专利名称：光电能量转换器的利记博彩app
技术领域：
本发明总的来说涉及将光功率变换成电功率的装置，尤其是，涉及含有电流阻挡层 的分块式半导体光功率转换装置。
背景技术：
在许多应用中都有使用将光功率转变成电功率的装置，其中最为公众所知的可能是 将阳光转变成电能，其中一般使用硅基光电电池(也被称为光电池或太阳能电池)。在 这类应用中， 一般使用具有相对大的感光区域的光电电池阵列。在这类应用中，光功率可以由高功率激光提供，并通过光纤将所述光功率传送至所 述模块中，其中，光功率信号被转换成电功率信号。在这类应用中，所述光一般以高密 度受限红外光束的形式进入，并且相应于典型光纤的低吸收窗口，所述光束的波长一般 在900nm - 1600nm的范围内。在这类应用中的光功率转换器具有相对小的感光区域， 优选采用几平方毫米或更小的圆形感光区域，并且所述光功率转换器基于复合半导体， 所述复合半导体(如InP、 GaAs以及它们的合金)比硅更适于吸收红外光。这类基于 GaAs的装置的一个例子在授权给Virshup的美国专利5,342,45中公开，在此通过参考将 其结合于本申请中 正如Virshup的专利文件以及本申请说明书附图1 (该附图1是Virshup的专利文 件图2的再现)中所描述的，典型的半导体光功率转换器含有p-n结20，所述p-n结20 形成于基极层16和发射极层18之间，所述基极层16可以是典型的n极层，所述发射 极层18可以是典型的p极层。所述基极层16和发射极层18被夹在被置于绝缘衬底12 上的高导电性緩冲层14和高导电性光学透窗层22之间，在所述光学透窗层22之后可 以加上较厚的导电层24。保护层(图1未显示)位于透窗层上，并且如金属栅格线的电接触头(图1未显示)被沉积在所述保护层上。在所述金属栅格线间(典型的如3微米 窄的栅格线)蚀刻去除保护层，使得入射光可以穿过透窗层并被下面的p-n结20吸收。 为了完成电路， 一般还要通过蚀刻技术腐蚀到p-n结的n区。蚀刻深度通常为几微米以 确保到达基极层16。 一旦当金属被沉积在暴露出来的n极层时，便可以在n极和p极之 间建立连接。当光子入射并被p-n结20吸收时，产生载流子，并且在p-n结产生电场的 条件下，所述载流子迁移并在电接触器处被收集以在其间产生电势差。通过连接外部电 路，便可提取电功率。单个p-n结可以传送的开路电压受限于所采用的半导体材料的禁带，并且所述可传 送电压一般小于l伏。通过以横向结构的形式将多个所述的p-n结串联，各个电压被累 加便可以产生达到或超过12伏的输出电压。为了制作这类单个p-n结元件， 一般在相 邻分块间进行蚀刻。所述蚀刻必须足够深以使这些p-n结彼此隔离，典型的深度为约25 微米。为了完成p-n结的串联，在相邻p-n结之间形成空气桥。所述空气桥的一边接到 p-n结的被暴露的n区，另 一 边接到相邻的p-n结的p区。对于光功率通过带有圆截面的受限光束传输的应用，如光功率由光纤发出，如图2 (该图2是Virshup专利文件图3的再现)所示，这些多个p-n结元件一般通过将半导 体芯片的圆形感光区域划分成多个扇形装置分块28来制作，所述分块28通过蚀刻槽26 而彼此隔离，并通过互连桥40串联连接；虽然图中显示了6个分块，但是典型的装置 可以具有2-16个或更多个分块。
发明内容
本发明的目的之一在于至少克服现有技术中的一些缺点，而提供改善的光功率转换 器，所述改善的光功率转换器具有较低的漏电流，较低的内阻和改善的光转换效率。本发明的另一个目的是提供一种工作在1.3pm到1.55pm波长范围的有效率的光功 率转换器。根据本发明，提供一种光电能量转换器，其包括，半导体材料基底，由所述基底支 撑的第一多层结构；所迷第一多层结构包括第一导电类型的半导体材料的第一基极层、 第二导电类型的半导体材料的第一发射极层和第二导电类型的半导体材料的第一导电 层；所述第一基极层位于所述基底之上并具有第一禁带；所述第一发射极层与所述第一 基极层相邻，所述第二导电类型与所述第一导电类型相反，从而在所述第一发射极层与域，所述第一发射极层具有等于或大于所述第一禁带 的第二禁带；所迷第一导电层被设置于所述第一发射极层之上，所述第一导电层具有宽 于第一和第二禁带中的任一个的第三禁带。第二导电类型的半导体材料的第一电流阻挡 层介于所述基底和所述第一多层结构之间。基极电触头被设置以用于与所述第一基极层 电连通，发射极电触头被设置于所述导电层上，用于和所述第一发射极层电连通，从而 响应于入射到所述第 一发射极层上的所选择波长的辐射而产生对于所述基极电触头的 相对电压。根据本发明的一个方面，所述第一发射极层和所述导电层中的至少一个被掺碳，从 而使受主掺杂浓度范围在2x1018到lxlO'W3。本发明的光电能量转换器可以进一步包括多个沟槽，所述沟槽延伸通过所述第一多 层结构和电流阻挡层，而且进一步部分延伸进入基底，从而形成多个由所述基底支撑的 空间上分离的装置分块；每一个所述装置分块包括第一金属触头和第二金属触头，所述 第一金属触头用于与装置分块内的第一基极层电连通，所述第一金属触头被设置于所述 第一发射极层的开口中的第一基极层上，所述第二金属触头被设置于所述装置分块的导 电层之上，用于和所述第一发射极层电连通。提供有多个电互连器，用于将每一个且仅 一个第一金属触头电连接到各自相邻的第二金属触头，从而形成串联连接的装置分块 链，其中，所述第一金属触头中未连接于任一第二金属触头的一个第一金属触头为基极 电触头，所述第二金属触头中未连接于任一第一金属触头的一个第二金属触头为发射极 电触头。根据本发明的一个方面，所述基底，第一基极层和发射极层中的每一个的半导体材 料均为GaAs,所述导电层的半导体材料是AlGaAs和InGaP之中的一种合金。 [16]根据本发明的一个方面，所述基底和电流阻挡层的半导体材料是InP，所述第一基 极和发射极层的半导体材料是InGaAs和InGaAsP之中的一种合金，以及所述导电层的 半导体材料是InP和InGaAsP之中的一种合金。在本发明的一个实施例中，所述基底的半导体材料是掺杂水平小于10"cm—s的具有 大致本征电导的GaAs;所述电流阻挡层包括p掺杂GaAs,所述p掺杂GaAs的受主掺 杂浓度范围在5x1017到lx1019 cm-3，厚度范围是O.l到0.3|im;所述緩冲层包括n摻 杂GaAsp,所述n掺杂GaAs的施主掺杂浓度范围在5x1017到2xl018cm-3，厚度范围是 1到10 所迷第一基极层包括GaAs和铝掺杂浓度不超过35。/。的AlGaAs合金中的 一种，其施主掺杂浓度的范围是5x1017到lxl019cm-3，厚度范围是l到3pm;所述第
