[发明专利]纳米结构的光电二极管

说明书

技术领域

本发明涉及包含纳米线作为pn或pin结一部分的光电二极管和雪崩光电二极管。

背景技术

光电二极管（PD）是这样类型的光检测器，其能在暴露于光或其它电磁能时产生电荷载子（charge carrier）。雪崩光电二极管（APD）是另一种类型的光检测器器件，其进一步产生电荷载子，包括倍增电荷载子，即内部电流增益效应，其能够获得高灵敏度。下文中，当讨论两种类型光检测器的共同特征时，PD和APD将共同简称为光电二极管。

使用传统平面技术制造的半导体光电二极管在两个电触头（contact）之间包括垂直pn结，即p型半导体层在n型半导体层上，或者垂直p-i-n结，即在p型和n型层之间存在一个或多个中间本征或低掺杂半导体层。通过向雪崩光电二极管的p-i-n结施加反偏压以引起高电场下的雪崩倍增，雪崩光电二极管对从所吸收的光所产生的光电流执行放大。公知的是，半导体光电二极管的性能受限于高暗电流和噪声。典型地，APD的p-i-n或p-n结的不同部分由不同材料形成，以便提升例如光吸收区域和雪崩倍增区域的性能。例如，Si提供了低噪声特性，但限制了可检测的波长。然而，对器件泄露电流（即，暗电流）的一个重大贡献源自于器件层中相当高的缺陷密度。当通过外延生长或晶片接合来组合相对于例如晶格应变不兼容的器件层时，这是显著的。此外，APD还经受由于高电场所造成的边缘击穿。通过使用所谓保护环，可部分避免边缘击穿。然而，这限制了器件的有源区。

目前，灵敏的光检测器结构尺寸由于与表面积的增加不成比例的增长的暗电流而受限。另外，暗电流有随时间增加的趋势，这是因为半导体材料的降级导致的。最后，器件由于短路而出现失效。在诸如APD之类的高内部电场器件中这种效果特别显著，这是由于高电流水平将使降级加速。

发明内容

现有技术的大面积光电检测器具有关于高暗电流的缺陷，有限的灵敏度、可伸缩性、及由短路带来的有限可靠性。本发明的目的在于提供一种光电二极管，其可至少部分地克服现有技术的缺陷。

根据本发明的光电二极管包括由布置在两个触头之间的至少部分地由第一区域和第二区域所形成的p-i-n或pn结，第一区域由具有第一导电类型的半导体材料制成，第二区域由具有与第一导电类型相反的第二导电类型的半导体材料制成。p-i-n或pn结包括用于从所吸收的光产生电荷载子的光吸收区域。p-i-n或者pn结的一段包括一个或多个纳米线，它们被间隔开并布置为收集来自光吸收区域的电荷载子。优选地，纳米线从半导体衬底或从布置在半导体衬底上的表面层伸出，并且半导体衬底或表面层包括所述第一区域。

被提供在纳米线与所述第一区域和所述第二区域中的一个之间的由低掺杂或本征半导体材料制成的至少一个低掺杂区域实现光电二极管和雪崩光电二极管的改进设计和性能。

在本发明的一个方面中，提供了轴向光电二极管设计，其中第一导电类型的所述第一区域是半导体衬底或表面层中的掺杂区域，并且低掺杂区域被提供在所述第一区域和纳米线之间。

在本发明的另一个方面中，提供了径向光电二极管设计，其中低掺杂区域以及可选地掺杂区域被布置在核心壳配置中的每个纳米线上。

光电二极管并不限于这些轴向和径向设计。一个或多个低掺杂区域可被提供在纳米线的两侧上，并且纳米线一侧上的平面层可与纳米线另一侧上的径向层结合。

在根据本发明一个实施例的雪崩光电二极管中，p-i-n结部分地由低掺杂区域形成，该低掺杂区域由布置在半导体衬底或在半导体衬底上布置的表面层之中的第一导电类型掺杂区域上的低掺杂或本征半导体材料制成。低掺杂区域包括雪崩倍增区域和可选地光吸收区域。p-i-n结的另一个部分由一个或多个从低掺杂区域伸出的纳米线形成。纳米线可被掺杂以提供与第一导电类型相反的第二导电类型的第二区域，或者纳米线可被连接到邻近掺杂层，所述邻近掺杂层与纳米线在一起或独自地提供所述第二区域。

在根据本发明的雪崩光电二极管的另一个实施例中，通过第一低掺杂层、纳米线、以及布置在第二低掺杂层上的第二导电类型的第二掺杂层形成了p-i-n结，其中第一低掺杂层由布置在位于半导体衬底或表面层中的、第一导电类型的第一掺杂层上的第二导电类型的低掺杂或本征半导体材料制成，所述纳米线穿过电介质层中的开口伸出到与第一导电类型相反的第二导电类型的低掺杂或本征半导体材料的第二低掺杂层。通过第二低掺杂层提供光吸收区域，并且通过第一低掺杂层来提供雪崩倍增区域。从在第二低掺杂层中吸收的光所产生的电荷载子由纳米线来收集并且由于反偏压而被传输给第一低掺杂层。