高速半导体光电探测器制造技术

本发明专利技术涉及一种半导体雪崩光电探测器（１０），它包括基本上不掺杂质的放大层（１４）；薄且不掺杂质的光吸收层（１６）；以及掺杂质的波导层（１７），该波导层与光吸收层相分离，并且能够将入射光引入到光吸收层。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体光电探测器，尤其涉及雪崩光电探测器。光电子装置由于其巨大的信息处理能力而主要用于通信网络，正在受到极大的关注。构成网络整体所必要的一部分就是半导体光电探测器，它可以将入射光转换成电信号。一种标准型的光电探测器是PIN二极管，它包括一个本征半导体光吸收层，夹于N型与P型半导体层之间。这种装置存在的一个问题在于，本征光吸收层相对来说较厚(通常为200～400nm)，这限制了由入射光产生的电子和空穴的传输时间，因而限制了装置的速度。最近，有人提出减小该装置的本征层厚度并将它夹于两层波导层之间，以便增加吸收长度。这种装置仍然会受到传输时间的限制，因为本征区定义为包括向该装置施加偏压产生的电场的区域，它包括波导层的厚度。还有人提出通过波导将光引入到标准PIN装置的本征区。另外一种光电探测器是波导雪崩光电探测器。作为本征层的一部分，这种装置通常包括不掺杂质的吸收和波导层、掺杂质的电荷层和不掺杂质的放大层。另外，这种装置的本征层相当厚，通常大约为700nm到1000nm，这限制了传输时间。因此，我们希望提供一种光电探测器，它传输很快，以便该装置可以高速运行。本专利技术一方面涉及一种半导体雪崩光电探测器，它包括一个基本不掺杂质的放大层，一个薄且基本上不掺杂质的光吸收层以及一个掺杂质的波导层，波导层与光吸收层相分离并且能够将入射光引入到光吸收层。另一方面，本专利技术涉及一种制造雪崩光电探测器的方法以及一种包括雪崩光电探测器的网络和接收机。在下面的描述部分中将详细描述本专利技术的上述和其它的特征。在附图中附图说明图1是根据本专利技术一个实施例的雪崩光电探测器的横截面图；图2是图1所示装置的俯视图；以及图3是包含图1和图2所示装置的网络一部分的原理图。应该可以理解的是，由于仅仅是为了解释说明，这些附图没有必要按照比例绘制。图1和图2中示出了按照本专利技术制造的一种典型的装置。在图1所示的横截面图中，从观看者朝向图面的方向，光(由图2中的箭头表示)入射到装置的一侧。根据本实施例的本专利技术是一个半导体雪崩光电探测器10，它包括基本上不掺杂质的放大层14，薄的、基本上不掺杂质的光吸收层16，以及掺杂质的波导层17，波导层17与光吸收层16分离并且能够将入射光引入到光吸收层。详细地说，装置10通常是在一个半导体基底11之上形成的，在这种情况下，半导体基底11最好是半绝缘的InP。通过标准技术，如金属有机化学蒸汽沉淀(MOCVD)，或者其它众所周知的技术，在基底之上，连续形成外延半导体层12-18。第一层是覆层12，它最好是N型InP材料，其厚度典型地为400～1000nm，并且在本例中掺杂密度大约为2×1018cm-3。在覆层12之上形成一层N型掺杂的电荷层13，本例中采用的是InAlAs。这层的典型厚度是200nm，并且在本例中掺杂密度大约为2×1018cm-3，以便能基本上防止电荷载体进入覆层和基底。还可以这样理解，虽然在本实施例中最好采用电荷层13和覆层12，但是它们对于本专利技术并不是必需的。在电荷层13之上形成放大层14，它基本是不掺杂质的(本征的)。应这样理解，在上下文中“不掺杂质”指的是不是有意掺杂质，而且这一层可包括一些少量N型或者P型掺杂物(小于1×1017cm-3)的本底掺杂。在这个实施例中，层14由InAlAs组成。但也可以是其它任何半导体材料，例如InP，它可提供该装置产生的自由载体的倍增以响应入射光。层14的典型厚度在200至1000nm范围内。第二电荷层15最好在放大层14之上形成。这层最好掺杂P-导电型杂质，其密度在7×1017cm-3至2×1018cm-3范围内。在这个实施例中，层15由InAlAs组成，其厚度最好在50～100nm的范围内，并且用于保护吸收层免受在装置工作期间放大层产生的强电场的影响。其它合适的材料还包括InP。在电荷层15之上形成的是一层薄且基本上不掺杂质的吸收层16。在本实施例中，层16由InGaAs组成，但也可以采用其它任何半导体材料，它可以吸收入射光，并且可以在随后的响应中产生自由载体。这层的厚度预期在50～100nm的范围内。在吸收层16之上形成透明的波导层17。该波导层最好掺P-导电型杂质，其密度在7×1017cm-3至1×1018cm-3范围内。在本实施例中，波导层最好由InGaAsP组成，但也可以采用其它折射系数更高的材料，而且是与即将描述的覆层18相匹配的栅格。该波导层的厚度最好为200～400nm。最后，是一层P型掺杂质的包覆层18，它形成于波导层17之上。在本实施例中，层18由InP组成，但也可以采用比波导层折射系数低的其它材料。覆层18的典型厚度在1000～2000nm的范围内。通过覆层18之上的金属层19，以及N型覆层12之上的金属层20和21，提供与覆层18的电接触。接触带状线23和24将金属层19与金属层20和21电连接。如附图2示意，与N型覆层13的电接触是通过在暴露覆层13的装置的刻蚀台阶上形成的金属层22提供的。金属层19-22可以是金合金的，或是其它任何导电材料，它可形成一个与半导体材料相接触的欧姆触点。可以这样理解，该接触方案仅仅是可用来接触该装置的许多可能技术中的一种。可以理解的是，在运行时，在朝向图1的纸面方向上，当光穿过波导层17时，一个反向偏压通过触点20-22施加于该装置。当光沿着波导层17移动时，光与吸收层16耦合，导致在吸收层中产生自由载体(电子和空穴)。这些载体被施加的电场清除出吸收层16，而在放大层14中，由于碰撞电离电子数量增加。这种电子数量的倍增可以通过与触点20-22相连的电路(图中未示出)来进行探测。也可以采用其它额外的或者可选的结构。图3示出了一个可以采用前述装置10的典型光纤网络的一部分。最好包括一个半导体激光器(图中未示出)的一个发送器30通过光纤31发送一个或多个波长的光波。光纤31将光引入到包括雪崩光学探测器10的光学接收器32，。由光电探测器10产生的响应光的电流最好电耦合互阻抗放大器33，该放大器放大电信号并且将电流转换成一电压信号，它作为数据信号耦合其余接收机和网络的其它部分。可以这样理解，本专利技术的一些优点在于波导层17与吸收层16相分离。也就是说，由于波导层现在是分离且掺杂质的，那么就基本没有电场穿过该层，因此也就不再是该装置本征区的一部分。相反，该本征区包括层14-16。这意味着本征层的厚度可降低到300-500nm的典型值。这又降低了载体的传输时间，导致装置速度更快。例如，在典型的现有技术APD中，吸收层和波导层至少为350nm用于进行有效波导，电荷层约为50nm，而放大层约为200nm，这使得本征区的厚度大约为600nm。传输时间限制的带宽与本征区的厚度成反比，在这种装置中大约是38GHz。在本专利技术的一个例子中，吸收层16的厚度降低到50nm，而本征层的厚度(层14-16)降低到300nm。使得传输时间限制的带宽大约为76.6GHz。希望该传输时间限制的带宽至少为40GHz。另外，与在上述现有技术的实例中光吸收分布在较厚波导吸收层的头几微米相比，由于本实例中光吸收分布在吸收层的头50微米，因此这种设备的处理能力提高了25倍。最后，波导层和吸收层的分离改善了独立于波导设计考虑的吸收本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体雪崩光电探测器（１０），包括：基本上不掺杂质的放大层（１４）；薄的、基本上不掺杂质的光吸收层（１６）；和掺杂质的波导层（１７），该波导层与光吸收层相分离，并且能够将入射光引入到光吸收层。