7一发射极层包括GaAs和铝掺杂浓度不超过35%的AlGaAs合金中的一种的碳掺杂层， 其厚度范围是0.6到l|im,受主掺杂浓度范围在2xl018到5xl018cm-3;以及，所述导 电层为p型，包括以下的其中一个Zn或Be掺杂InGaAsP,和铝掺杂浓度不超过35% 的碳掺杂AlGaAs,以及所述导电层具有的禁带宽于所述第一发射极和基极层的禁带， 厚度范围是l到3,,施主掺杂浓度范围是2x1018到2xlO'W3。 [18]在本发明的另一个具体实施例中，所述基底的半导体材料是半绝缘铟磷酸盐(InP ); 所述电流阻挡层包括受主掺杂浓度是5x1017 cm,3或更高的p掺杂InP,厚度范围是0.2 到0.3pm;所述緩沖层包括施主掺杂浓度是5xl017 cn^或更高的n掺杂InP,厚度范围 是5到lOpm;所述第一基极层包括与InP晶格匹配的InGaAs合金，其施主掺杂浓度 是5xlO口crr^或更高，厚度范围是l到3所述第一发射极层包括与InP晶格匹配 的p掺杂InGaAs合金，其受主掺杂浓度是2xlO"cm's或更高，厚度范围是0.5到L5pm; 以及，所述导电层包括施主掺杂浓度是2x1018 cm-3或更高的p掺杂InP，其厚度范围 是1.5到2.5 ,。
下面将结合代表本发明优选实施例的附图更详细的描述本发明，其中，相同的参考 标识用于指示相同的器件，其中图1是现有技术下的半导体光能量转换器的层结构示意图； [21]图2是现有技术下的分块式半导体光能量转换器的平面图；图3是^4居本发明的一个实施例的光电能量转换器的平面图，所述光电能量转换器 含有中心部分；图4是图3所示的光电能量转换器的沿A-A线的截面图，以说明其示例性层结构；图5是图3和图4所示的光电能量转换器的沿图3中B-B线的截面图；图6是^4居本发明的一个实施例的光电能量转换器的平面图，所述光电能量转换器 含有独立可寻址中心部分；图7是图6所示光电能量转换器的一个示例性实施例的沿图6中C-C线和D-D 线的截面图；[27]图8是图6所示光电能量转换器的另一可选实施例的沿图6中C - C线和D - D线 的截面图；图9是根据本发明的GaAs/AlGaAs光电能量转换器在50mW光照条件下的电流-电压(I-V)特性和输出功率-电压(P-V)特性的曲线示意图；图10是#4居本发明的InGaAs/InP光电能量转换器在波长1430nm,强度100mW的 光照条件下的电流-电压(I-V )特性和输出功率_电压(P-V )特性的曲线示意图。
具体实施例方式下面首先参照图3、 4和5对本发明的光电能量转换器(PPC)的示范实施例进行 描述。首先参见图3, PPC50含有多个装置分块51-55，所述分块以圆形组合方式排列， 其具有中心部分或中心分块55和多个设置在所述中心分块55周围的分块51-54,所述 多个分块围绕所述中心分块55而形成环状结构。分块51-54以及中心分块55通过窄 沟槽100和200而彼此隔离，各分块51 _ 54在此又被称为环状分块。环形或通常为无 间断的沟槽200将中心分块55与其他环状分块51 - 54隔离，而沟槽100从沟槽200处 径向延伸并将各环状分块51-54彼此隔离。沟槽100和200在外延生长的半导体晶片 内采用蚀刻技术领域中已知的具有高纵横比的方法进行蚀刻，所述具有高纵横比的蚀刻 方法例如反应式离子蚀刻法(RIE)。电互连器70在接触垫61和62之间将分块51 -55串联，电互连器70将以空气桥的形式在下文中进一步详细描述，以使所述装置被适 当波长的光照射时每个分块上可以产生电压，从而每个分块上产生的电压被累加，以在 接触垫61和62之间产生分别较高的输出电压V。ut。虽然图3中所示的PPC 50只有四 个环状分块，但其他实施例中含有的环状分块可以低于或可以高于图3中所示环状分块 的数量，以便提供较高的输出电压。通常，基于较低能隙材料的装置将需要更多的装置 分块以实现例如6V的所期望的输出电压值V。ut 。例如，下文中描述的InP基装置可能 具有12个或更多个装置分块，而GaAs基装置可能适合于配置5个装置分块。图4是图3中所示PPC 50的沿"A - A，，线的部分截面图，用以说明PPC 50的层结 构；所迷层结构包括一个半绝缘或绝缘基底130,第一电流阻挡层131,以及第一多层 结构30,所述第一多层结构30依次包括第一半导体材料的第一电导类型的緩冲层132，具有第一能隙的第一半导体材料的第一电导类型的第一基极层133,具有第二能隙的第 二半导体材料的与所述第一电导类型相反的第二电导类型(以在其间形成p-n结区域
129)的第一发射极层134，以及第三半导体材料的第二电导类型的导电层136。所述第 一和第二半导体材料用于吸收入射光并在发射极层和基极层产生少数光诱导载流子，然 后通过p-n结区域129的电场将所述光诱导载流子吸入邻近的发射极层或基极层，在所 述邻近的发射极层或基极层内少数载流子成为多数载流子并且为所述第一发射极层134 和基极层133充电，所述第一发射极层134和基极层133将在下文中被称为第一活性层， 其具有相反极性的电荷从而产生光诱导电压。导电层136的第三半导体材料对入射光是 透明的并且含有第三禁带，所述第三禁带宽于形成第一基极层133的第一半导体材料和 形成第一发射^l层134的第二半导体材料中的任何一种材料的禁带。可选地，对入射光 透明的第二导电类型的接触层或保护层101可被沉积于导电层136上方，以便有助于与 第一金属触头60和栅格线(未在图中示出)形成较好的欧姆接触。所述术语"禁带 (bandgap)"和"能隙(energy bandgap)"在本申请中可互换使用，指半导体材料中价带 顶部和导带底部之间的能量差异。位于基极层133下方的緩冲层132相对厚于基极层133和发射极层134。在操作中， 緩冲层132起到第二导电层的作用以有助于所述第一极的光生载流子移动至各自的第一 金属触头65;緩沖层132具有低表面电阻，优选小于1欧姆/cm2。基底130和第一电流 阻挡层131可以采用第一半导体材料，即与緩沖层132和第一基极层133的材料相同， 以有助于具有低缺陷密度的高品质基极层133的外延生长，所述缺陷将造成光诱导载流 子的非辐射复合。所述第二半导体材料，即所述第一发射极层的材料优选采用与所述第 一半导体材料相同或高于其的禁带并且实际上与所述第 一半导体材料具有相同的晶格 常数。基底130应该具有高电阻系数以便阻止緩冲层132中流动的光生载流子穿过基底 130而渗漏，所述载流子的渗漏将减少PPC 50的输出电压并且因此降低PPC 50的性能。 因为未掺杂质且具有本征导电性的最适合的半导体材料制成的高品质基底仅是半绝缘 性的，所以，基底130可以是由所述第一半导体材料制成的固有绝缘或半绝缘基底，所
