本發(fā)明涉及用作光通信等中的光接收元件的雪崩光電二極管。

背景技術：

光通信中的普通光接收器由諸如光電二極管或雪崩光電二極管之類的光接收元件和配置為對由光接收元件產生的光電流進行放大的跨阻放大器形成。光接收元件具有將入射光轉換為電流的功能。在光接收元件中，光吸收層吸收光，從而產生作為載流子的電子和空穴對。當所產生的電子和空穴移動時，電流流動。

光電二極管的光電轉換效率的上限為100％的量子效率。另一方面，雪崩光電二極管是具有如下功能的光接收元件：通過在高電場下加速光電子來使在元件中產生的光電子撞擊晶格，并因此使光電子離化，從而放大載流子。因此，雪崩光電二極管可以輸出與一個光子對應的多個載流子，并獲得高于100％的量子轉換效率的靈敏度。雪崩光電二極管應用于高靈敏度光接收器(參見非專利文獻1)。

然而，在雪崩光電二極管中，輸入光強度和輸出電信號之間的線性度比在光電二極管中差。因此，如果光接收器由于對輸出波形失真的約束而需要輸入光強度和輸出電信號之間的高線性度，如最近在研究開發(fā)的數(shù)字相干方法，則難以應用雪崩光電二極管。

這是因為如果輸入光強度高，則移動速度比電子的移動速度低的空穴累積在光吸收層中。這種現(xiàn)象稱為空間電荷效應。在光電二極管中，累積的空穴局部地降低了吸收層中的場強。然而，在場強幾乎變?yōu)?之前，確保了響應的線性度。另一方面，在雪崩光電二極管中，由于累積的空穴產生的電荷降低了雪崩層中的場強，所以在輸入光強度高的情況下，倍增因子降低。因此，在雪崩光電二極管中，電輸出強度相對于輸入光強度的線性度比光電二極管中的差。

作為解決雪崩光電二極管的上述問題的一般手段，考慮形成具有單向行進的載流子光電二極管(utc-pd)結構的光吸收層。在utc-pd結構中，通過摻雜將光吸收層形成為p型。因此，電輸出強度相對于輸入光強度的線性度根據(jù)由高輸入光強度引起的空穴累積而不會退化(參見非專利文獻2)。

更具體地說，光電二極管通常具有p-i-n光電二極管(pin-pd)結構，其中用作光吸收層的未摻雜層(i層)夾在通過摻雜形成為p型的層(p層)和通過摻雜形成為n型的層(n層)之間。在pin-pd結構中，在光吸收層中產生的載流子被耗盡的未摻雜層中的電場加速，使得載流子可以高速移動。然而，在所產生的載流子中，空穴的移動速度低于電子的移動速度。這是限制操作速度的因素。

具有utc-pd結構的元件消除了限制上述pin-pd結構中的速度的因素，從而進一步加速了操作。在未摻雜的結構中，光吸收層是未摻雜的，并且不包括載流子收集層。然而，在utc-pd結構中，光吸收層為p型，并且在操作時要耗盡的區(qū)域(耗盡層)形成為由與光吸收層的材料不同的材料制成的載流子收集層，如圖11所示(參見非專利文獻2)。利用這種結構，在光吸收層中產生的少數(shù)載流子(電子)可以擴散到耗盡的載流子收集層。此外，為了防止電子擴散回p接觸側，p型“擴散阻擋層”被插入在p接觸和光吸收層之間。

在p型光吸收層中產生的載流子中，空穴需要與介電弛豫時間(在10^-12秒的量級)相對應的時間以供響應。因此，空穴不會累積。也就是說，作為決定元件速度的因素，只需要考慮電子的移動。電子在utc-pd中的移動包括p吸收層中的擴散和載流子收集層中的漂移。當在載波收集層中使用過沖效應時，漂移時間縮短，并且可以獲得100ghz或更大的超高速操作。

然而，普通未摻雜的光吸收層中的載流子渡越時間與吸收層厚度成反比，而utc-pd結構的光吸收層中的載流子渡越時間與吸收層厚度的平方成反比。也就是說，在utc-pd結構中，如果在極大地犧牲靈敏度的同時使吸收層變薄，則可以獲得100ghz或更大處的超高速操作。然而，在幾十ghz的頻帶中，在一些情況下通過未摻雜的光吸收層獲得較高的靈敏度。在utc-pd結構中，光電轉換效率的上限為100％的量子效率。另外，特別是當使吸收層變厚以提升靈敏度時，靈敏度大大退化。

注意，在使用未摻雜吸收層的雪崩光電二極管中，如圖12所示，在p型inp接觸層上設置未摻雜的光吸收層、p場控制層、inalas雪崩層、n場控制層、inp邊緣場緩沖層和n接觸層(參見非專利文獻3)。在這種結構中，通過放大雪崩層中的載流子可以獲得高于100％的量子轉換效率的靈敏度。然而，由于使用未摻雜的吸收層，所以線性度是差的。

相關技術文獻

非專利文獻(npl)

非專利文獻1：j.c.campbell,"recentadvancesintelecommunicationsavalanchephotodiodes",journaloflightwavetechnology,vol.25,no.1,pp.109-121,2007.

非專利文獻2：t.ishibashi,n.shimizu,s.kodama,h.ito,t.nagatsumaandt.furuta,"uni-traveling-carrierphotodiodes",ultrafastelectronicsandoptoelectronics,vol.13,pp.83-87,1997.

非專利文獻3：m.nada,y.muramoto,h.yokoyama,n.shigekawa,t.ishibashi,ands.kodama,"invertedinalas/ingaasavalanchephotodiodewithlow.high.lowelectricfieldprofile",japanesejournalofappliedphysics,vol.51,02bg03,2012.

