CN102881761A - Apd红外探测器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了APD红外探测器及其制作方法，APD红外探测器包括APD及与其相结合的光子耦合腔；光子耦合腔包括金属反射层、透明介质层、金属阻挡环和金属光栅层；金属反射层、透明介质层和金属光栅层按照从下向上的顺序依次生长在APD的p+-InP结上；金属阻挡环位于透明介质层的外围，并连接金属反射层和金属光栅层；金属光栅层为同心的多环金属环结构；金属反射层为两个同心金属环结构。本发明在APD红外探测器的p+-InP结上形成MIM结构的耦合汇聚光栅，通过对入射光的汇聚来缩小APD器件的p+-InP结尺寸，缩小器件的电学有效工作尺寸，从而可以在材料和器件制备工艺走到工艺极限时，在不损失量子效率下进一步抑制暗计数。
Description
技术领域
本发明涉及短波红外雪崩二极管探测器技术，特别涉及一种降低暗计数的APD红外探测器及其制作方法。
背景技术
在最近的几年里，量子通讯技术得到极大的发展，受到人们广泛的重视。而量子通讯实用化的关键技术之一为需要有高灵敏度的光子探测器。因此人们将目光转向雪崩光电二极管(APD)探测器。工作于盖格模式的APD有着量子效率高、增益大的特点。单个的载流子就能引起自持的雪崩击穿，形成宏观的电流，从而可以实现单光子探测。
基于磷化铟/铟镓砷材料(InP/InGaAs)的APD可以响应通讯波段1550nm红外光，同时也有较好的性能，因此目前商品化的APD器件大都采用InP/InGaAs材料，它适用于高速光纤通信。
为了达到很高的灵敏度，APD器件需要工作于较高的反向偏置电压下，使得耗尽层贯穿整个吸收层。偏压的提高伴随着暗电流的增加，这是因为在制冷的工作环境下，隧穿电流是暗电流的主要因素，它与电场分布有着重要的关系。因此暗电流(暗计数)是限制APD性能的几个主要因素之一。
通过降低器件尺寸、改进材料质量、调节器件结构和改变器件工作环境可以降低APD探测器的暗电流。在降低器件尺寸方面，受限于工艺和技术的限制，目前器件的尺寸(光敏元尺寸)一般为直径50μm，要想进一步降低器件的光敏元尺寸，人们只能寻求在器件结构上的突破。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种低暗计数的APD红外探测器，能有效地通过减少p结光敏元面积来减小器件的有效工作尺寸，很好地抑制器件的暗计数。
实现本发明第一个目的的技术方案是一种APD红外探测器，包括APD及与其相结合的光子耦合腔；所述光子耦合腔包括金属反射层、透明介质层、金属阻挡环和金属光栅层；所述金属反射层、透明介质层和金属光栅层按照从下向上的顺序依次生长在APD的p+-InP结上；所述金属阻挡环位于透明介质层的外围，并连接金属反射层和金属光栅层；所述金属光栅层为同心的多环金属环结构；所述金属反射层为两个同心金属环结构。
所述APD红外探测器还包括生长在APD的p+-InP结上的P电极；所述P电极与p+-InP结、金属反射层以及金属光栅层为同心结构；所述P电极通过金属带与金属反射层相连。
所述金属反射层位于中心的圆作为P电极；所述P电极通过金属带与金属反射层相连。
所述APD的p+-InP结上生长有两个圆环柱形的通光孔，两个通光孔分别生长在金属反射层的两个金属环之间以及金属环与P电极之间；所述通光孔内填充有透明介质。
所述金属反射层、P电极、透明介质层、金属阻挡环和金属光栅层形成圆环型的金属-介质-金属耦合汇聚光栅结构；所述金属光栅层的光栅周期L为相邻两个金属环的内壁之间的距离，函数为
光栅常数D为相邻两个金属环之间的间距，D＝0.4μm，占空比f＝D/L＝0.4/1；所述金属反射层的两个金属环之间的距离D1＝0.5μm。
所述金属反射层、金属阻挡环和金属光栅层分别为Au反射层、Au阻挡环和Au光栅层；所述透明介质层及通光孔内填充的透明介质均为二氧化硅。
所述的APD为吸收、渐变、电荷、倍增层分离结构的磷化铟/铟镓砷雪崩光电二极管。
本发明的第二个目的是提供一种低暗计数的APD红外探测器的制作方法。
实现本发明第二个目的的技术方案是一种APD红外探测器的制作方法，包括以下步骤：
①在APD的i-InP层上热扩散Zn3P2形成圆形的p+-InP结；所述扩散工艺为闭管扩散，扩散温度为500摄氏度，扩散时间为25min；