述第一导体材料优选具有不小于107欧姆/厘米的电阻率。对于基底的选择，优选未掺杂质GaAs或InP基底，所述GaAs或InP基底的本底掺杂不超过10 cm'。这样的本底 掺杂将确保基底内没有直流传导，但是不能阻止基底内不希望出现的光诱导电流传导。有利之处在于，根据本发明，第一电流阻挡层131被插入在半绝缘层基底130和緩 冲层132之间，第一电流阻挡层131具有与緩冲层132的第一电导类型相反的第二电导 类型，并因此与緩冲层132形成一个p-n结127,所述p-n结127阻止緩沖层132的多 数载流子流入基底130,以便进一步抑制所述装置的分块之间通过基底130的渗漏电流。 位于电流阻挡层131和緩冲层132之间的p-n结127在下文被称为电流阻挡结127或第 一电流阻挡结。尽管在根据本发明的其他实施例中第一电导类型可以是p型电导，而第二电导类型 是n型电导，但是在此所述的实施例中的第一电导类型是n型电导，而第二电导类型是 p型电导。所述n型是指掺有掺杂材料或提供施主杂质的的半导体材料的电导，所述半 导体材料中的大多数载流子为电子；所述p型是指掺有掺杂材料或提供受主杂质的半导
体材料的电导，所述半导体材料中的大多数载流子为空穴。当术语"n (p)-型"和"n (p) -掺杂，，指半导体材料的各自电导类型时，在此可以互换使用。下文中所使用的"掺杂级" 指n型半导体材料中施主杂质的净浓度，或指p型半导体材料中受主杂质的净浓度。所述第一基极层可以掺有浓度范围在5xl017cm—3至lxl019cm—3的施主杂质。所述 第一基极层可以掺有浓度高于5xl017cm—3的受主杂质，或优选掺有浓度范围在2xl018 至lxl019cm—3的受主杂质，或最优选为掺有浓度范围在3xlO"至5xlO"cm'3的受主杂 质。在其他实施例中，所述第一基极层可以掺有的施主杂质浓度从远离p-n结区域129 至电流阻挡层131逐渐增加，其浓度范围从小于2x10 cm到至少为2x10 cm 。类 似地，所述发射极层的受主杂质从远离p-n结区域129至导电层136逐渐增加，其浓度 水平从小于2xl0"cm到至少为2x10 cm 。在第一优选实施例中，基底130、电流阻挡层131、緩冲层132、第一基极层133 以及第一发射极层134的半导体材料采用砷化镓(GaAs),导电层136和可选透窗层 135的半导体材料采用InGaP和AlGaAs中的一种或两者，以及所述可选保护层的半导 体材料采用砷化镓(GaAs)。
11[39]更具体的，基底30由实质上不掺杂的GaAs所形成，基底30的本底掺杂级不超过 1015cm—3并且可以具有几百微米的厚度，例如厚度范围在350微米至650微米之间。电 流阻挡层131在基底30上外延生长，并且电流阻挡层131的半导体材料是p-型GaAs， 所述p-型GaAs的受主杂质浓度范围在5><1017cm—3至l><1019cm'3之间，或者例如浓度 大约是2xl018cm—3，并且厚度范围在0.2至0.3微米之间例如0.25微米。緩冲层132外 延生长于电流阻挡层131上，所述緩冲层132的半导体材料是n型高掺杂GaAs,并且 所述n型高掺杂GaAs的施主浓度范围在5x10 cm至2x10 cm之间，并且厚度范 围在1至10微米之间，例如5微米。第一基极层133外延生长于緩冲层132上，所述 第一基极层133的半导体材料也是n型GaAs,所述n型GaAs的施主浓度范围在5><1017 cm至2xl0 cm之间例如lxlO cm ,并且厚度范围大约为3微米。第一发射极层 134外延生长于第一基极层133上，并且所述第一发射极层134的半导体材料是p型 GaAs,所述p型GaAs的受主杂质浓度范围在2x10 cm至lxlO cm之间，优选在
3xl018 cnT3至5xl018 cm'3之间，并且厚度范围在0.2至1微米之间，例如0.8微米。所 述p-n结区域129形成于第一基极层133和第一发射极层134之间。可选透窗层135外延生长于第一发射极层134上，并且所述可选透窗层135的半导 体材料是GaAs的第 一合金，例如AlGaAs或更具体的是AlxGa] -xAs,所述A^Ga!-xAs 合金中铝的相对含量x〉 50%,例如jc = 80%。可选透窗层135具有与第一发射极层134 相同的或更高的p型电导。之所以选用AlGaAs是因为其对于PPC 50工作的所选辐射 波长的光透率，以及由于第一发射极层134的钝化，从而减少第一发射极层134与其后 层的界面上的光诱导载流子的非辐射复合率。可选透窗层135的受主杂质浓度可以为 5><1018cm-3并且其厚度范围可以在0.02至0.1微米之间，例如0.08微米。导电层136可以高掺杂浓度的p极层，所述高掺杂浓度的p极层的受主杂质浓度范 围在2x10 cm 至2xl0 cm之间，并且优选为3x10 cm或者更高，以降低导电层 136的表面阻抗。导电层136的半导体材料可以是AlGaAs的第二合金，例如AlxGai-xAs, 所述AlxGa!.xAs中铝的相对含量少于50%,，例如20%，并且其厚度范围在1至3微米 之间，例如2微米。导电层136的AlGaAs的第二合金中的铝含量x应该足够高，以确保导电层136对于所选波长的入射辐射的光透率。另一方面，减少所述导电层的所述铝 含量有利于降低其表面阻抗，因为减少了所述导电层的不希望出现的氧化。因此，根据本发明的一个可选实施例，利用不含铝的导电层136,例如InGaP合金 的p-掺杂层，所述InGaP合金例如是IiixGa卜xP的合成材料，其中x的范围在0.5至0.54 之间。所述层可以在铝含量超过50%的AlGaAs第一合金的可选透窗层135上外延生长， 或可以直接在p-掺杂GaAs的第一发射极层134上外延生长。本发明的另一方面涉及将碳(C)用作优选的掺杂材料，所述碳(C)掺杂材料用 于本发明的优选实施例的PPC 50的p-掺杂层，所述p-掺杂层如电流阻挡层131、第一 发射极层134、可选透窗层135以及导电层136，所述碳(C )掺杂材料用以代替较为传 统的p-掺杂材料如铍(Be)和锌(Zn),所述铍(Be)和锌(Zn) —般用于GaAs基 和InP基光电设备。有利的是，所述碳(C)掺杂材料的使用可以加强p-掺杂第一发射 极层134中和跨越p-n结区域129的电场强度以及增加所述PPC的内部量子效率。传统
掺杂剂，如锌，在大于5><1017<:111'3的高掺杂级时可能出现有害的效应，如少数载流子 的寿命降低，然而所述碳(C)掺杂将不会产生所迷有害效应，或者至少将有害效应大 大减小。所述碳(C)掺杂使得高度掺杂GaAs或InGaAs的半导体材料可以很好地保持 少数载流子的寿命并且因此有助于活性层133/134实现高量子效率，即高比例光生电子 和空穴在无非辐射复合情况下离开所述p-n结区域129。因此，将碳作为掺杂材料，第 一发射极层134的p-掺杂级可以在大体上没有降低所述装置的量子效率条件下达到