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的問題

在utc-pd結構的光吸收層和未摻雜結構的光吸收層兩者中，靈敏度由光吸收層中的吸光度支配，速度由載流子渡越時間支配。為此，為了提升靈敏度，需要使吸收層厚。為了提高速度，需要使吸收層薄。權衡關系基本上保持在高速操作和高靈敏度操作之間。特別地，如果考慮線性度的改善，則優(yōu)選地選擇具有utc-pd結構的光吸收層。然而，如上所述，發(fā)生比常規(guī)未摻雜的光吸收層中的更大的靈敏度退化。如上所述，通常，在不犧牲光接收靈敏度和高速度的情況下不能獲得高線性度。

本發(fā)明是為了解決上述問題而做出的，其目的在于在不犧牲光接收靈敏度和高速度的情況下在雪崩光電二極管中獲得高線性度。

解決問題的方法

根據(jù)本發(fā)明，提供了一種雪崩光電二極管，包括：p接觸層，由p型半導體制成；第一光吸收層，形成在p接觸層上并由p型半導體制成；雪崩層，形成在第一光吸收層上；場控制層，形成在雪崩層上；第二光吸收層，形成在場控制層上；n接觸層，形成在第二光吸收層上并由n型半導體制成；p接觸，連接到p接觸層；以及p接觸，連接到n接觸層。

在雪崩光電二極管中，第一光吸收層和雪崩層形成為比n接觸層的區(qū)域大的區(qū)域。

雪崩光電二極管還可以包括布置在p接觸層和第一光吸收層之間并由p型半導體制成的擴散阻擋層，其中擴散阻擋層的導帶端部高于第一光吸收層的導帶端部。

雪崩光電二極管還可以包括布置在第二光吸收層和n接觸層之間且由帶隙能量大于第二光吸收層的帶隙能量的半導體制成的邊緣場緩沖層。

雪崩光電二極管還可以包括布置在雪崩層和第一光吸收層之間并且由帶隙能量大于雪崩層的帶隙能量的p型半導體制成的p半導體層。

本發(fā)明的效果

如上所述，根據(jù)本發(fā)明，提供兩者都是p型的第一光吸收層和第二光吸收層，以夾住雪崩層。因此，可以在不犧牲光接收靈敏度和高速度的情況下獲得在雪崩光電二極管中實現(xiàn)高線性度的巨大效果。

附圖說明

圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的雪崩光電二極管的結構的剖視圖；

圖2a是示意性地示出包括普通未摻雜的光吸收層的電子注入型雪崩光電二極管中的載流子輸運的能帶圖；

圖2b是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的雪崩光電二極管中的載流子輸運的能帶圖；

圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的雪崩光電二極管的特性(a)和包含未摻雜光吸收層的常規(guī)雪崩光電二極管的特性(b)的曲線圖。

圖4是示出在m＝1處的3db帶寬為1的情況下在包括普通未摻雜的光吸收層的電子注入型雪崩光電二極管(▲)、包括utc型光吸收層的雪崩光電二極管(■)和根據(jù)本發(fā)明的雪崩光電二極管(◆)中在每個倍增因子下的3db帶寬的退化率的曲線圖；

圖5是示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的雪崩光電二極管的結構的剖視圖；

圖6是示出了根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的雪崩光電二極管的結構的剖視圖；

圖7示出用于說明在不存在p半導體層321的情況(a)和存在p半導體層321的情況(b)之間的隧道泄露的比較的能帶圖；

圖8是示出了根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的雪崩光電二極管的結構的剖視圖；

圖9是示出了根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的雪崩光電二極管的結構的剖視圖；

圖10是示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的雪崩光電二極管中的載流子輸運的能帶圖；

圖11是用于說明utc-pd結構的能帶圖；以及

圖12是用于說明使用未摻雜吸收層的雪崩光電二極管的視圖。

具體實施方式

現(xiàn)在將參考附圖描述本發(fā)明的實施例。

[第一實施例]

首先將參考圖1描述本發(fā)明的第一實施例。圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的雪崩光電二極管的結構的剖視圖。該雪崩光電二極管包括由p型半導體制成的p接觸層101、形成在p接觸層101上且由p型半導體制成的第一光吸收層102以及形成在第一光吸收層102上的雪崩層103。通過引入(摻雜)p型雜質將第一光吸收層102形成為p型。注意，第一光吸收層102不會按照下面的方式摻雜雜質：使得它在雪崩光電二極管的操作電壓下耗盡。

根據(jù)第一實施例的雪崩光電二極管還包括形成在雪崩層103上的n場控制層104、形成在場控制層104上的第二光吸收層105、形成在第二光吸收層105上并由n型半導體制成的n接觸層106、連接到p接觸層101的p接觸107以及連接到n接觸層106的n接觸108。在該雪崩光電二極管中，p接觸層101、第一光吸收層102、雪崩層103、場控制層104、第二光吸收層105和n接觸層106從p接觸107的一側依次堆疊。

注意，第一光吸收層102和第二光吸收層105由具有與光的目標波長相對應的帶隙能量的iii-v化合物半導體制成，當然，其余層均由帶隙能量與第一光吸收層102和第二光吸收層105的帶隙能量不同的iii-v化合物半導體制成。場控制層104的帶隙能量不小于光吸收層的帶隙能量，并且不大于雪崩層103的帶隙能量。

在該雪崩光電二極管中，如果在p接觸107和n接觸108之間施加反向偏置電壓，則場控制層104中的施主雜質離化，并且在雪崩層103中誘發(fā)高電場。場控制層104中的n型摻雜量被設置為使得第二光吸收層105中的雜質濃度在反向偏置施加時充分耗盡。

在常規(guī)雪崩光電二極管的分層結構中，采用在p接觸側設置光吸收層的電子注入型或在n型接觸側設置光吸收層的空穴注入型，并且光吸收層設置在雪崩層的一側上。這種結構基于保持低雪崩多余噪聲因子的普通設計指南。

