专利名称：含有中心部分的多分块式光电能量转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及将光功率转变成电功率的装置，尤其是，涉及含有一个或多个位于中 心的分块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 - 1600 nm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l(该附图1是Virsh叩的专利文 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上的高导电性緩沖层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，产生栽流子，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圓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Virsh叩专利文件图3的再现)所示，这些多个p-n结元件一般通过将半导 体芯片的圓形感光区域划分成多个扇形装置分块28来制作，所迷分块28通过蚀刻沟槽 26而彼此隔离，并通过互连电触头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。图2所示装置的缺点之一在于蚀刻沟槽26会聚的感光结构中心有一小孔；因此， 对进入该装置中心的光线被丢失。 一般来说，所述装置每块分块将光转变成电能的效率 与所述感光区域和所述沟槽区域的比率成比例。如图2所示装置中，所述转变比率在所 述感光区域周边处具有最大值，朝向所述装置中心99而逐渐降低，在该装置中心99处 完全为零。由于典型的光束(如从光纤中发出的光束)的分布大约接近高斯分布，在光 束中心处光强最大，因此如图2所示的扇形分块导致入射光重要部分的丢失，并因此对 于装置的总功率转换效率产生消极影响。[9]现有技术的另 一个缺点也与入射到功率转换装置上的光束中的光功率分布不均有 关。由于如此大量的光能量冲击所述功率转换器的中心99周围的相对小的区域，许多 由光子产生的载流子在远离电触头40的地方产生，所述电触头40位于该装置的边缘； 结果，当总光强增加时，该装置的层的内阻开始起重要作用。所述光强增加的直接结果 是造成电流的增加。所述增加的电流必须穿过电阻材料到达装置边缘，电流越大则由电 阻对电流阻碍所造成的电压损失就越多。随着光强增加，由光子产生的电流增大，所述 装置的内阻将造成装置内部的电压降，因此减少该装置提供给外部电路的输出电压和电 功率。从而，对于现有技术的半导体功率转换器， 一般可以观察到，光强越高，输出电 压中的损失越多。现有技术的功率转换器的另一个缺点在于，现有的功率转换器专用于功率转换， 而现实应用中可能需要将光功率转换和光数据提取集成于一个模块里。然而，在应用如 图2所示的现有技术装置时，光功率转换和从调制光束中提取光数据的任务将导致具有 矛盾的设计要求；例如，光功率转换一般要求转换功率最大化，需要采用具有相对大的 感光区域的装置。另一方面，高速光数据通信(例如调制带宽超过O. 1-1 MHz)—般需 要采用具有低寄生电容的小面积光探测器。如图2所示的现有技术的分块光转换器的调 制带宽可以通过装置分块的串联进一步降低，所述调制带宽的降低会增加装置内阻而产 生较高的RC值。
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对高斯光束具有提高的光转换效率并具有较低的内阻。
本发明的另一个目的在于提供一种既可用于光功率转换又可用于数据探测的光 功率转换器。因此，本发明涉及一种光电能量转换器，包括基底、第一多层结构、多个沟沟 槽和多个电互连器，其中所述基底由半导体材料制作；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；所述第一发射极层被设于所述第一基极层之上，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 p-n结区域；所述第一导电层被设置于所述第一发射极层之上；所述沟沟槽延伸通过所 述第一多层结构，并且部分延伸进入所述基底，从而形成多个由所述基底支撑的空间上 分离的装置分块；其中，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，所述第一组装置分块由一个或多个装置分块组成，所述 第二组装置分块包括至少两个装置分块，以及其中，所述多个装置分块中的两个或更多 个分块含有第一金属触头和第二金属触头，所述第一金属触头与所述装置分块内的第一 基极层电连通，以及所述第二金属触头被设置于所述装置分块内的第一发射极层之上， 与所述第一发射极层电连通；以及，所述多个电互连器通过将每一个且仅一个第一金属 触头电连接到其相邻的第二金属触头，从而将所述两个或更多个装置分块电气串联连 接，从而当所选波长的辐射入射到所述第一发射极层上时，在未连接的第一金属触头和 未连接的第二金属触头之间产生一个电压，所述未连接的第一金属触头为所述两个或更 多个装置分块的第一金属触头中，未连接到任一第二金属触头的第一金属触头，所述未 连接的所述第二金属触头为所述两个或更多个装置分块的第二金属触头中，未连接到任 一第一金属触头的第二金属触头。才艮据本发明的一个方面，所述两个或更多的装置分块组成所述第一装置分块组和 第二装置分块组。 4艮据本发明的另一个方面，所述装置分块中的两个或更多分块组成所述第二装置 分块组但两个或更多分块不包含在所述第一装置分块组内。所述第一装置分块组可以构 成中心分块，所述中心分块位于环形装置部分的中心，所述环形装置部分的中心由所述 第二装置分块组形成。 根据本发明的光电能量转换器可以含有在所述中心装置分块内的所述第一多层 结构上沉积形成的第二多层结构，所述第二多层结构含有在第一导电层上沉积形成的 第一电导类型半导体材料的第二基级层；在所述第二基极层上沉积形成的第二电导类型 半导体材料的第二发射极层；第三金属触头与第二基极层之间进行电连通；以及，第四 金属触头与第二发射极层之间进行电连通。根据本发明的一个方面，第三和第四金属触 头外向延伸超过环形装置部分并且与环形装置部分的装置分块之间电绝缘用以连接第二装置分块组的外部独立电路，在所述第三和第四触头与所述环形装置部分内的第 一多 层结构之间插入一层或多层电流阻塞层。
根据本发明的一个实施例中，所述基底含有半绝缘GaAs层；第二基极层是n-掺
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杂GaAs层，其含有的施主杂质浓度范围在5X10 cm至2xi0 cm之间并且其厚度范
围在1微米至3微米之间；本征层是未掺杂GaAs层，其含有的掺杂级小于10"cn^并且 其厚度范围在0. 5微米至1. 5微米之间；第二发射极层是p-掺杂GaAs层，其含有的受主
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杂质浓度范围在5xl0 cm至2xl0 cm之间并且其厚度范围在0. 5微米至1. 5微米