5xl018cm—3。与之相反，采用如锌的传统掺杂材料在高掺杂级，如大于2xl0^cm'3时， p-n结区域129的p极层将产生额外的非辐射复合中心并且降低少数载流子寿命，从而 导致量子效率的降低并且导致所述PPC所产生的光电流和/或输出电压变小。此外，半 导体宿主材料中的碳离子空间分布较传统受主杂质如Zn和Be更具稳定性。通过这种稳 定性，碳掺杂可以在所述p-n结区域129的p极部分和n极部分之间形成更陡的高梯度 界面，有助于使p-n结获得更强的电场并且使得从p-n结内迁移出的光生少数载流子的 迁移率更高，有利于产生光生电流。导电层136的所述碳掺杂可以通过提供具有高掺杂 级的较高品质材料以降低导电层136的表面阻抗，尤其是所述较高品质材料与所述导电 层136中含有较少铝的InGaP材料结合使用时更有利于降低所述表面阻抗。
13[44]上述实施例是直接将光转变成电功率，所述光波长范围在0.8至0.9微米之间，通 过所述导电层的GaAs的禁带和AlGaAs/InGaP的禁带所详细说明，其中所述基极层133 和所述发射极层134的半导体材料是GaAs。本领域技术人员可以判断出无论短波光或 长波光可以通过所述PPC 50被转换，所述PPC 50通过使用与所述GaAs基底相匹配的 AlGaAs或InGaAs合金层栅格作为所述緩沖器132和所述发射极层134,并且适当调整 所述导电层136的金属沉积。例如，铝含量x从5%至35%的AlxGa(1、x)As合金可以被 用于所述第一活性层133和134，并且其他铝含量较高的AlxGa(卜x;)As合金或InGaP合 金可以被用于所述导电层136,所述合金相对于所述第一活性层133和134的半导体材 料具有更高的禁带。通过在GaAs基底上使用AlGaAs或InGaAs生长制作所述第一活性 层133/134,所述PPC50被制造适用于光波长范围大约从0.7微米到大约1.3微米。所 述导电层136的禁带可以在0.15 eV和0.5 eV (电子伏特)之间，高于所述发射极层134 的禁带，以便确保所述导电层136用于被所述第一活性层133/134层所吸收的入射光的 光透率。所述PPC50的其他实施例使用层结构，所述层结构在磷酸铟(InP )基底上外延生 长，并且所述PPC 50适用于转换波长范围在1.2微米至1.6微米之间的光，大多数商业 光纤在所述波长范围内都具有低光损。例如，所述其他实施例中一例，所述PPC50可 以在其层结构里使用下述半导体材料。所述基底130的半导体材料是半绝缘体InP，所
述半绝缘体InP掺有含量为1016cm'3的铁(Fe)杂质并且具有107ohm/cm的高电阻系数。 所述电流阻塞层131是掺有杂质的p型InP层，所述p极层的厚度范围在0.2微米至0.3 微米之间，例如0.25微米，并且掺杂级为5><10170^3或更高；所述緩冲层132是掺有 InP杂质的n极层，所述n极层的厚度范围在5微米至IO微米之间，例如7微米，并 且掺杂级为5xl0ncm^或更高；所述第一基极层133的半导体材料是n极InGaAs合金 层，所述InGaAs合金层与InP层晶格匹配并且其厚度范围在1微米至3微米，例如3 微米，并且施主杂质浓度为5xl017cm—3或更高；所述第一发射极层134是p极InGaAs 合金层，所述InGaAs合金层与InP层晶格匹配并且其厚度范围在0.5微米至1.5微米， 例如1微米，并且受主杂质浓度范围为2x10 cm至1x10 cm之间或者优选范围在 3xl018cm—3至5xl018cm—3之间并将碳杂质作为优选掺杂材料；所述导电层136是掺有 InP杂质的p极层，所述p极层的厚度范围在1.5微米至2.5微米之间，例如2微米，并且受主杂质浓度范围在2x10 cm至2x10 cm之间，并且优选浓度范围超过
3x10 cm 。例如，p极InP层131和136的掺杂材料可以是Be。所述接触层101的半 导体材料是p极InGaAs合金层，优选碳杂质作为掺杂材料，并且掺杂级大约为2x 10l8cm-3 或更高，并且所述p极层的厚度范围在0.1微米至0.2微米之间。参见图3，所述PPC 50的所述装置分块51-55通过前述层结构的PPC晶片通过形 成的所述沟槽100和200制造，所述沟槽100和200延伸超过所述第一多层结构30和 所述电流阻塞层131，并且部分延伸进入所述基底130，以使所述装置分块51-55之间 电隔离和空间隔离并且所述装置分块51-55通过所述基底支撑，所述基底至少是半绝缘
体，即含有的电阻系数不超过107 ohm/cm，以便与所述电流阻塞层131共同作用以减少 所述装置分块间的渗漏电流。所述沟槽的深度根据所述第一多层结构30的总厚度确定，并且范围可以在10微米 至20微米之间。所述沟槽100和200的纵横比应当适当提高以使入射光纤的分段最小 化，所述入射光纤的分段到达所述基底材料，所述基底材料位于所述沟槽的底部，所述 纵横比通过沟槽深575与沟槽宽573的比例确定，所述沟槽深和沟槽宽分别用"箭头"标
底材料电导系数不必要的增加，从而在所述装置分块间造成潜在的电导路径，所述电导 路径将导致所述PPC装置光转换率的降低。因此，所述沟槽100和200应当适当窄，并 优选所述沟槽宽范围在2微米至10微米之间，例如5微米或更小，并且所述沟槽100 和200的纵横比应当大于4且优选大于5。所述电流阻塞层131阻止所述緩冲层132内 的多数载流子从其流向所述基底，因此所述电流阻塞层131将阻止所述装置分块间的渗 漏电流通过所述基底130,将使所述PPC50装置的光转换率相对于不含所述电流阻塞层 131的相似装置的光转换率获得惊人的提高。所述术语"光转换率和功率转换率"在这可 交替使用，两者都定义为由所述PPC装置提供给外电路的电功率与所述PPC装置的入 射光的光功率的比值。在所述装置分块51-55的每一块分块中，第一金属触头65沉积在所述第一基极层 133上用于与所述第一基极层的电连通，并且第二金属触头60沉积在所述可选保护层
134的电连通。然后电互连器70以金属空气桥的形式将每个所述第一金属触头65与邻头进行连接但是每个空气桥只连接一个所述第 一金属触 头和一个邻近的所述第二金属触头，以使所有的所述装置分块51-55实现串联。当经过 选择的光投射到所述PPC 50上时，加入电压用以在所述第一金属触头和所述第二金属 触头处产生更高的总输出电压V。ut,所述经过选择的光通过所述第一活性层133/134的 吸收范围和所述导电层136的传输范围选择，所述电压产生于所述装置分块51-55的每 一块分块的p-n结区域129，所述第一金属触头和所述第二金属触头不与任何其他的第 一和第二金属触头保持连接。这些不与任何其他的第一和第二金属触头保持连接的所述 第 一金属触头和所述第二金属触头在此分别作为基极和发射极的电触头；所述触头可以 通过空气桥71连接至接触垫61和62以便连接到所述PPC 50的外电路。如图3所示的实施例，所述装置分块51的所述第二金属触头60可以通过空气桥 70连接到所述装置分块52的所述第一金属触头65，所述触点截面如图4所示。