與上述結構相比，在本發(fā)明中，摻雜成p型的第一光吸收層102和第二光吸收層105布置在雪崩層103的兩側。在所有光吸收層具有相同厚度的條件下，根據(jù)本發(fā)明的布置中的光吸收層僅被劃分為第一光吸收層102和第二光吸收層105，并且光接收靈敏度在沒有雪崩倍增的狀態(tài)下不改變。

如果通過光吸收在第一光吸收層102和第二光吸收層105中產生電子-空穴對，則第一光吸收層102中的電子通過電子擴散而到達雪崩層103，并且第二光吸收層105中的空穴通過空穴漂移而到達雪崩層103。電子和空穴兩者都通過離化過程誘發(fā)雪崩倍增。如上所述，根據(jù)本發(fā)明的布置，通過雙重注入執(zhí)行雪崩倍增。通過注入雪崩層103中的電子和空穴在雪崩層103中產生的電子-空穴對的數(shù)量取決于第一光吸收層102和第二光吸收層105的厚度以及電子和空穴的離化率。

如果輸入光強度高，則在第一光吸收層102中不會發(fā)生在普通未摻雜的光吸收層中由于空穴累積(空間電荷效應)而發(fā)生的場強位移。在第二光吸收層105中，可以發(fā)生與電子相關的雪崩層103附近的載流子累積，其具有一直到電極的較長行進距離，但飽和速度比空穴高一個數(shù)量級。因此，與在普通未摻雜的光吸收層中觀察到的空穴累積的空間電荷效應相比，影響較小。

下面將描述包括普通未摻雜光吸收層和根據(jù)本發(fā)明的雪崩光電二極管的電子注入型雪崩光電二極管中的每一個的能帶狀態(tài)。圖2a是示意性地示出包括普通未摻雜的光吸收層的電子注入型雪崩光電二極管中的載流子輸運的能帶圖。圖2b是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的雪崩光電二極管中的載流子輸運的能帶圖。

請注意，在圖2a中，附圖標記102a表示未摻雜的光吸收層；103a表示雪崩層；以及104a表示場控制層。假設wabs0是未摻雜的光吸收層102a的厚度，wabs1是第一光吸收層102的厚度，wabs2是第二光吸收層105的厚度。另外，wabs0＝wabs1+wabs2。因此，常規(guī)雪崩光電二極管和根據(jù)本發(fā)明的雪崩光電二極管在沒有倍增的狀態(tài)中具有相同的光接收靈敏度。參見圖2a和2b，實心圓表示電子，空心圓表示空穴。

在包括常規(guī)未摻雜的光吸收層的雪崩光電二極管中，如圖2a所示，在未摻雜的光吸收層102a中產生的電子/空穴行進與厚度wabs0相對應的距離。此外，如果雪崩光電二極管的倍增因子(m)高達10或更大，則雪崩層103a中的沖擊離化產生的多個空穴類似地行進wabs0。通常，空穴的飽和速度低于電子的飽和速度。因此，如果輸入光強度上升，則在未摻雜的光吸收層102a中，特別是在一直到電極的距離長的雪崩層附近發(fā)生空穴累積，并且雪崩層中的場強降低。

在倍增因子提升的情況下，發(fā)生與在輸入光強度提升的情況下相同的影響。也就是說，在雪崩層103a中產生的空穴被注入到未摻雜的光吸收層102a中。然而，這些空穴在一直到電極的長距離處的雪崩層103a附近累積。因此，在典型的雪崩光電二極管中，當倍增因子高時，確認輸出電流相對于輸入光強度的線性度的更顯著退化。

另一方面，在圖2b所示的根據(jù)本發(fā)明的雪崩光電二極管中，第一光吸收層102為p型。因此，如果倍增因子上升，則空穴的行進距離不像厚度wabs1那樣長，并且空穴在其注入第一光吸收層102中之后立即通過介電弛豫機制來行進。此外，在第二光吸收層105中，通過倍增產生的空穴不被注入到該區(qū)域中，并且僅注入通過倍增產生的電子。由于電子的飽和速度高于空穴的飽和速度，所以載流子輸運特性不很大地退化。圖3示出了輸出電流相對于上述輸入光強度的關系。在圖3中，(a)表示根據(jù)本發(fā)明的雪崩光電二極管的特性，(b)表示包括常規(guī)的未摻雜光吸收層102a的雪崩光電二極管的特性。

假設摻雜為p型的utc型光吸收層。將通過倍增產生的空穴注入光吸收層中，并立即引起介電弛豫而不有助于載流子輸運特性。光吸收層表現(xiàn)出與在圖3的(a)所示的根據(jù)本發(fā)明的雪崩光電二極管中相同的輸入光強度和輸出電流之間的關系。然而，如果光吸收層厚度wabs0具有大的值，則p型光吸收層中的載流子輸運機制是電子擴散，因此高頻特性顯著降低。

接下來將參考圖4描述倍增因子和3db帶寬之間的關系。圖4是示出在m＝1處的3db帶寬為1的情況下在包括普通未摻雜的光吸收層的電子注入型雪崩光電二極管(▲)、包括utc型光吸收層的雪崩光電二極管(■)和根據(jù)本發(fā)明的雪崩光電二極管(◆)中在每個倍增因子下的3db帶寬的退化率的曲線圖。

假設wabs0和wabs1+wabs2被設置為0.7μm,gbp(增益帶寬乘積)被設置為240ghz。此外，除了光吸收層之外的諸如雪崩層之類的每一個層的厚度被設置為約0.2μm。

在包括未摻雜的光吸收層的雪崩光電二極管中，在m＝5處，3db帶寬退化到約40％，并且在m＝10處退化到約30％。另一方面，在包括utc型光吸收層的雪崩光電二極管中，即使在m＝10處，3db帶寬的退化率為約20％。這種差異被認為是由通過倍增產生的空穴的輸運產生的。由p型光吸收層中的倍增因子引起的3db帶寬的退化僅被認為僅反映gbp。然而，在包括utc型光吸收層的雪崩光電二極管中，通過電子擴散進行光吸收層中的載流子輸運。因此，載流子渡越時間對于厚度約為0.7μm而言相對較長，并且不適于高速操作。