【技术特征摘要】
US 2000-1-28 09/493,7581.一种半导体雪崩光电探测器(10)，包括基本上不掺杂质的放大层(14)；薄的、基本上不掺杂质的光吸收层(16)；和掺杂质的波导层(17)，该波导层与光吸收层相分离，并且能够将入射光引入到光吸收层。2.根据权利要求1的装置，还包括与放大层一个表面相邻的第一电荷层(13)以及与放大层另一个表面相邻的第二电荷层(15)。3.根据权利要求1的装置，其中吸收层的厚度在50-100nm的范围内。4.根据权利要求1的装置，其中该装置有一个本征区(14-16)，该区域包括吸收层和放大层，该本征区的厚度在300至500nm的范围内。5.根据权利要求4的装置，其中本征区还包括电荷层(18)。6.根据权利要求1的装置，其中吸收层由InGaAs组成。7.根据权利要求6的装置，其中波导层由InGaAsP组成。8.根据权利要求7的装置，其中放大层由InAlAs组成。9.根据权利要求1的装置，其中该装置的传输时间限制的带宽至少为40GHz。10.根据权利要求1所述的装置，其中波导层掺杂质的密度在7×1017cm-3至1×1018cm-3范围内。11.一种制造雪崩光电探测器的方法，包括以下步骤在基底之上形成基本上不掺杂质的放大层(14)；在放大层之上形成薄的、且基本上不掺杂质的光吸收层(16)；和在光吸收层之上形成分离的、掺杂质的波导层(17)，该波导层能够将入射光引入到光吸...

【专利技术属性】
技术研发人员：艾伦优吉恩邦德，
申请(专利权)人：朗迅科技公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]