②在p+-InP结上采用正胶电子束光刻出圆形的P电极，等离子空气清洗5-8分钟之后，再采用电子束蒸发形成Ti/Pt/Au电极，之后去光刻胶、退火，使P电极合金化；所述P电极的中心与p+-InP结的中心对准；
③在p+-InP结上采用正胶电子束光刻出两个同心圆环形状的Au反射层，等离子空气清洗5-8分钟之后，再沉积出金属反射层；所述金属反射层有将P电极与金属反射层相连的Au带；
④在p+-InP结上采用正胶电子束光刻出圆环形的通光孔，再利用等离子体增强化学气相沉积法生长出SiO2薄膜填充通光孔；
⑤在金属反射层和P电极之上，利用等离子体增强化学气相沉积法生长出SiO2薄膜形成透明介质层；
⑥在透明介质层上正胶电子束光刻金属阻挡环，再刻蚀穿透明介质层的SiO2薄膜，在透明介质层外围沉积Au形成金属阻挡环；。
⑦在透明介质层上正胶电子束光刻金属光栅层，再沉积Au形成金属光栅层；金属光栅层的参数如下：周期长度L＝1000nm，占空比f＝0.4/1，光栅为圆环型结构。
所述第①步中的p+-InP结的直径为6μm；所述第②步中的Ti/Pt/Au电极的厚度为200/300/1500埃，P电极的直径为2400nm；所述第③步中的金属反射层的厚度为200nm，Au带宽度为560nm；所述第④步中填充通光孔的SiO2薄膜的厚度为200nm；所述第⑤步中的透明介质层的SiO2薄膜的厚度为1100nm；所述第⑥步中的金属阻挡环的宽度为0.56-2μm；所述第⑦步中的金属光栅层的厚度为200nm，直径为50μm。
采用了上述技术方案后，本发明具有以下的有益效果：(1)耦合汇聚光栅结构的上层金属耦合透射光栅，是通过周期性结构激发金属表面耦合模式和缝的波导耦合模式，能达到增强透射的目的，本发明通过在APD红外探测器的p+-InP结上形成金属-介质-金属结构的耦合汇聚光栅，将APD红外探测器和耦合汇聚光栅结构相结合，可以通过对入射光的汇聚，来缩小APD器件的p+-InP结尺寸，缩小器件的有效工作尺寸，从而可以在材料和器件制备工艺走到工艺极限时，在不损失量子效率前提下进一步抑制暗计数。
(2)本发明为了提高APD的探测响应灵敏度，得到更大的倍增因子M，需要有适当的雪崩长度，因此本发明选用吸收、渐变、电荷、倍增层分离结构的APD。
(3)本发明的制作方法步骤清晰简单，易于实际操作，实用性强。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1为本发明的APD红外探测器的结构示意图。
图2为图1的中心纵向垂直截面示意图。
图3为图1的中心横向垂直截面示意图。
图4为本发明的金属光栅层的光透过率。
图5为本发明的APD红外探测器在金属反射层下方1μm处的光透过率。
图6为本发明的APD红外探测器的电场分布。
附图中标号为：
APD1、p+-InP结2、金属反射层3、P电极4、透明介质层5、金属阻挡环6、金属光栅层7、通光孔8。
具体实施方式
(实施例1)
见图1、图2和图3，本实施例的APD红外探测器，包括APD1及与其相结合的光子耦合腔。APD1为相应响应波长峰值为λ＝1550nm左右的吸收、渐变、电荷、倍增层分离结构的磷化铟/铟镓砷雪崩光电二极管。
光子耦合腔包括金属反射层3、P电极4、透明介质层5、金属阻挡环6和金属光栅层7，形成圆环型的金属-介质-金属(MIM)耦合汇聚光栅结构。
P电极4、金属反射层3、透明介质层5和金属光栅层7按照从下向上的顺序依次生长在APD1的p+-InP结2上，各中心对准；金属反射层3为Au反射层，为两个同心Au环结构，厚度为200nm，两个Au环之间的距离D1＝0.5L μm；P电极4直径为2400nm，通过560nm宽的金属带与金属反射层3相连，P电极4与金属反射层3共用，P电极4也充作金属反射层3的作用，当然为了最大限度减小器件的p+-InP结2的尺寸，也可以如图3中所示，将金属反射层3中间圆用作P电极4，通过Au将金属反射层3和P电极4相连，从而金属反射层3充当P电极4的延长电极；透明介质层5为1100nm厚的SiO2薄膜；金属阻挡环6为Au阻挡环，宽度为0.56-2μm，位于透明介质层5的外围，并连接金属反射层3和金属光栅层7，使得本发明APD红外探测器的P电极接触电极可以制作在Au光栅层7之上；金属光栅层7为Au光栅层，为同心的多环金属环结构，厚度为200nm，直径为50μm，金属光栅层7的光栅周期L为相邻两个金属环的内壁之间的距离，函数为
光栅常数D为相邻两个金属环之间的间距，D＝0.4μm，占空比f＝D/L＝0.4/1；p+-InP结2上还生长有两个圆环柱形的通光孔8，两个通光孔8分别生长在金属反射层3的两个金属环之间以及金属环与P电极4之间，通光孔8内填充有SiO2。