在根據(jù)本發(fā)明的雪崩光電二極管中，與包括未摻雜的光吸收層的雪崩光電二極管相比，相對于倍增因子由載流子渡越時間確定的3db帶寬的退化程度被極大地改善。

即使電子和空穴的離化率不同，如果電子的離化率與空穴的離化率的比率落在約2的范圍內，則根據(jù)本發(fā)明的雪崩光電二極管的結構是有效的。由于一個載流子的離化率變得相對較高，并且其對由其他載流子的注入引起的雪崩倍增的貢獻變得較小，所以根據(jù)本發(fā)明的雪崩光電二極管的優(yōu)點趨向于丟失。然而，通常隨著電場上升，電子的離化率與空穴的離化率的相對比率趨向于是低的，本發(fā)明的設計構思可以被廣泛應用。電子和空穴的離化率接近的材料的示例是inp。包括由該半導體材料制成的雪崩層的雪崩光電二極管被認為適合于本發(fā)明。

[第二實施例]

接下來將參考圖5來描述本發(fā)明的第二實施例。圖5是示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的雪崩光電二極管的結構的剖視圖。

雪崩光電二極管包括襯底201、形成在襯底201上并由p型半導體制成的p接觸層202、形成在p接觸層202上并由p型半導體制成的擴散阻擋層203、形成在擴散阻擋層203上并由p型半導體制成的第一光吸收層204以及形成在第一光吸收層204上的雪崩層205。第一光吸收層204通過摻雜p型雜質形成為p型。注意，第一光吸收層204會按照以下方式摻雜雜質：使得它在雪崩光電二極管的操作電壓下耗盡。

根據(jù)第二實施例的雪崩光電二極管還包括：形成在雪崩層205上的n場控制層206、形成在場控制層206上的第二光吸收層207、形成在第二光吸收層207上的邊緣場緩沖層208、形成在邊緣場緩沖層208上并由n型半導體制成的第一n接觸層209以及形成在第一n接觸層209上并由n型半導體制成的第二n接觸層210。

雪崩光電二極管還包括連接到p接觸層202的p接觸212和連接到第二n接觸層210的n接觸211。在該雪崩光電二極管中，p接觸層202、擴散阻擋層203、第一光吸收層204、雪崩層205、場控制層206、第二光吸收層207、邊緣場緩沖層208、第一n接觸層209和第二n接觸層210從襯底201的一側依次堆疊。

注意，在襯底201上形成多個雪崩光電二極管。然而，圖5示出了形成在襯底201上的一個雪崩光電二極管。雪崩光電二極管被單獨形成并通過分離p接觸層202和p接觸層202上的各層而電隔離。

在第二實施例中，擴散阻擋層203、第一光吸收層204、雪崩層205和n場控制層206在平面圖中具有相同的形狀并形成第一臺面。此外，第二光吸收層207和邊緣場緩沖層208在平面圖中具有相同的形狀，并形成面積小于第一臺面的面積的第二臺面。此外，第一n接觸層209和第二n接觸層210在平面圖中具有相同的形狀，并形成面積小于第二臺面的面積的第三臺面。第二臺面形成在第一臺面的內部，第三臺面形成在第二臺面的內部。例如，各臺面僅需要在襯底法線方向上具有共同的中心軸。

注意，第一光吸收層204和第二光吸收層207由具有與光的目標波長相對應的帶隙能量的iii-v化合物半導體制成，當然，其余層均由帶隙能量與第一光吸收層204和第二光吸收層207的帶隙能量不同的iii-v化合物半導體制成。場控制層206的帶隙能量優(yōu)選地等于或大于雪崩層205的帶隙。更理想的是，場控制層206的帶隙能量等于或大于雪崩層205的帶隙，同時從防止空穴輸運障礙的觀點來看，相對于雪崩層205的價帶端的偏移優(yōu)選為100mev或更多。

例如，襯底201是由通過摻雜鐵而獲得高電阻的半絕緣inp制成的半導體襯底。p接觸層202由其中大量引入p型雜質的inp制成。擴散阻擋層203由引入p型雜質的ingaasp制成。第一光吸收層204由引入p型雜質的ingaas制成。

p接觸層202由inp制成。場控制層206由引入n型雜質的inp制成。第二光吸收層207由ingaas制成。邊緣場緩沖層208由未摻雜的inp制成。第一n接觸層209由引入n型雜質的inp制成。第二n接觸層210由其中大量引入n型雜質的ingaasp制成。

接下來將簡要描述制造上述雪崩光電二極管的方法。首先，p型inp(p接觸層202)、p型ingaasp(擴散阻擋層203)、p型ingaas(第一光吸收層204)、inp(雪崩層205)、n型inp(場控制層206)、ingaas(第二光吸收層207)、inp(邊緣場緩沖層208)、n型inp(第一n接觸層209)和n型ingaasp(第二n接觸層210)通過外延生長順序地沉積在由半絕緣inp制成的襯底201上。這些層通過公知的金屬有機氣相外延(movpe)方法形成。

接下來，例如，n接觸211形成在n型ingaasp層上。例如，形成包括n接觸211的區(qū)域中的開口的抗蝕劑掩模圖案。通過電子束蒸發(fā)法在抗蝕劑掩模圖案上形成鈦層/鉑層/金層的三層堆疊膜。此后，當去除抗蝕劑掩模圖案時，可以形成與n型ingaasp層(第二n接觸層210)歐姆接觸的n接觸211。這是一種稱為剝離(lift-off)方法的制造方法。