所述装 置分块51的所述第二金属触头60可以通过空气桥70连接到所述装置中心分块55的所 述第一金属触头65,所述装置中心分块55的所述第二金属触头60通过空气桥连接到所 述装置分块53的所述第一金属触头65。所述装置中心分块55的所述第一金属触头65 和所述第二金属触头60都具有环状结构并且涉及下文中的所述第一和第二触头。所述 中心触头60和65环绕所述中心分块55设置，所述中心分块55的所述第一环状触头65 邻近环状沟槽200并且所述第二环状触头60位于所述中心分块55内且紧邻所述第 一环 状触头65,如图5所示所述第一环状触头65位于开口 73内，图5是用于说明光电能量 转换器的层结构的截面图，所述层结构是沿着图3中所示划线B-B的截面图。所述第 一环状触头65处有一开口 61，空气桥70通过所述开口 61将所述第二环状触头60连接 至邻近设备分块的所述第一金属触头65处，所述第二金属触头通过另一个空气桥70连 接至所述最后的装置分块54的所迷第一金属触头。这种交互连接结构导致各所述装置 分块51、 52、 53、 54和55以一定的顺序串联，所述的串联方式获得在所述发射极电触 头和基极层电触头之间的输出电压V。ut，即在所述装置分块54的所述第二金属触头和 所述装置分块51的所述第二金属触头60之间产生输出电压，所述输出电压接近于所述 装置分块51 - 55每个分块p-n结处产生电压的总值。所述装置分块54和51通过空气 桥71保持与所述金属接触垫61 (如图3所示)和62的金属连接，所述金属接触垫61 和62分别作为所述PPC50的阳极和阴极。
16[50]所述第一和第二金属接触电65和60可以在单个金属镀层工序中沉积，所述金属镀 层工序完成后进行触头结构制作工序和空气桥70和71制作，如Virsh叩专利中所描述 的。所述装置分块51 - 54的外部更适于进行所迷第二环状触头60沉积，以便与所述保 护层101上的金属栅格线相重叠，而所述中心分块55没有任何金属栅格线并且各分块 相应的所述第二环形触头60直接在所述接触保护层101上沉淀。所述中心分块55的所 述第一和第二环形触头65和60的宽度应该适当的窄以便将所述中心分块55的所述接 触保护层101表面的大部分区域留给入射光。经由实施例可知，所述环形分块51-54的 外围圓周直径为1800微米，所述中心分块的圆周直径为250微米，以及所述环状触头 65和60的宽度范围在10微米到50微米之间。先沉积所述第一金属触头64,位于各装置分块中的所述第一基极层133在各装置 分块的选定位置暴露出来，优选接近沟槽，所述沟槽可以将所述第一基极层133与邻近 装置区域隔离，通过可选择蚀刻法，从所述多层结构30的顶部蚀刻至所述第一基极层 133的上方以便在形成开口 73 ，并在所述第 一发射极层134中沉积所述第 一金属触头65, 如图4所示，图4是用于说明图3中所示光电能量转换器的层结构的截面图，所述层结 构是沿着图3中所示划线A-A的截面图。本发明中所述PPC50的装置分块布局具有新颖的技术特征，与图1中现有技术下 的"扇形楔"相比有利于提供更高的光功率转换效率，在本发明所述装置分块布局中装置 分块55位于中心处并由一组装置分块51 - 54环绕，所述装置分块51 - 54在中心分块 55周围沉淀，图1的现有技术中所迷沟槽26全部会聚于所述PPC的中心以在所述装置 感光表面的中心有效的形成一个空心。所述现有技术严重的影响现有技术条件下的光能 量转换器的转换效率，其中入射光以光束的形式进入，所述光束的密度从光束轴向外递 减，例如从单模光纤中发出的高斯或类似于高斯的光束。之处在于，本发明所述PPC50 消除现有技术装置中的缺陷，通过利用位于装置中心的分块55,所述分块55可以利用 入射光束中心的光，所述入射中心的光强最大。根据入射光密度分布对所述PPC进行几 何处理，不均运照射布局产生的消极影响被极大的避免。我们发现，通过采用适当尺寸 的中心装置分块55,所述PPC50的光转换效率提高了 25%,所述PPC 50中含有5个分 块。我们又发现，为了将高斯光束的光功率有效地转换为电功率，所述中心分块55所 具有的感光表面的面积与所迷PPC 50所具有的感光表面的总面积的比例优选在15%和 25%之间，更为优选的是20。/。。然而，在申请中所述入射光强在所迷PPC50的感光表面实际上是相同的，所述分块51 -54的感光表面的面积是相等的。注意术语"感光表面" 用于定义入射光到达所述活性层所穿过的所述ppc的表面，所述活性层用于吸收入射光 并将其转换成电流。ppc 50的感光表面是所有装置分块51 - 55接受光的总面积的一部 分，如图3所示，所述感光表面未被金属覆盖。术语"感光表面"在此用于定义各分块的 感光表面。另一个有利之处在于，所迷中心分块55使得装置中非必须的电压降减少并 且与阻抗路径一起连接到所述接触垫61和62,所述阻抗路径是栽流子在装置中产生并 传导的路径。通过中心分块捕获的光，电流不需要通过阻抗材料的长距离传输，但是可 以直接在邻近中心分块处被收集并通过金属栅格线传输，所述金属栅格线相对于装置的 周长具有低的阻抗。在现有技术中，没有利用装置中心部分收集电流的方法。参见图6,根据本发明的另一个实施例提供的ppc 150，其中所述中心分块55独立 于环形分块51 - 54进行连接并且与其电隔绝。本实施例中所述ppc 150具有4个端口， 包括作为第一装置部分的中心装置分块55,所述分块与作为第二装置部分的环形分块 51-54相互电隔绝，并且所述第一装置部分可以独立电连接。所述环形分块51-54在 接接触垫261和262间串联，以形成所述ppc 150中的环形装置部分简称环形部分。注 意图3-7中，相同的数字用于表示相同的元件以简化说明并且有助于理解实施例，只 是，中心分块55的第一和第二环形触头在本实施例中分别被标为109和108，以将其与 环形分块51 _ 55的第一和第二金属触头65和60相区别，所述第一和第二金属触头65 和60如图4中所示。与ppc 50中的被连接到各自环形分块的第一和第二金属触头不同， 所述ppc 150的所述中心装置分块55的所述第一和第二环形触头109和108通过电导 路径118和119分别连接至接接触垫263和264,所述电导路径118和119的宽度优选 小于15微米，所述电导路径118和119位于邻近沟槽100处，所述沟槽ioo将所述装 置的两个环形分块分隔。所述电导路径118和119被设置在所迷装置分块51和54上并 且所述装置分块从所述电导路径的内圓周延伸到外圆周，但第二电流阻挡层106使得所 述电导路径与所述装置分块绝缘，所述第二电流阻挡层在所述保护层101上外延生长并 且所述第二电流阻挡层具有的电导性与所述保护层101的电导性相反。所述电导路径 118和119也在这分别被称为第三和第四金属触头。所述第三和第四金属触头跨越所述 环形装置部分而向外延伸，并且与所述环形装置部分的装置分块电绝缘，以便独立于所 述环形装置部分的装置分块51-54而连接到外电路。