在径向上把本实施例的APD红外探测器看作是一维的狭缝光栅。通过经典波导理论，狭缝能支持没有截止波长的TEM波导模式。当周期为P的狭缝的两端主抗不匹配时，能够形成Fabry-Perot类似的驻波，即光在透过金属光栅后，被散射成为向左及向右的表面等离激元波。向左(向右)和临近周期向右(向左)的等离激元波在波导介质中横向传播，干涉形成驻波。本实施例采用0.2μm厚度的金属层使金属上下两层金属/空气与金属/介质层耦合。在介质下再加一层能耦合的透射光栅，使得能量能被束缚在介质波导中。腔中的能量能够从下层狭缝中透过，从而达到光的耦合汇聚的作用。下层金属厚度0.45μm，利用金属/狭缝侧面耦合等离子原理使得透过能量增强，并使得光场强度为垂直于金属层方向。由于下层金属两端分别是介电常数为2.37的SiO2和介电常数为10.8的p+-InP结，该差异抑制了下层金属上下表面的等离子体的耦合作用，使得光能量不再沿金属平行方向传播流失。因此将耦合汇聚光栅结构与APD器件相结合，可以通过对入射光的汇聚，来缩小APD器件的p+结尺寸，缩小器件的有效工作尺寸，从而可以在材料和器件制备工艺走到工艺极限时，在不损失量子效率前提下进一步抑制暗计数。例如对于目前的光敏元尺寸50×50平方微米，如果把有效光敏元减小到6×6平方微米，则暗计数下降69倍，同时由于等效光敏元上的金属耦合结构变大不影响暗计数，但是光的耦合效率会提升，因此有利于实际应用。
上述APD红外探测器的制作方法，包括以下步骤：
①在APD1的i-InP层上热扩散Zn3P2形成圆形的、直径为6μm的p+-InP结2；所述扩散工艺为闭管扩散，扩散温度为500摄氏度，扩散时间为25min；
②在p+-InP结2上采用正胶电子束光刻出圆形的P电极4，等离子空气清洗5-8分钟之后，再采用电子束蒸发形成Ti/Pt/Au电极，之后去光刻胶、退火，使P电极4合金化；所述P电极4的中心与p+-InP结2的中心对准，其中Ti/Pt/Au电极的厚度为200/300/1500埃，P电极4的直径为2400nm；
③在p+-InP结2上采用正胶电子束光刻出两个同心圆环形状的Au反射层3，等离子空气清洗5-8分钟之后，再沉积出200nm厚度的金属反射层3；金属反射层3有将P电极4与金属反射层3相连的、宽度为560nm的Au带；
④在p+-InP结2上采用正胶电子束光刻出圆环形的通光孔8，再利用等离子体增强化学气相沉积法生长出200nm厚度的SiO2薄膜填充通光孔8；
⑤在金属反射层3和P电极4之上，利用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD，PlasmaEnhanced Chemical Vapor Deposition)生长出1100nm厚度的SiO2薄膜形成透明介质层5；
⑥在透明介质层5上正胶电子束光刻金属阻挡环6，再刻蚀穿透明介质层5的SiO2薄膜，在透明介质层5外围沉积0.56-2μm的Au形成金属阻挡环6；。
⑦在透明介质层5上正胶电子束光刻金属光栅层7，再沉积200nm厚度的Au形成金属光栅层7；金属光栅层7的参数如下：周期长度L＝1000nm，占空比f＝0.4/1，光栅为圆环型结构，直径为50μm。
图4为金属光栅层7的光透过率。它表明进入金属共振腔的能量，在1550nm波长处有75％的光能量进入SiO2透明介质层。图5为本实施例在Au反射层3下方1μm处的透过率，透过率在1550nm波长处提高了24倍。它表明本发明与无光栅汇聚结构的APD器件相比，在同样的光照条件下，p+-InP结2处的光能量提高了24倍，这对于微弱光(如单光子)探测来说，提高了吸收层单位面积上的光强度，有利于器件的探测。在本实施例中，与无汇聚结构的APD器件相比，本发明器件p+-InP结2尺寸从原来的50×50减小为6×6，单从尺寸上考虑，器件的暗计数减小约两个量级。
图6为本实施例的电场分布，可以看到金属反射层3两个圆环间的干涉作用，光波的电分量主要还是沿垂直方向分布。光能量能到达在MIM耦合汇聚光栅结构下3um处的吸收层。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种APD红外探测器，其特征在于：包括APD(1)及与其相结合的光子耦合腔；所述光子耦合腔包括金属反射层(3)、透明介质层(5)、金属阻挡环(6)和金属光栅层(7)；所述金属反射层(3)、透明介质层(5)和金属光栅层(7)按照从下向上的顺序依次生长在APD(1)的p+-InP结(2)上；所述金属阻挡环(6)位于透明介质层(5)的外围，并连接金属反射层(3)和金属光栅层(7)；所述金属光栅层(7)为同心的多环金属环结构；所述金属反射层(3)为两个同心金属环结构。