接下來，n型ingaasp層、n型inp層、inp層、ingaas層、n型inp層、inp層、p型ingaas層和p型ingaasp層首先通過已知的光刻和蝕刻(濕式蝕刻)技術來圖案化，以在平面圖中形成與上述第一臺面相同的形狀。利用這種圖案化，形成p接觸層202、擴散阻擋層203、第一光吸收層204、雪崩層205和場控制層206。

接下來，n型ingaasp層、n型inp層、inp層和ingaas層通過已知的光刻和蝕刻(濕式蝕刻)技術來圖案化，以在平面圖中形成與上述第二臺面相同的形狀。利用這種圖案化，形成第二光吸收層207和邊緣場緩沖層208。接下來，n型ingaasp層和n型inp層通過已知的光刻和蝕刻(濕式蝕刻)技術來圖案化，以形成上述第三臺面。利用該圖案化，形成第一n接觸層209和第二n接觸層210。p接觸層202的部分暴露于所形成的第一臺面的周邊。

最后，p接觸212形成在通過圖案化暴露的p接觸層202上。p接觸212具有鈦層/鉑層/金層的三層結構。p接觸212像n接觸211一樣通過電子束蒸發(fā)法和剝離法形成。

在第二實施例中，如果在p接觸212和n接觸211之間施加反向偏置電壓，則布置在雪崩層205上的n場控制層206中的施主雜質離化，且在雪崩層205中誘發(fā)高電場。雪崩光電二極管的操作與上述第一實施例相同。注意，盡管這里未示出，可以在第一光吸收層204和雪崩層205之間以及在n場控制層206和第二光吸收層207之間設置均具有這些兩層之間的帶隙的“帶隙斜坡層”。這種布置在抑制阻擋層對異質界面的影響的意義上是有效的，如在普通的雪崩光電二極管中。

在第二實施例中，在平面圖中順序地減小面積的同時布置第一臺面、第二臺面和第三臺面。這旨在緩沖第一光吸收層204和第二光吸收層207的側表面上的場強。在沒有形成三級臺階中的臺面的結構中，如果反向偏置電壓被提升以將雪崩光電二極管設置在操作狀態(tài)中，則在臺面表面上出現(xiàn)根據(jù)器件(體)內的電位的電位分布，并且表面泄漏電流根據(jù)電場而流動。這不是優(yōu)選的，因為它是使雪崩光電二極管的接收操作中的靈敏度退化的因素，并且還縮短了雪崩光電二極管的壽命。

也在根據(jù)第二實施例的雪崩光電二極管中，隨著反向偏壓提升以獲得操作狀態(tài)，從第一光吸收層204的部分到第一n接觸層209(第二n接觸層210)的部分發(fā)生耗盡。然而，如果第一臺面的上表面的耗盡＝場控制層206結束，則即使反向偏置電壓進一步提升，場控制層206的電位也很少改變。這是因為圍繞第二臺面的場控制層206上的介質(例如，絕緣材料)的介電常數(shù)比半導體的介電常數(shù)小得多，并且從第一n接觸層209(第二n接觸層210)的周邊到第一臺面的周邊的空間距離是足夠長的。結果，可以抑制第一臺面的周邊上的場強的增加(引用文獻3)。

如上所述的同樣適用于第二臺面的上表面＝第一n接觸層209(第二n接觸層210)。即使反向偏置電壓進一步提升，第二光吸收層207和邊緣場緩沖層208的側表面上的場強決不持續(xù)上升。

在第二實施例中，具有最小帶隙的第一光吸收層204和第二光吸收層207布置成夾住雪崩層205。因此，與常規(guī)的雪崩光電二極管相比，特別需要小心臺面的側表面上的場強的緩沖。如上所述，通過形成多級臺面結構，可以大大減小臺面的側表面上的場強，如上所述。

在第二實施例中，由例如ingaasp制成的擴散阻擋層203設置在p接觸層202和第一光吸收層204之間。將解釋其原因。第一光吸收層204中的載流子輸運通過電子擴散進行。因此，通過光吸收在第一光吸收層204中產生的電子也可以擴散到p接觸層202的側面。在這種情況下，擔心光接收靈敏度變得比從第一光吸收層204的厚度預期的值更差。

另一方面，當提供由例如導帶端部高于光吸收層材料的導帶端部的ingaasp制成的擴散阻擋層203時，可以抑制第一光吸收層204中的電子擴散到p接觸層202的側面，并且電子可以更有效地行進到雪崩層205的側面。

與常規(guī)提出的反向雪崩光電二極管(參見非專利文獻3)相比，從確?？煽啃院筒僮鞣€(wěn)定性的觀點來看，根據(jù)本發(fā)明的雪崩光電二極管特別需要小心設計。通常，在雪崩光電二極管中，p-n結的曲率在邊緣比在中心小。因此，由于施加來導致雪崩擊穿的非常高的反向電壓，所以邊緣上的電場變得大于中心處的電場。因此，擊穿現(xiàn)象不發(fā)生在中心處而發(fā)生在邊緣上。

在反向的雪崩光電二極管中，通過布置與雪崩層相鄰的邊緣場緩沖層來緩沖到雪崩層的邊緣場。在根據(jù)本發(fā)明的雪崩光電二極管中，邊緣擊穿也可以發(fā)生在第二光吸收層207中。

另外，當應用根據(jù)第二實施例的多級臺面結構時，通過從結構導出的電力線的集中在第一n接觸層209和邊緣場緩沖層208之間的界面的表面部分中產生邊緣場。該邊緣場可以通過產生從第二光吸收層207和雪崩層205中的邊緣形狀導出的高局部電場而引起邊緣擊穿。如果發(fā)生邊緣擊穿，則在低于用于獲得足夠高的雪崩光電二極管的倍增因子的電壓的電壓下發(fā)生擊穿。因此難以在高倍增因子處執(zhí)行操作。

