)所述裝置分塊都含有感光表面， 并且其中，所述中心分塊的感光表面的面積占所有裝置分塊的感光表面總面積的15 %至 25%。
21. 如權(quán)利要求1所述的光電能量轉(zhuǎn)換器，其中，每個(gè)所述裝置分塊具有同樣面積的感 光表面。
22. 如權(quán)利要求4所述的光電能量轉(zhuǎn)換器，進(jìn)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(fā)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(huán)形裝置部分內(nèi) 的每個(gè)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(jié)構(gòu)之間；其中，每個(gè)所述第三金屬觸頭和所述第四金屬觸頭都跨越所述環(huán)形裝置部分而向外 延伸，并且與所述環(huán)形裝置部分的裝置分塊電絕緣，以便獨(dú)立于所述第二組裝置分塊而 連接到外電路。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光電能量轉(zhuǎn)換器包括多個(gè)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于中心并且被第二組裝置分塊所環(huán)繞，第一組裝置分塊由一個(gè)或多個(gè)裝置分塊組成，第二組裝置分塊包括至少兩個(gè)裝置分塊，以及其中將兩個(gè)或多個(gè)裝置分塊進(jìn)行串聯(lián)當(dāng)所選波長(zhǎng)的輻射入射在裝置上時(shí)產(chǎn)生電壓。
文檔編號(hào)H01L23/522GK101431084SQ200710301959
公開(kāi)日2009年5月13日 申請(qǐng)日期2007年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月20日
發(fā)明者強(qiáng) 劉, 吳塔春, 森尼瓦提·韋德加加, 簡(jiǎn)·古斯塔夫·威爾森 申請(qǐng)人:Jds尤尼弗思公司