18[54]所述第二电流阻挡层如图7所示，所述图7是PPC 150沿划线"C-C"(虚线128左 侧)和沿划线"D-D"(虛线128右侧)部分的截面jf见图。在前述实施例中，基底130和 第一活性层133/134的半导体材料是GaAs,导电层136和保护层101的半导体材料是p 型，以及第二电流阻挡层106可以是n-掺杂GaAs,所述n-掺杂GaAs的掺杂级至少为
5xl017cnT3并且其厚度在范围l至5微米。电导路径119和118可以与第一和第二金属 触头65和60在同 一金属镀层工序或在不同金属镀层工序中形成，金属镀层工序完成后 紧接着进行触头结构制作工序，第二阻挡层106在电导路径119和118形成后被去除， 仅保留直接位于所述窄金属电导路径119和118下方的部分。接接触垫261和262之间的装置分块51 - 54通过空气桥70串联，除装置分块51 外，每块装置分块51 - 54的第一金属触头65被连接至下一相邻环状装置分块的第二金 属触头60，以使装置分块51 - 54形成顺序连接链，所述连接链里的第一装置分块51 的第一金属触头65通过第一空气桥71连至接接触垫261，并且装置分块54的第二金属 触头60通过第二空气桥71连至接接触垫262。接接触垫263和264作为PPC 150的第 一部分或中心部分55的阳极和阴极，而接接触垫261和262作为PPC 150的第二部分 或环形部分51-54的阳极和阴极，所述环形部分包括顺序连接的环形装置分块51 - 54。有利之处在于，PPC 150可以作为结合了 PPC和较常规的光电探测器(PD)的集 成装置，所述集成装置的PPC部分相应于所述环形部分51 - 54,所述集成装置的PD 部分相应于所述中心部分55。当采用含有适当波长的光照射时，所述光波含有载有数据 的调制成分，所述PPC 150可以提供电功率并在终端263和264提供探测数据，所述电 功率在装置终端261和262之间为5伏或电压更高的信号形式，用于例如驱动外部电路。 此外，所述装置的中心部分55可以采用来自装置阳极终端263和阴极终端264的正向 偏压，以驱动其活性层133/134以发射光而非吸收光，因此PPC 150的中心部分55可 作为发光二极管(LED)使用，例如用于发射而非探测光数据信号。因此，本发明提供一个四端口 PPC，其具有两个独立可寻址部分，不同于图1中现 有技术的光功率转换器以及本发明的PPC50实施例，图1中现有技术的光功率转换器 以及本发明的PPC50实施例都是两端口装置。有利之处在于，PPC150的独立寻址部 分可被用于完成两个不同的功能，例如在同一装置中执行光能转换和同时接受或发射光 数据。[58]如图7中所示实施例，PPC 150的中心部分和环形部分在同一p-n结129中分别采 用不同的空间区域探测或发射光，并且将光能转变成电能。然而，所述p-n结129也许 并非最适于接受或发射光数据信号，即用于执行所述LED或PD功能。而且，在一些应 用中，光数据信号和光能可以通过不同波长的光载送。参见图8, PPC 150的另一个实施例含有第二多层结构32，例如所述结构为p-i-n 型，被设置在中心分块55内的第一多层结构30上，所迷第二多层结构32可以被优化 以作为PD或LED使用。所述第二多层结构30可以含有第 一电导类型的第二基极层102, 所述第二基极层102在保护层101上外延生长，随后未掺杂层或本征层103在所述第二 基极层102上外延生长，以及第二电导类型的第二发射层104在所述本征层103上外延 生长。然后，第二电流阻挡层106在第二发射层104上方外延生长。在通过金属镀层和 结构制作工序形成电导路径118和119之后，第二电流阻挡层106被去除，仅保留直接 位于所述电导路径118和119下方的部分，以便提供与位于其下的半导体结构的电绝缘。第二多层结构32被保留在中心分块55内，但可以在环形分块51-54中被去除，仅 保留位于电导路径118和119下方的部分。如图8中虚线128的右侧所显示，中心分块 55的第一环形触头109被设置在第二基极层102通过缺口暴露出的部分上以与第二基极 层102电连通，所述缺口在本征层103和第二发射层104内。中心分块55的第二环形 触头108被设置在第二发射极层104上以与第二发射层104电连通。在所示实施例中， 第二发射极层104是p型并且第二基极层102是n型，第一环形触头109和第二环形触 头108可以通过现有已知n型和p型金属镀层技术分别形成，例如采用Au/Ge/Au的金 属镀层技术用于形成n型金属触头108、 118、 119和65,和采用Ti/Pt/Au的金属镀层技 术用于形成p型金属触头109和60。金属空气桥107通过第二环形触头108将第二发射 层104连接到电导路径119,然后依次将电导路径119通过空气桥111连接到PPC 150 的中心部分55的p-i-n结构的阳极端263。类似地，金属空气桥110通过第一环形触头 109将第二基极层102连接到电导路径118,然后依次将电导路径118通过空气桥112 连接到PPC150的中心部分55的p-i-n结构的阴极端264。蚀刻沟槽100使阳极端263 和阴极端264与装置的其他部分相隔离，空气桥111和112架过所述蚀刻沟槽100。例如，在含有如上所述的第一多层结构的GaAs基装置中，第二基极层102的半导 体材料可以是n-掺杂的GaAs,所述GaAs含有的施主杂质浓度范围约为5xl017cm'3至2x10 cm并且厚度范围在1至5微米之间，例如3微米；本征层103的半导体材料可 以是未掺杂的GaAs，所述GaAs含有的本底掺杂级优选小1016cm_3并且厚度范围在0.5 微米至1.5微米之间，例如0.8微米；以及第二发射层104的半导体材料可以是p-掺杂 的GaAs，所述GaAs含有的受主杂质浓度范围接近5x10 cm至2xl0 cm并且厚度 范围在0.5微米至1微米之间，例如0.8微米。第二电流阻挡层106也可以是n-掺杂的 GaAs,所述GaAs的施主杂质浓度范围约为5x10 cm至2x10 cm并且厚度范围在 0.5微米至2微米之间，例如1.0微米。在其他PPC 150的GaAs基实施例中，第二多层 结构32可以采用AlGaAs或InGaAs合金材料制作并且其能隙较第一活性层133和134 宽或窄，以便吸收光并将其转变成光载流子，所述光栽流子与环形分块51 - 54的活性 层所吸收的光具有一组不同的光波长。所述实施例对于通过不同波长的光传送光能量和 数据的应用是有利的。在另 一示例性实施例中，基底130的半导体材料是半绝缘体InP,所述基底130上 的各层结构131 - 136以及101的半导体材料请参考关于PPC50 InP基的实施例论述， 第一活性层133和134的InGaAs合金层晶格与InP层相匹配并且具有的能隙所对应的 波长大约为1.48微米。在PPC 150实施例中，第二基极层102的半导体材料可以是n-掺杂InGaAsP合金，所述InGaAsP中的合金组分例如具有的能隙所对应的波长大约为
