[发明专利]光接收元件、光学传感器装置以及用于制造光接收元件的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种III-V族化合物半导体光电二极管、光学传感器装置以及用于制造该光电二极管的方法。更具体地，本发明涉及：一种吸收层包括直至近红外的长波长区域都具有响应度的II型多量子阱（以下被称为“MQW”）结构的光电二极管；采用该光电二极管的光学传感器装置；以及一种制造该光电二极管的方法。

背景技术

非专利文献1公开了一种光电二极管，其中，在作为III-V族化合物半导体衬底的InP衬底上，形成具有与InP衬底晶格匹配的InGaAs/GaAsSb II型MQW结构作为吸收层。该MQW结构包括5nm厚的InGaAs和5nm厚的GaAsSb的150次重复（150对）。在非专利文献1所公开的光电二极管中，获得了大约2.39μm的截止波长。

以上的光电二极管具有如下结构，其中，相对于吸收层而位于与InP衬底相反的一侧的帽层（cap layer）具有p型导电性，而InP衬底具有n型导电性，并且光入射在InP衬底的后表面上。

同时，非专利文献2公开了具有与如上所述相同的结构的光电二极管的响应度的波长依赖性。该响应度相对于波长是不平坦的，而是表现出很强的波长依赖性。

引用文献列表

非专利文献

[非专利文献1]R.Sidhu等人的“A Long-Wavelength Photodiode on InP Using Lattice-Matched GaInAs-GaAsSb Type-II Quantum Wells”IEEE Photonics Technology Letters，Vol.17，No.12（2005），pp.2715-2717

[非专利文献2]R.Sidhu等人的“A 2.3μm CUTOFF WAVELENGTH PHOTODIODE ON InP USING LATTICE-MATCHED GaInAs-GaAsSb TYPE-II QUANTUM WELLS”International Conference on Indium Phosphide and Related Materials（关于磷化铟及相关材料的国际会议）（2005），pp.148-151

发明内容

本发明要解决的问题

具有II型InGaAs（5nm厚）/GaAsSb（5nm厚）MQW结构的光电二极管的响应度在2.3μm附近的长波长侧相对高，而在1.5μm附近的波长处明显下降。在1.5μm附近的波长处响应度的这种下降在光谱分析等中是不期望的。期望响应度在整个波长区域上都是平坦的。然而，不期望响应度稳定在低水平。期望响应度在预定水平或高于预定水平，但相对于波长是平坦的。即使响应度变化，变化也应当是平缓的。

本发明的目的是要提供：一种具有II型MQW结构的光电二极管，其能够提高在整个可吸收波长区域上的响应度，并防止在短波长区域中的响应度降低；一种采用该光电二极管的光学传感器装置；以及一种制造该光电二极管的方法。注意，所述光电二极管可以是单像素光电二极管或者其中一维地或二维地排列有多个像素的光电二极管阵列。

解决问题的方案

根据本发明的光电二极管形成在III-V族化合物半导体衬底上，并且包括像素。该光电二极管包括II型MQW结构的吸收层，该吸收层位于衬底上。MQW结构包括五十对以上的两个不同类型的III-V族化合物半导体层。该两个不同类型的III-V族化合物半导体层中与另一个层相比具有较高的价带势能的层的厚度比该另一个层的厚度薄。

一般而言，当在吸收层中发生光吸收时，价带中的电子被激发到导带，并且在价带中产生空穴。即，通过该光吸收而形成电子和空穴对。为了检测到在预定像素中已发生光吸收，电子和空穴需要分别到达n侧电极和p侧电极，以作为电荷或电流而被检测到。需要为每个像素设置n侧电极和p侧电极中任何一个。

电子移动通过导带而到达n侧电极，同时空穴移动通过价带而到达p侧电极，并且从而检测到电荷或电流。当将要估计每个载流子（电子或空穴）的移动速度时，载流子的有效质量极大地影响该估计，如下文所述。在化合物半导体中的价带中的电子的有效质量大约为0.05m（m：自由电子的有效质量），而在价带中的空穴（较重的空穴）的有效质量例如为电子的有效质量的大约十倍或更大。