2.根据权利要求1所述的APD红外探测器，其特征在于：还包括生长在APD(1)的p+-InP结(2)上的P电极(4)；所述P电极(4)与p+-InP结(2)、金属反射层(3)以及金属光栅层(7)为同心结构；所述P电极(4)通过金属带与金属反射层(3)相连。
3.根据权利要求1所述的APD红外探测器，其特征在于：所述金属反射层(3)位于中心的圆作为P电极(4)；所述P电极(4)通过金属带与金属反射层(3)相连。
4.根据权利要求2或3所述的APD红外探测器，其特征在于：所述APD(1)的p+-InP结(2)上生长有两个圆环柱形的通光孔(8)，两个通光孔(8)分别生长在金属反射层(3)的两个金属环之间以及金属环与P电极(4)之间；所述通光孔(8)内填充有透明介质。
5.根据权利要求4所述的APD红外探测器，其特征在于：所述金属反射层(3)、P电极(4)、透明介质层(5)、金属阻挡环(6)和金属光栅层(7)形成圆环型的金属-介质-金属耦合汇聚光栅结构；所述金属光栅层(7)的光栅周期L为相邻两个金属环的内壁之间的距离，函数为
其中λ为中心响应波长，n为介质层折射率此处为SiO2折射率1.54，N为耦合级数，这里取1。光栅常数D为相邻两个金属环之间的间距，D＝0.4L＝0.4μm，占空比f＝D/L＝0.4/1；所述金属反射层(3)的两个金属环之间的距离D1＝0.5L＝0.5μm。
6.根据权利要求5所述的APD红外探测器，其特征在于：所述金属反射层(3)、金属阻挡环(6)和金属光栅层(7)分别为Au反射层、Au阻挡环和Au光栅层；所述透明介质层(5)及通光孔(8)内填充的透明介质均为二氧化硅。
7.根据权利要求6所述的APD红外探测器，其特征在于：所述的APD(1)为吸收、渐变、电荷、倍增层分离结构的磷化铟/铟镓砷雪崩光电二极管。
8.一种APD红外探测器的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
①在APD(1)的i-InP层上热扩散Zn3P2形成圆形的p+-InP结(2)；所述扩散工艺为闭管扩散，扩散温度为500摄氏度，扩散时间为25min；
②在p+-InP结(2)上采用正胶电子束光刻出圆形的P电极(4)，等离子空气清洗5-8分钟之后，再采用电子束蒸发形成Ti/Pt/Au电极，之后去光刻胶、退火，使P电极(4)合金化；所述P电极(4)的中心与p+-InP结(2)的中心对准；
③在p+-InP结(2)上采用正胶电子束光刻出两个同心圆环形状的Au反射层(3)，等离子空气清洗5-8分钟之后，再沉积出金属反射层(3)；所述金属反射层(3)有将P电极(4)与金属反射层(3)相连的Au带；
④在p+-InP结(2)上采用正胶电子束光刻出圆环形的通光孔(8)，再利用等离子体增强化学气相沉积法生长出SiO2薄膜填充通光孔(8)；
⑤在金属反射层(3)和P电极(4)之上，利用等离子体增强化学气相沉积法生长出SiO2薄膜形成透明介质层(5)；
⑥在透明介质层(5)上正胶电子束光刻金属阻挡环(6)，再刻蚀穿透明介质层(5)的SiO2薄膜，在透明介质层(5)外围沉积Au形成金属阻挡环(6)；。
⑦在透明介质层(5)上正胶电子束光刻金属光栅层(7)，再沉积Au形成金属光栅层(7)；金属光栅层(7)的参数如下：周期长度L＝1000nm，占空比f＝0.4/1，光栅为圆环型结构。
9.根据权利要求1所述的APD红外探测器的制作方法，其特征在于：所述第①步中的p+-InP结(2)的直径为6μm；所述第②步中的Ti/Pt/Au电极的厚度为200/300/1500埃，P电极(4)的直径为2400nm；所述第③步中的金属反射层(3)的厚度为200nm，Au带宽度为560nm；所述第④步中填充通光孔(8)的SiO2薄膜的厚度为200nm；所述第⑤步中的透明介质层(5)的SiO2薄膜的厚度为1100nm；所述第⑥步中的金属阻挡环(6)的宽度为0.56-2μm；所述第⑦步中的金属光栅层(7)的厚度为200nm，直径为50μm。
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