另一方面，提供邊緣場緩沖層208以將第三臺面的邊緣部分與第二光吸收層207和雪崩層205在空間上分開。此外，邊緣場緩沖層208通過施加帶隙比第二光吸收層207的帶隙大的諸如inp或inalas之類的材料來形成。這些可以抑制邊緣場緩沖層208自身中的邊緣擊穿。

在雪崩光電二極管的操作狀態(tài)中，第二光吸收層207的場強優(yōu)選為200kv/cm或更小。從長期可靠性的觀點出發(fā)，這旨在抑制ingaas的材料的退化。

這里，ingaas用作光吸收層的半導體材料，inp用作雪崩層的半導體材料。然而，該專利的設計構思不一定限制要使用的半導體材料，并且可以應用于各種半導體材料的組合。

[第三實施例]

接下來將參考圖6來描述本發(fā)明的第三實施例。圖6是示出了根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的雪崩光電二極管的結構的剖視圖。

雪崩光電二極管包括襯底301、形成在襯底301上并由p型半導體制成的p接觸層302、形成在p接觸層302上并由p型半導體制成的擴散阻擋層303、形成在擴散阻擋層303上并由p型半導體制成的第一光吸收層304以及形成在第一光吸收層304上的雪崩層305。第一光吸收層304通過摻雜p型雜質形成為p型。注意，第一光吸收層304不會按照以下方式摻雜過多的雜質：它在雪崩光電二極管的操作電壓下耗盡。

根據(jù)第三實施例的雪崩光電二極管還包括形成在雪崩層305上的n場控制層306、形成在場控制層306上的第二光吸收層307、形成在第二光吸收層307上的邊緣場緩沖層308、形成在邊緣場緩沖層308上并由n型半導體制成的第一n接觸層309以及形成在第一n接觸層309上并由n型半導體制成的第二n接觸層310。

雪崩光電二極管還包括連接到p接觸層302的p接觸312和連接到第二n接觸層310的n接觸311。另外，在第三實施例中，在第一光吸收層304和雪崩層305之間設置p半導體層321。p半導體層321具有比雪崩層305的帶隙能量大的帶隙能量，并且由例如inalas制成。布置的其余部分與上述第二實施例中的相同。

在第三實施例中，擴散阻擋層303、第一光吸收層304、p半導體層321、雪崩層305和n場控制層306在平面圖中具有相同的形狀并形成第一臺面。此外，第二光吸收層307和邊緣場緩沖層308在平面圖中具有相同的形狀，并形成面積小于第一臺面的面積的第二臺面。此外，第一n接觸層309和第二n接觸層310在平面圖中具有相同的形狀，并形成面積小于第二臺面的面積的第三臺面。

注意，在第三實施例中，p型半導體層321被新近添加到根據(jù)第二實施例的雪崩光電二極管。制造方法與第二實施例中的大致相同，將省略其詳細描述。

下面將描述p半導體層321的添加。即使對于常規(guī)的雪崩光電二極管，通常已知的是場控制層用于將雪崩層和光吸收層中的場強設置為操作狀態(tài)中的適當值。在第三實施例中，場控制層306由帶隙等于或大于雪崩層305的帶隙的材料制成。這一點將首先解釋。

如果第一光吸收層304被重摻雜為p型，則難以認為整個第一光吸收層304在雪崩光電二極管的操作狀態(tài)中完全耗盡。然而，在雪崩光電二極管中，通常在操作狀態(tài)中施加20v或更大的高電壓，并且雪崩層305中的場強變得高達約600至900kv/cm。在這種高電壓狀態(tài)中，即使第一光吸收層304被重摻雜為p型，也會在與雪崩層305的異質界面附近產生數(shù)十nm的耗盡層。

如果在雪崩層305附近的第一光吸收層304中產生的電場達到幾百kv/cm，首先，由于第一光吸收層304通常由具有小帶隙的ingaas制成，因此產生隧道泄漏電流。其次，由于雪崩層305的有效厚度增加，gbp降低。

圖7的能帶圖示出了產生隧道泄漏電流的狀態(tài)。在圖7中，(a)示出了不存在p半導體層321的情況，(b)示出了存在p半導體層321的情況。如圖7的(b)中所示，與圖7的(a)相比，當插入帶隙能量等于或大于雪崩層305的帶隙能量的p半導體層321時，可以抑制通過場強的增加在第一光吸收層304和雪崩層305之間產生的隧道泄漏電流。

此外，當使用帶隙能量等于或大于雪崩層305的帶隙能量的材料時，即使在p半導體層321中的場強高的狀態(tài)中，也不會在雪崩層305中發(fā)生顯著的雪崩倍增。

如上所述，當插入p半導體層321時，可以確?？煽啃?。也可以確保雪崩光電二極管的雪崩層的膜厚度的高設計自由度，并獲得高gbp。

[第四實施例]

接下來將參考圖8來描述本發(fā)明的第四實施例。圖8是示出了根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的雪崩光電二極管的結構的剖視圖。

雪崩光電二極管包括襯底401、形成在襯底401上并由n型半導體制成的第二n接觸層402、形成在第二n接觸層402上的第一n接觸層403、形成在第一n接觸層403上的第二光吸收層404以及形成在第二光吸收層404上的n場控制層405。

雪崩光電二極管還包括形成在n場控制層405上的雪崩層406、形成在雪崩層406上的p場控制層407、形成在p場控制層407上的邊緣場緩沖層408、形成在邊緣場緩沖層408上的第一半導體層409以及形成在第一半導體層409上的第二半導體層410。

p型雜質被從第二半導體層410到第一半導體層409引入到雜質引入?yún)^(qū)411中。在引入p型雜質的雜質引入?yún)^(qū)411中的第一半導體層409中形成第一光吸收層412，并且在引入p型雜質的雜質引入?yún)^(qū)411中的第二半導體層410中形成p接觸層413。注意，在第四實施例中，p接觸層413還用作擴散阻擋層。雪崩光電二極管還包括連接到p接觸層413的p接觸414和連接到第一n接觸層403的n接觸415。