之间；第一基极层是n-掺杂GaAs层，其含有的施主杂质浓度范围在2 x 10"cn^至2 x
1018cm—3之间并且其厚度范围在1微米至3微米之间；第一发射极层是p-掺杂GaAs层，
其含有的受主杂质浓度范围在5 x 10"cm—3至2 x 10"cm—3之间并且其厚度范围在0. 2微 米至1微米之间。緩冲层是n-掺杂GaAs层，其厚度范围在1微米至10微米并且其含有
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的施主杂质浓度范围在5 x 10 cm至2xl0 cm之间，并将所述緩冲层插入基底和第 一基极层之间；导电层是p-掺杂AlGaAs和InGaP合金层，其厚度范围在1微米至3微
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米并且其含有的受主杂质浓度范围在2 x 10 cm至2 x 10 cm之间，并将所述导电层 插入第 一发射极层和第二基极层之间。
根据本发明的另一个实施例中，所述基底含有半绝缘InP层；第一基极层是n-掺杂InGaAs层，InGaAs层栅格与InP层相匹配并且第一基极层含有的施主杂质浓度范
围在5 x 10"cm—至1 x 10"cn^之间并且其厚度范围在1微米至3微米之间；第一发射 极层是p-掺杂InGaAs层，InGaAs层栅格与InP层相匹配并且其第一发射极层含有的受 主杂质浓度范围在5 x 10"crn^至1 x 10"cn^之间并且其厚度范围在0. 5微米至1. 5微 米之间；緩冲层是n-掺杂InP层，其厚度范围在5微米至10微米并且其含有的施主杂
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质浓度范围在5xl0 cm至2xl0 cm之间，并将所述緩冲层插入基底和第一基极层 之间；导电层是p-掺杂InP层，其厚度范围在1. 5微米至2. 5微米并且其含有的受主杂
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质浓度范围在2x10 cm至2xl0 cm之间，并将所述导电层插入第一发射极层和第二基极层之间；第二基极层是n-掺杂InGaAs层，其含有的施主杂质浓度范围在5 x 10 cm至2 x 10 cm之间并且其厚度范围在1微米至2微米之间；本征层是未掺杂InGaAs 层，其含有的掺杂级小于10"cm—并且其厚度范围在0. 5微米至1. 5微米之间；以及，第 二发射极层是P-掺杂InGaAs层，其含有的受主杂质浓度范围在5 x 10"cm—3至5 x 10 cm之间并且其厚度范围在0. 5微米至1. 5微米之间。
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；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是根据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是根据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；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；[29]图10是根据本发明的InGaAs/InP光电能量转换器在波长1430nm，强度lOOmW 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 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， PPC 50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^皮称为环状分块。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；所述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极层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l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，即与緩冲层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 栽流子的非辐射复合。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，优选未摻杂
质GaAs或InP基底，所述GaAs或InP基底的本底掺杂不超过10"cm—3。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阻止緩冲层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5 x 10"cn^至1 x 10"cm^的施主杂质。所 述第一基极层可以掺有浓度高于5 x 10"cm—3的受主杂质，或优选掺有浓度范围在2 x
10至1 x 10 cm的受主杂质，或最优选为掺有浓度范围在3x 10至5xl0 cm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2 x 10"cm—3到至少为2 x 10"cnf3。 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
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度水平从小于2 x 101 cm 3到至少为2 x 10 cm 。
在第一优选实施例中，基底130、电流阻挡层131、緩沖层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 料釆用砷化镓(GaAs)。
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5x10 cm_至1 x 10 cm—之间，或者例如浓度大
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约是2xio cin ,并且厚度范围在0. 2至0. 3微米之间例如0. 25微米。緩沖层132外 延生长于电流阻挡层131上，所述緩沖层132的半导体材料是n型高摻杂GaAs，并且所
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述n型高掺杂GaAs的施主浓度范围在5 x 10 cm至2xl0 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5x10" cm—3
至2 x 10 nf3之间例如1 x 1018cm—3,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1 x 10 cm之间，优选在3 x 1018