1 J
1.3微米，施主杂质浓度大约1x10 cm以及层厚度范围在1至3微米，例如2微米。 本征层103的半导体材料可以是未掺杂的InGaAsP合金，与第二基极层102具有同样的 合金组分并且层的厚度范围在0.5微米至1.5微米，例如大约1微米，并且第二发射层 104的半导体材料可以是p-掺杂InGaAsP,与第二基极层102具有同样的合金组分并且 其受主杂质浓度在5x10 cm至5x10 cm之间或大约2x10 cm以及层厚度范围 为0.5微米至1.5微米或大约1微米。第二电流阻挡层106可以是n-掺杂InGaAs,并且 其施主杂质浓度大约在5x10 cm至2xl0 cm之间以及层厚度为0.2微米。PPC 150 的实施例适于探测波长为1.3微米的光数据信号，并且适于将操作波长在1480nm的大 功率激光信号转变成电能量，所述激光来自可产生波长1480nm的二极管激光发生器。 InP层和InGaAs层的掺杂材料可以是Zn或Be。本领域技术人员可以知道，如InGaAs和InGaP的三元材料和如InGaAsP不同合金 的四元材料的不同组合可以在InP基底上外延生长，以形成第一和第二多层结构30和
2132,从而获得波长操作范围大约在1.2微米至1.6微米的PPC 150的不同实施例。如分 子束外延法(MBE)和有机金属化学汽相淀积法(MOCVD)的传统生长技术可以用于 三元材料层和四元材料层的外延生长，通过变质生长(metamorphic growth)可以将晶 格错配层合并进PPC的层结构而实质上并不降低装置性能。例如另一实施例中，第二多 层结构32可以采用InGaAsP或InGaP合金，并且较第一活性层133和134具有更宽或 更窄的能隙，以便吸收光并将其转变成光载流子，所述光载流子与环形分块51-54的 活性层所吸收的光具有一组不同的光波长。所述实施例对于通过不同波长的光传送光能 量和数据的应用是有利的。
PPC测量结果图9是#4居本发明的GaAs基PPC50的电流-电压(I-V)特性301和输出功率-电压 (P-V)特性401分别与如图1和图2中现有技术条件GaAs基PPC的电流-电压(I-V)特 性302和能量转换效率402的比较曲线示意图。所述测量是使用光波长为830nm并且光 功率为50mW的光对装置进行照射的条件下完成的。根据本发明GaAs基PPC 50获得 的最大功率转换率大约为55%,而现有技术能量转换器的功率转换率为45%，而测量时 的输出电压V。ut大约为6.3伏而相应的输出电流大约为4.5毫安。才艮据本发明的GaAs 基PPC 50所获得的转换率和输出电流，相比现有技术的GaAs基能量转换器大约提高 25%，使得根据本发明的PPC的功率转换效率接近理论最大值。所述提高取决于下列因 素(1) p极层的碳掺杂量；这将提高在含有碳掺杂的p型发射极134里的少数载流子 的寿命，所述载流子寿命的提高部分原因在于受导电层136和可选光透窗层135的超高 掺杂层产生的有利的电场方向影响，以便诱发更强的电场用于新生光生载流子在p-n结 里的迁移，以及碳掺杂层具有较低的表面阻抗，所述碳掺杂层包括p型发射层、p型窗 层和p型导电层；所述较低的表面阻抗在电流保持很高时仍可提高可实现电压值，较低 的表面阻抗和电压的提高都将实现较高的输出功率；(2 )装置分块新颖的几何分布形 状通过增加中心分块消除位于装置中心的空腔；以及，附加的电流阻挡层131显著降低 甚至可能消除任何或所有在邻近分块间的光诱导的电传导，并且所述电传导的降低或消 除有助于增加每个分块在光照条件下产生的电压。图10是根据本发明的InP基PPC的电流-电压(I-V)特性411和输出功率-电压 (P-V)特性410的曲线示意图，所述InP基PPC含有第一多层结构30,所述第一多层结构30含有如上文所述的InGaAs活性层133/134和InP电流阻挡层131 。所述装置的最 大功率转换效率超过28%,并且测量时输出电压为3.5伏，得到的相应输出电流为8.1 毫安。当入射光的波长为1436纳米且功率为100 mW时，可获得PPC的最大输出功率 大约为28.4mW。对于工作波长范围在1310-1550nm之间的光能量转换器而言，这样 高的功率转换效率是显著的改善，其性能参数远超过所有的现有装置。所测量的装置具
有9块扇形装置分块。有利之处在于，根据本发明的InP基PPC的关键目的之一在于可用于光电能量技 术，即增加光能量的传输距离，使所述光能量的传输具有足够效率以驱动如传感器和数 据接口的远程设备。当距离超过lkm时，必须使用范围在1310nm至1550nm之间的 长波光，因为利用光纤传输所述范围以外的光时，所述光的衰减相对较高。对于短波光， 例如980nm及以下，在常用光纤里传输时的光衰减超过3dB/km,因此，给距离超过几 百米的设备供能将被禁止。然而，当波长为1310nm及以上的光在光纤里传输时，其光 衰减大约为0.1 dB/km或小于0.1 dB/km,因此，当光能量需要传送的距离为lkm或超 过lkm时，根据本发明的InP基PPC较GaAs基装置更适于用作能量转换器。另 一有利 之处在于，根据本发明的PPC可被安装在适合于对准单模光纤的接收元件里，因此，使 用根据本发明的InP基PPC可以发挥远程传送光能量的优点。注意，上文描述的根据本发明的光电能量转换器的具体实施例可以利用其他实施例 的部分技术特征，并且仅作为示例，在本发明的具体应用中可采用很多元件的可选实施 例，这对于本领域技术人员是显而易见的。例如，根据本发明的PPC的其他实施例可以 含有装置分块，所述装置分块以圆形组合排列，其中第一组装置分块位于中心并且被第 二组装置分块所环绕，所述第二组装置分块包括至少两个装置分块。在这里所述的实施 例中，第一组装置分块由单个中心分块55组成，但是在其他实施例中，可以预见，所 述装置分块的第 一组可以由不止一个装置分块构成，所述第 一组装置分块有附加沟槽隔 离并且可以串联或彼此绝缘以及逐个寻址。其他实施例可以含有基极层为p-掺杂而发射 极为n-掺杂的装置。在其他实施例中，还可以优化PPC中心部分的第二多层结构以产 生光，并且可以在第二基极层和发射基层之间不含本征层，或可以使所含有的本征层厚 度小于0.1微米，以便形成量子井。当然，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以假设大量的其它实施例。
2权利要求