例如，襯底401由半絕緣inp制成。第二n接觸層402由n型inp制成。第一n接觸層403由n型ingaas制成。第二光吸收層404由ingaas制成。n場控制層405由n型inalas制成。

雪崩層406由inp制成。p場控制層407由p型inalas制成。邊緣場緩沖層408由inp制成。第一半導體層409由ingaas制成。第二半導體層410由inalas制成。

引入雜質引入?yún)^(qū)411中的p型雜質例如為zn。在平面圖中，通過在第一半導體層409和第二半導體層410內的區(qū)域中的選擇性擴散來形成雜質引入?yún)^(qū)411。在這種情況下，第一光吸收層412由包含作為摻雜劑的zn的p型ingaas制成，并且p接觸層413由使用zn作為摻雜劑的p型inalas制成。

在第四實施例中，根據(jù)本發(fā)明的雪崩光電二極管應用于“平面結構”。在第四實施例中，元件側表面上的電場的緩沖不是通過多級臺面而是通過作為p型雜質的zn的選擇性擴散來實現(xiàn)的。在第四實施例中，僅需要通過濕法蝕刻暴露n接觸層403的一部分。除此之外，不需要用于元件形狀形成的圖案化工藝。

在根據(jù)第四實施例的雪崩光電二極管中，當在p接觸414和p接觸層413之間施加電壓時，首先在p場控制層407和n場控制層405中進行耗盡。如果p場控制層407的耗盡完成，則元件側表面上的場強不再上升。附加的電壓施加僅有助于直接在通過選擇性摻雜zn形成的雜質引入?yún)^(qū)411下面的層中的場強的增加。因此，根據(jù)第四實施例，可以在不形成多級臺面的情況下在操作狀態(tài)中緩沖雪崩光電二極管的側表面上的電場。

在第四實施例中，由于可以減少在上述第二和第三實施例中需要進行多次以形成多級臺面的圖案化的曝光/顯影步驟，并且元件可以通過一次圖案化和zn選擇性擴散以及金屬蒸鍍沉積等的電極形成來形成，可以縮短制造步驟。注意，在第一光吸收層布置在襯底側的布置中，作為最上層的n接觸層通過諸如硅之類的n型雜質的選擇性擴散而形成。

[第五實施例]

接下來將參考圖9描述本發(fā)明的第五實施例。圖9是示出了根據(jù)本發(fā)明第五實施例的雪崩光電二極管的結構的剖視圖。雪崩光電二極管包括襯底501、形成在襯底501上并由p型半導體制成的p接觸層502、形成在p接觸層502上并由p型半導體制成的擴散阻擋層503、形成在擴散阻擋層503上并由p型半導體制成的第一光吸收層504以及形成在第一光吸收層504上的雪崩層505。第一光吸收層504通過摻雜p型雜質形成為p型。注意，第一光吸收層504不被這樣多地摻雜有雜質，使得它在雪崩光電二極管的操作電壓下耗盡。

根據(jù)第五實施例的雪崩光電二極管還包括：形成在雪崩層505上的n場控制層506、形成在場控制層506上的第二光吸收層507、形成在第二光吸收層507上的邊緣場緩沖層508、形成在邊緣場緩沖層508上并由n型半導體制成的第一n接觸層509以及形成在第一n接觸層509上并由n型半導體制成的第二n接觸層510。

雪崩光電二極管還包括連接到p接觸層502的p接觸512和連接到第二n接觸層510的n接觸511。n接觸511在平面圖上具有例如環(huán)形形狀。在根據(jù)第五實施例的雪崩光電二極管中，第一光吸收層504中的p型雜質的摻雜濃度被設置為使得雜質濃度從p接觸層502的一側到第二光吸收層507的一側朝向第二光吸收層507降低。例如，第一光吸收層504中的雜質濃度逐漸降低到第二光吸收層507的一側(漸變摻雜)。

另外，在第五實施例中，p場控制層521設置在第一光吸收層504和雪崩層505之間。p場控制層521中的摻雜雜質濃度適當?shù)卦O置為使得它在雪崩光電二極管的操作電壓下耗盡。p場控制層521的帶隙能量大于第一光吸收層504的帶隙能量，并且由例如inalgaas制成。布置的其余部分與上述第二實施例中的相同。

在第五實施例中，擴散阻擋層503、第一光吸收層504、p場控制層521、雪崩層505和n場控制層506在平面圖中具有相同的形狀，并形成第一臺面。此外，第二光吸收層507和邊緣場緩沖層508在平面圖中具有相同的形狀，并形成面積小于第一臺面的面積的第二臺面。此外，第一n接觸層509和第二n接觸層510在平面圖中具有相同的形狀，并形成面積小于第二臺面的面積的第三臺面。

也在第五實施例中，如圖10的能帶圖所示，如果倍增因子上升，則在雪崩層505中通過沖擊離化產生的多個空穴在注入到第一光吸收層504之后立即通過介電弛豫機制行進。此外，在第二光吸收層507中，通過倍增產生的空穴不會被注入到該區(qū)域中，并且僅注入通過倍增產生的電子。由于電子的飽和速度高于空穴的飽和速度，所以載流子輸運特性不會顯著退化。

注意，在第五實施例中，將p場控制層521新近添加到根據(jù)第二實施例的雪崩光電二極管，并且改變了第一光吸收層504的摻雜分布。制造方法與第二實施例中的大致相同，將省略其詳細描述。

下面將描述第一光吸收層504的摻雜分布。如上所述，在本發(fā)明中，第一光吸收層504使用utc-pd的操作原理，并使用電子擴散作為載流子輸運機制。在這種情況下，第一光吸收層504中的電子速度由電子遷移率或擴散系數(shù)支配。