cm—3至5 x 101S cnT3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，并且所迷可选透窗层135的半
导体材料是GaAs的第一合金，例如AlGaAs或更具体的是AlxGai-xAs,所述AlxGai—xAs 合金中铝的相对含量jr > 50%,例如,二 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 x 10"cm」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
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范围在2xl0 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卜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。[42]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InxGai-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5x 1017(^—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)掺杂将不会产生所述有害效应，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5 x
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10 cm 。与之相反，采用如锌的传统摻杂材料在高掺杂级，如大于2xl0 cm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， 碳摻杂可以在所述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。
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冲器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(i-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(i-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 1 33/134，所述PPC 50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，以便确保所迷导电层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PPC 50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10"cm—s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 x 10"cn^或更高；所述緩沖层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10微米之间，例如7微米，并 且掺杂级为5 x 10"cii^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5 x 1017_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2 x 1018cm—3至1 x 10"cm—3之间或者优选范围在3
x 1018cm—3至5 x 10"cm—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2 x 10"cm"3至2 x 10"cm—3之间，并且优选浓度范围超过3 x 1Q18cm—。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2 x 10"cm」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" 标注于图4中，由于所述光将在所述基底材料处被吸收并产生光载流子并因此造成所述 基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IO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101上或在没有所述可选保护层时直接沉积在所述导电层136上用于与所述第一发射 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与邻近设备分块的所述第二金属触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迷第二金属触头，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处有一缺口 61,空气桥70通过所述缺口 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的所述第一金属触头。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。[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Virshup专利中所描 述的。所述装置分块51 - 54的外部更适于进行所述第二环状触头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 的外围圆周直径为1800微米，所述中心分块的圓周直径为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PPC 50的装置分块布局具有新颖的技术特征，与图l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的现有技术中所述沟槽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PPC 50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，所迷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述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2(W。然而，在申请中所述入射光强在所述PPC 50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，所述中心分块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,所述阻抗路径是载流子在装置中 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100将所 述装置的两个环形分块分隔。所述电导路径118和119被设置在所述装置分块51和54 上并且所述装置分块从所述电导路径的内圆周延伸到外圓周，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。[54] 所述第二电流阻挡层如图7所示，所述图7是PPC150沿划线"C-C"(虚线128 左侧)和沿划线"D-D"(虚线128右侧)部分的截面视图。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