1、一种光电能量转换器，包括基底、第一多层结构、第一电流阻挡层、基极电触头和发射极电触头，其中所述基底由半导体材料制成；所述第一多层结构由所述基底支撑，所述第一多层结构包括第一导电类型的半导体材料的第一基极层、第二导电类型的半导体材料的第一发射极层和第二导电类型的半导体材料的第一导电层；所述第一基极层位于所述基底之上并具有第一禁带；所述第一发射极层与所述第一基极层相邻，所述第二导电类型与所述第一导电类型相反，从而在所述第一发射极层与所述第一基极层之间形成第一结区域，所述第一发射极层具有等于或大于所述第一禁带的第二禁带；所述第一导电层被设置于所述第一发射极层之上，所述第一导电层具有宽于第一和第二禁带中的任一个的第三禁带；所述第一电流阻挡层由所述第二导电类型半导体材料制成，所述第一电流阻挡层介于所述基底和所述第一多层结构之间；所述基极电触头被设置以用于与所述第一基极层电连通；所述发射极电触头被设置于所述导电层上，用于和所述第一发射极层电连通，从而响应于入射到所述第一发射极层上的所选择波长的辐射而产生对于所述基极电触头的相对电压。
2、 根据权利要求1所述的光电能量转换器，其特征在于，所述电流阻挡层的厚度至少 是0.1nm,掺杂水平范围是5x1017到lxl019cm-3。
3、 根据权利要求1所述的光电能量转换器，其特征在于，还包括第一导电类型半导体 材料的緩冲层，所述緩冲层被配置于所述电流阻挡层和所述第一基极层之间。
4、 根据权利要求1所述的光电能量转换器，其特征在于，所述第一导电类型是n型， 所述第二导电类型是p型。
5、 根据权利要求4所述的光电能量转换器，其特征在于，所述第一发射极层是碳掺杂 的，从而受主掺杂浓度的范围是2x1018到lxl019cm-3。
6、 根据权利要求4所述的光电能量转换器，其特征在于，所述第一导电层和所述第一 电流阻挡层被掺杂碳，从而所述第一导电层的受主浓度范围是2xl018到2xl019cm-3, 所述第 一导电流阻挡层的受主掺杂浓度是5xl017 cm-3或更高。
7、 根据权利要求4所述的光电能量转换器，其特征在于，所述基底的半导体材料是GaAs。
8、 根据权利要求7所述的光电能量转换器，其特征在于，所述第一緩冲层，基极层和 发射极层的所述半导体材料均为GaAs。
9、 根据权利要求8所述的光电能量转换器，其特征在于，所述导电层的所述半导体材 料是AlGaAs和InGaP中的一种合金。
10、 根据权利要求9所述的光电能量转换器，其特征在于，还包括AM3ao-x)As合金的 窗口层，其中，x大于50。/。，所述窗口层介于所述第一发射极层和所述第一导电层之间。
11、 根据权利要求7所述的光电能量转换器，其特征在于，所述第一基极层和所述发射 极层的所述半导体材料是InGaAs和AlGaAs中的一种合金。
12、 根据权利要求4所述的光电能量转换器，其特征在于，所述基底，所述电流阻挡层 和所述緩冲层的所述半导体材料均为InP。
13、 根据权利要求12所述的光电能量转换器，其特征在于，所述第一基极层和所述发 射极层的所述半导体材料是InGaAs和AlGaAs中的一种合金。
14、 根据权利要求12所述的光电能量转换器，其特征在于，所述导电层的所述半导体 材料是InP和InGaAsP中的一种合金。
15、 根据权利要求l所述的光电能量转换器，其特征在于，还包括多个沟槽和多个电互 连器；所述沟槽延伸通过所述第 一 多层结构和电流阻挡层，而且进一 步部分延伸进入基 底，从而形成多个由所述基底支撑的空间上分离的装置分块；每一个所述装置分块包括 第一金属触头和第二金属触头，所述第 一金属触头用于与装置分块内的第 一基极层电连 通，所述第一金属触头被设置于所述第一发射极层的开口中的第一基极层上，所述第二 金属触头被设置于所述装置分块的导电层之上，用于和所述第一发射极层电连通；所述电互连器用于将每一个且仅一个第 一金属触头电连接到各自相邻的第二金属 触头，从而形成串联连接的装置分块链，其中，所述第一金属触头中未连接于任一第二 金属触头的一个第 一金属触头为基极电触头，所述第二金属触头中未连接于任一第一金 属触头的一个第二金属触头为发射极电触头。
16、 根据权利要求15所述的光电能量转换器，其特征在于，所述沟槽的宽度是5nm或 更小。
17、 根据权利要求15所述的光电能量转换器，其特征在于，所述沟槽的深度和宽度的 比率等于或大于5。
18、 根据权利要求4所述的光电能量转换器，其特征在于， 所述基底的半导体材料是掺杂水平小于1015 cm-3的具有大致本征电导的GaAs; 所述电流阻挡层包括p-掺杂GaAs,所述p掺杂GaAs的受主掺杂浓度范围在5xl017到lxl019cm-3,厚度范围是O.l到0.3pm;所述緩冲层包括n-掺杂GaAsp,所述n掺杂GaAs的施主掺杂浓度范围在5xl017到 2xl018cm-3,厚度范围是l到lO)am;所述第一基极层包括GaAs和铝掺杂浓度不超过35%的AlGaAs合金中的一种，其 施主掺杂浓度的范围是5x1017到lxlOl9cm—3,厚度范围是l到3nm;所述第一发射极层包括GaAs和铝掺杂浓度不超过35%的AlGaAs合金中的一种的 碳掺杂层，其厚度范围是0,6到1pm，受主掺杂浓度范围在2xl018到5xl018ciir3;以 及，所述导电层为p型，包括以下的其中一个Zn或Be掺杂InGaAsP，和铝掺杂浓度 不超过35%的碳掺杂AlGaAs,以及所述导电层具有的禁带宽于所述第一发射极和基极 层的禁带，厚度范围是l到3)am,施主掺杂浓度范围是2x1018到2xl019cm-3。
19、根据权利要求4所述的光电能量转换器，其特征在于，所述基底的半导体材料是半绝缘铟磷酸盐InP;所述电流阻挡层包括受主掺杂浓度是5x1017 cn^或更高的p掺杂InP,厚度范围是 0.2到0.3卿所述緩沖层包括施主掺杂浓度是5xlO"cn^或更高的n掺杂InP,厚度范围是5到 10 )am;所述第一基极层包括与InP晶格匹配的InGaAs合金，其施主掺杂浓度是5xl017 cm-3 或更高，厚度范围是l到3pm;所述第一发射极层包括与InP晶格匹配的p掺杂InGaAs合金，其受主掺杂浓度是 2xl018cm-3或更高，厚度范围是0.5至'Jl.5nm;以及，所述导电层包括施主掺杂浓度是2xl018 cnf3或更高的p掺杂InP,其厚度范围是 1.5到2.5 ,
全文摘要
本发明提供了一种光电能量转换器，包括基底、由基底支撑的多层结构和第一电流阻挡层。所述第一多层结构包括第一导电类型的半导体材料的第一基极层、第二导电类型的半导体材料的第一发射极层和第二导电类型的半导体材料的第一导电层；所述第二导电类型与所述第一导电类型相反，从而在所述第一发射极层与所述第一基极层之间形成第一结区域。所述第一电流阻挡层由所述第二导电类型半导体材料制成，所述第一电流阻挡层介于所述基底和所述第一多层结构之间。所述发射极层是碳掺杂的。
文档编号H01L31/042GK101442079SQ20071030193
公开日2009年5月27日 申请日期2007年12月20日 优先权日2006年12月20日
发明者强 刘, 简·古斯塔夫·威尔森 申请人:Jds尤尼弗思公司