在根據(jù)第五實施例的第一光吸收層504中，由于p接觸層502的一側上的p型雜質濃度高，所以導帶端部(v.b.)位于靠近費米能級，如圖10的能帶圖中所示。然而，在第二光吸收層507的一側，由于雜質濃度相對較低，費米能級位于相對靠近從導帶端部的中間間隙的一側。結果，在雪崩光電二極管的操作狀態(tài)中，第一光吸收層504不耗盡，但使能帶傾斜，好像形成偽電場那樣。因此，在根據(jù)第五實施例的具有摻雜分布的第一光吸收層504中，電子不僅具有擴散分量，而且具有漂移分量，電子速度增加。結果，根據(jù)第五實施例，可以實現(xiàn)寬的能帶。

接下來將描述p場控制層521。p場控制層521在雪崩光電二極管的操作狀態(tài)中耗盡。如果p場控制層521具有等于或大于雪崩層505的帶隙的帶隙，并且通過摻雜簡單地形成為p型，則從第一光吸收層504注入的擴散電子的電子阱可以在雪崩光電二極管的操作狀態(tài)中通過吸收層和p型層之間的能帶偏移來形成。

然而，如果p場控制層521在操作狀態(tài)中變?yōu)楹谋M狀態(tài)，則向p場控制層521上施加預定電場，以在雪崩光電二極管的操作狀態(tài)中使能帶傾斜。這可以在電子注入時從第一光吸收層504到雪崩層505放松阻擋層。

如上所述，根據(jù)第五實施例，可以獲得更高的能帶。

這里將描述場控制層。在雪崩光電二極管中，需要在雪崩層中產生幾百kv/cm的非常高的電場，從而引起沖擊離化。如果在光吸收層中也產生如此高的場強，則在光吸收層中發(fā)生雪崩倍增或齊納擊穿。

仔細選擇雪崩光電二極管的雪崩層的材料和厚度，以減少沖擊離化中的過多噪聲，即使在高倍增因子下也抑制能帶退化。然而，如果在沒有這樣設計的光吸收層中發(fā)生雪崩倍增，則雪崩光電二極管的噪聲、倍增和能帶特性受到光吸收層的倍增特性的限制，而不反映雪崩層中的載流子的倍增特性。

如果在光吸收層中發(fā)生齊納擊穿，則在低于在雪崩光電二極管的雪崩層中達到高倍增因子的電壓下暗電流增加，并且發(fā)生擊穿。在這種情況下，雪崩光電二極管不能獲得所期望的靈敏度。

為了防止光吸收層中的上述雪崩倍增或齊納擊穿，通過在雪崩層和光吸收層之間插入摻雜的場控制層來設計雪崩光電二極管，以獲得其中光吸收層中的場強降低的所謂的“低-高”場強分布，并且雪崩層中的場強在雪崩光電二極管的操作電壓下上升。通常，在光吸收層布置在p接觸層側的“電子注入型”雪崩光電二極管中，引入p型雜質以形成p場控制層。在光吸收層布置在n接觸層側的“空穴注入型”雪崩光電二極管中，引入n型雜質以形成n場控制層。

如上所述，根據(jù)本發(fā)明，提供p型第一光吸收層和第二光吸收層以夾住雪崩層。因此，可以在不犧牲光接收靈敏度和高速度的情況下實現(xiàn)高線性度。根據(jù)本發(fā)明，可以在需要高線性度和高速度的諸如數(shù)字相干方法之類的通信方法中增加接收器的靈敏度。

注意，本發(fā)明不限于上述實施例，并且在不脫離本發(fā)明的技術范圍的情況下，可以由本領域普通技術人員進行許多修改和組合。

附圖標記的解釋

101...p接觸層，102...第一光吸收層，103...雪崩層，104...場控制層，105...第二光吸收層，106...n-接觸層，107...p接觸，108...n接觸。

權利要求書(按照條約第19條的修改)

1.一種雪崩光電二極管，包括：由p型半導體制成的p接觸層；

形成在所述p接觸層上并由以在操作電壓下不引起耗盡的濃度摻雜有p型雜質的p型半導體制成的第一光吸收層；

形成在所述第一光吸收層上的雪崩層；

形成在所述雪崩層上的場控制層；

形成在所述場控制層上的第二光吸收層；

形成在所述第二光吸收層上并由n型半導體制成的n接觸層；

連接到所述p接觸層的p接觸；以及

連接到所述n接觸層的n接觸。2、根據(jù)權利要求1所述的雪崩光電二極管，其中，所述第一光吸收層和所述雪崩層形成為面積比所述n接觸層的面積大。

2.根據(jù)權利要求1所述的雪崩光電二極管，還包括布置在所述p接觸層和所述第一光吸收層之間并由p型半導體制成的擴散阻擋層，其中所述擴散阻擋層的導帶端部高于所述第一光吸收層的導帶端部。

3.根據(jù)權利要求1至3中任一項所述的雪崩光電二極管，還包括布置在所述第二光吸收層和所述n接觸層之間并且由帶隙能量大于所述第二光吸收層的帶隙能量的半導體制成的邊緣場緩沖層。5、根據(jù)權利要求1至4中任一項所述的雪崩光電二極管，還包括布置在所述雪崩層和所述第一光吸收層之間并且由帶隙能量大于所述雪崩層的帶隙能量的p型半導體制成的p半導體層。

4.根據(jù)權利要求1至4中任一項所述的雪崩光電二極管，還包括在所述雪崩層和所述第一光吸收層之間形成并實現(xiàn)為p型的p場控制層，

其中，形成在所述雪崩層和所述第二光吸收層之間的所述場控制層實現(xiàn)為n型，以及所述第一光吸收層中的雜質濃度從所述p接觸層的一側到所述第二光吸收層的一側朝著所述第二光吸收層降低。