5xl0"cm—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，所迷装置的中心部分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^: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l中 现有技术的光功率转换器以及本发明的PPC 50实施例，图1中现有技术的光功率转换 器以及本发明的PPC 50实施例都是两端口装置。有利之处在于，PPC 150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栽送。 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，所述第二多层结构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，所迷缺口在本征层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 PPC150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IIO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。[61] 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5xl0"cm—3至
18 —3
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10"cnT3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2x10 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
l了—3 18 —3
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。
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PPC150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，所迷InGaAsP中的合金组分例如具有的能隙所对应的波长大约为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<formula>formula see original document page 25</formula>
主杂质浓度在5xl0 cm至5x10 cm之间或大约2x10 cm以及层厚度范围为O. 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5xl08cn^至2xl0"cm^之间以及层厚度为0. 2微米。PPC〗50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32，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IO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. 4 mW。对于工作波长范围在1310-1550 nm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1310 nm至1550 nm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。
权利要求
1. 光电能量转换器，包括基底、第一多层结构、多个沟槽和多个电互连器，其中所述基底由半导体材料制作；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；所述第一发射极层被设于所述第一基极层之上，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p-n结区域；所述第一导电层被设置于所述第一发射极层之上；所述沟槽延伸通过所述第一多层结构，并且部分延伸进入所述基底，从而形成多个由所述基底支撑的空间上分离的装置分块；其中，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，所述第一组装置分块由一个或多个装置分块组成，所述第二组装置分块包括至少两个装置分块，以及其中，所述多个装置分块中的两个或更多个分块含有第一金属触头和第二金属触头，所述第一金属触头与所述装置分块内的第一基极层电连通，以及所述第二金属触头被设置于所述装置分块内的第一发射极层之上，与所述第一发射极层电连通；以及，所述多个电互连器通过将每一个且仅一个第一金属触头电连接到其相邻的第二金属触头，从而将所述两个或更多个装置分块电气串联连接，从而当所选波长的辐射入射到所述第一发射极层上时，在未连接的第一金属触头和未连接的第二金属触头之间产生一个电压，所述未连接的第一金属触头为所述两个或更多个装置分块的第一金属触头中，未连接到任一第二金属触头的第一金属触头，所述未连接的所述第二金属触头为所述两个或更多个装置分块的第二金属触头中，未连接到任一第一金属触头的第二金属触头。
2. 如权利要求1所迷的光电能量转换器，其中，所述两个或更多个分块包括有所述第 一组装置分块和第二组装置分块中的分块。
3. 如权利要求1所述的光电能量转换器，其中，所述两个或更多个分块包括有所述第 二組装置分块中的分块，但不包括所述第一组装置分块中的分块。
4. 如权利要求3所述的光电能量转换器，其中，所述第一组装置分块构成中心分块， 所述中心分块位于环形装置部分的中心，所述环形装置部分由所述第二组装置分块串联 形成。
5. 如权利要求1所述的光电能量转换器，其中所述多个沟槽包括将所述第一組装置分 块和第二组装置分块相隔离的环形槽，和一组从所述环形槽向外延伸的沟槽。
6. 如权利要求1所述的光电能量转换器，其中，所述第一导电类型是n-型，并且所述 第二导电类型是P-型。
7. 如权利要求4所述的光电能量转换器，进一步包括第二多层结构，所迷第二多层结 构被设置在所述中心装置分块的所述第一多层结构之上，所述第二多层结构包括第一 导电类型的半导体材料的第二基极层、第二导电类型的半导体材料第二发射极层、第三 金属触头和第四金属触头，其中所述第二基极层被设置在所述第一导电层之上； 所述第二发射极层被设置在所述第二基极层之上； 所述第三金属触头与所述第二基极层电连通；以及 所述第四金属触头与所述第二发射极层电连通。
8. 如权利要求7所述的光电能量转换器，其中，所迷第三金属触头和所述第四金属触 头都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， 以便独立于所述第二组装置分块而连接到外电路。
9. 如权利要求8所述的光电能量转换器，进一步包括一层或多层电流阻挡层，所述电 流阻挡层被插入在所述环形装置部分内的每个所述第三和第四金属触头与所述第一多 层结构之间。
10. 如权利要求7所述的光电能量转换器，进一步包括半导体材料的本征层，所迷本征 层被插入在所述第二基极层和所述第二发射极层之间，并且所述本征层具有的本征导电 率低于所述第二基极层和所迷第二发射极层的导电率。
11. 如权利要求7所述的光电能量转换器，其中所述第一基极层和所述第一发射极层的 半导体材料所含有的禁带小于所述第二基极层和所述第二发射极层的半导体材料所含 有的禁带。
12. 如权利要求7所述的光电能量转换器，其中所述第一基极层和所述第一发射极层的 半导体材料所含有的禁带等于或大于所述第二基极层和所述第二发射极层的半导体材 料所含有的禁带。
13. 如权利要求7所述的光电能量转换器，其中所述基底、所述第一基极层以及所述第 一发射极层均包括GaAs。
14. 如权利要求13所述的光电能量转换器，其中所述第二基极层包括n-掺杂GaAs，所述n-掺杂GaAs的施主杂质浓度范围在<formula>formula see original document page 4</formula>5x10 cm至2xl0 cm之间并且厚度范围在1微米至3微米之间；所述本征层包括未掺杂GaAs，所述未掺杂GaAs的掺杂级小于10"cm—3并且厚度范围在0. 5微米至1. 5微米之间；以及所述第二发射极层包括p-掺杂GaAs，所述p-掺杂GaAs的受主杂质浓度范围在5x10 cm至2x10 cm之间并且厚度范围在0. 5微米至1. 5微米之间。
15. 如权利要求7所述的光电能量转换器，其中，所述基底的半导体材料是GaAs,以及 所述第二基极层、所述第二发射极层和所述本征层的半导体材料是InGaAs和InGaAsP 之中的一种合金。
16. 如权利要求7所述的光电能量转换器，其中，所述基底的半导体材料是InP，以及 所述第二基极层、所述第二发射极层和所述本征层的半导体材料是InGaAs和InGaAsP 之中的一种合金。
17. 如权利要求15所述的光电能量转换器，其中所述第一基极层包括n-掺杂GaAs，所述n-掺杂GaAs的施主杂质浓度范围在<formula>formula see original document page 4</formula>2x10 cm至2x10 cm之间并且厚度范围在1微米至3微米之间；以及所述第一发射极层包括P-掺杂GaAs,所述p-掺杂GaAs的受主杂质浓度范围在5xl 0"cnf3至2xl0"cn^之间并且厚度范围在0. 2微米至1微米之间；进一步包括緩冲层和导电层，其中 所述緩沖层的材料是n-掺杂GaAs,其厚度范围在1微米至10微米并且其含有的施主杂<formula>formula see original document page 4</formula>质浓度范围在5x10 cm至2x10 cm之间，并且所述緩冲层被插入在所述基底和所述 第一基极层之间；所述电导层的材料是p-掺杂AlGaAs和InGaP之中的一种合金，其厚度范围在1微 米至3微米并且其含有的受主杂质浓度范围在2x10 cm至2x10 cm之间，并且所述电导层被插入在所述第 一发射极层和所述第二基极层之间。
18. 如权利要求16所述的光电能量转换器，其中所述第一基极层包括与InP晶格相匹配的n-掺杂InGaAs,其施主杂质浓度范围在5xlO"cn^至lxlO"cm^之间并且其厚度范围在1微米至3微米之间；以及所述第一发射极层包括与InP晶格相匹配的p-掺杂InGaAs，其受主杂质浓度范围在 5xl0"cm」至lxlO"cm—之间并且其厚度范围在0. 5微米至1. 5微米之间；进一步包括緩沖层和导电层，其中 所述緩冲层的材料是n-掺杂InP，其厚度范围在5微米至10微米并且其施主杂质浓度范围在5xlO"cn^至2xl0"cm—3之间，并且所述緩沖层被插入在所述基底和所述第一基 极层之间；所述导电层的材料是p-掺杂InP,其厚度范围在1. 5微米至2. 5微米并且其受主杂 质浓度范围在2xl0"cm—至2><1019(^_3之间，并且所述导电层被插入在第一发射极层和 第二基极层之间。
19. 如权利要求18所述的光电能量转换器，其中所述第二基极层包括n-掺杂InGaAsP,其施主杂质浓度范围在5xl0"cm—3至18 —22x10 cm之间并且其厚度范围在1微米至2微米之间；所述本征层包括未掺杂InGaAsP，其具有的掺杂级小于1015cm-3并且其厚度范围在 0. 5微米至1. 5微米之间；以及，所述第二发射极层包括p-掺杂InGaAsP，其受主杂质浓度范围在5xl0"cm—3至151 —35x10 cm之间并且其厚度范围在0. 5微米至1. 5微米之间。
20. 如权利要求4所述的光电能量转换器，其中，每个所述装置分块都含有感光表面， 并且其中，所述中心分块的感光表面的面积占所有装置分块的感光表面总面积的15 %至 25%。
21. 如权利要求1所述的光电能量转换器，其中，每个所述装置分块具有同样面积的感 光表面。
22. 如权利要求4所述的光电能量转换器，进一步包括 第三金属触头，所述第三金属触头与所述第一基极层电连通； 第四金属触头，所述第四金属触头与所述第一发射极层电连通；以及，一层或多层电流阻挡层，所述一层或多层电流阻挡层被插入在所述环形装置部分内 的每个所述第三金属触头和所述第四金属触头与所述第 一多层结构之间；其中，每个所述第三金属触头和所述第四金属触头都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，以便独立于所述第二组装置分块而 连接到外电路。
全文摘要
本发明涉及一种光电能量转换器包括多个由所述基底支撑的空间上分离的装置分块，其中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，第一组装置分块由一个或多个装置分块组成，第二组装置分块包括至少两个装置分块，以及其中将两个或多个装置分块进行串联当所选波长的辐射入射在装置上时产生电压。
文档编号H01L23/522GK101431084SQ200710301959
公开日2009年5月13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, 吴塔春, 森尼瓦提·韦德加加, 简·古斯塔夫·威尔森 申请人:Jds尤尼弗思公司