CN104795409B - GaAs基PHEMT和长波长谐振腔单片集成光探测器 - Google Patents
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Abstract
GaAs基PHEMT和长波长谐振腔单片集成光探测器，该结构由GaAs基PHEMT和RCE两部分组成，所述GaAs基PHEMT和RCE被腐蚀截止层InGaP隔开；所述腐蚀截止层InGaP在所述N型高掺杂盖帽层GaAs上分子束外延生长而成；所述RCE由在腐蚀截止层InGaP上依次分子束外延生长的25对λ0/4光学厚度的GaAs/AlAs DBR反射底镜、异变缓冲层/n接触层InAlGaAs、扩散阻挡层InAlGaAs、部分耗尽吸收层InGaAs、吸收层In0.5Ga0.5As、漂移增强层InAlGaAs、p接触层GaAs、八对GaAs/AlAs DBR反射顶镜。
Description
技术领域
本发明涉及化合物半导体材料及器件技术领域，尤其涉及到一种单片砷化镓(GaAs)基赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)和谐振腔(RCE)光电集成探测器的结构。
背景技术
赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)具有高频、高速、高功率增益和低噪声系数的特点，因而在毫米波频段有着广泛的应用，大量应用于军事、太空和民用通讯领域，如毫米波雷达、电子战、智能装备、卫星通讯和辐射天文学等。
谐振腔增强型(RCE)光电探测器具有波长选择特性,无须外加滤波器,还能与MEMS等技术相结合,具备探测波长大范围调谐能力,因此,在密集波分复用(DWDM)光纤通信系统中有着很好的应用前景。
长波长InP基RCE光探测器在发展过程中遇到了一定的困难,现有InP系材料的折射率差不大,制作InP系高反射率的DBR需要的对数非常多,外延生长非常困难。相比之下,GaAs/AlAs结构的DBR由于两种材料的折射率差比较大,只需较少的对数即能获得较高的反射率,并且反射带宽较宽,从而提高了RCE光探测器的量子效率。
所以，将GaAs基PHEMT和长波长(1.55μm)RCE成在同一块衬底上，形成单片集成GaAs基PHEMT和RCE材料结构，实现器件的单片集成是本发明的一个重要价值。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种长波长单片GaAs基PHEMT和RCE光电集成探测器结构，以将GaAs基PHEMT和RCE集成在同一块衬底上，实现单片集成GaAs基PHEMT和RCE。
为达到上述目的，本发明提供了GaAs基PHEMT和长波长谐振腔单片集成光探测器，该结构由GaAs基PHEMT和RCE两部分组成，所述GaAs基PHEMT和RCE被腐蚀截止层InGaP隔开；所述GaAs基PHEMT由在GaAs衬底(1)上依次分子束外延生长GaAs缓冲层(2)、十五个周期的Al0.22Ga0.78As/GaAs超晶格层(3)、沟道下势垒层Al0.22Ga0.78As(4)、沟道层In0.2Ga0.8As(5)、空间隔离层Al0.22Ga0.78As(6)、平面掺杂层(7)、势垒层Al0.22Ga0.78As(8)、N型高掺杂盖帽层GaAs(9)构成；所述腐蚀截止层InGaP(10)在所述N型高掺杂盖帽层GaAs(9)上分子束外延生长而成；所述RCE由在腐蚀截止层InGaP(10)上依次分子束外延生长的25对λ0/4光学厚度的GaAs/AlAsDBR反射底镜(11)、异变缓冲层/n接触层InAlGaAs(12)、扩散阻挡层InAlGaAs(13)、部分耗尽吸收层InGaAs(14)、吸收层In0.5Ga0.5As(15)、漂移增强层InAlGaAs(16)、p接触层GaAs(17)、八对GaAs/AlAs DBR反射顶镜(18)。
上述方案中，所述GaAs缓冲层(2)用于为后续外延层的生长提供平整的界面；该GaAs缓冲层(2)的厚度为300nm。
上述方案中，所述十五个周期的Al0.22Ga0.78As/GaAs超晶格层(3)用于减小缓冲层漏电流，其中，Al0.22Ga0.78As的厚度为10nm，GaAs的厚度为1.5nm。
上述方案中，所述沟道下势垒层Al0.22Ga0.78As(4)用于为沟道生长提供一个平整的界面，同时也利用Al0.22Ga0.78As/In0.2Ga0.8As异质结把2DEG束缚在沟道内；所述沟道下势垒层Al0.22Ga0.78As(4)的厚度为50nm。
上述方案中，所述空间隔离层Al0.22Ga0.78As(6)用于将施主杂质电离中心和2DEG空间隔离，减小电离散射作用，保证沟道内2DEG的高电子迁移率；所述空间隔离层Al0.22Ga0.78As(6)的厚度为4nm。
上述方案中，所述平面掺杂层(7)中掺杂的是Si，掺杂剂量为3.0x1012cm-2。
上述方案中，所述N型高掺杂盖帽层GaAs(9)中掺杂的是Si，掺杂Si浓度为5×1018cm-3，N+-GaAs与栅金属接触为器件制备提供良好的欧姆接触；该N型高掺杂盖帽层GaAs(9)的厚度为50nm。
上述方案中，所述腐蚀截止层InGaP(10)用于将PHEMT和RCE的外延结构隔开，在腐蚀过程中起到腐蚀截止作用；该腐蚀截止层InGaP(10)的厚度为3nm。
上述方案中，所述沟道层In0.2Ga0.8As(5)的厚度为12nm，所述势垒层Al0.22Ga0.78As(8)的厚度为15nm。
上述方案中，所述DBR反射底镜(11)由25对λ0/4光学厚度GaAs/AlAs构成。
所述p接触层GaAs(17)厚5nm。
所述扩散阻挡层InAlGaAs(16)厚135nm。
所述部分耗尽吸收层InGaAs(15)厚150nm。
所述吸收层InGaAs(14)厚100nm。
所述漂移增强层InAlGaAs(13)厚465nm。
所述异变缓冲层/n接触层InAlGaAs(12)厚2000nm。
所述DBR反射顶镜(18)由八对GaAs/AlAs构成。
从上述技术方案可以看出，本发明提供的这种单片集成GaAs基PHEMT和RCE材料结构，是在常规GaAs基PHEMT外延结构的基础上，生长了腐蚀截止层InGaP、GaAs/AlAs DBR反射底镜、p接触层GaAs、扩散阻挡层InAlGaAs、部分耗尽吸收层InGaAs、吸收层In0.5Ga0.5As、漂移增强层InAlGaAs、异变缓冲层/n接触层InAlGaAs和GaAs/AlAs DBR反射顶镜用来实现RCE。InGaP将PHEMT和RCE隔开，并在腐蚀过程中，起到腐蚀截止作用。PHEMT和RCE两部份晶格不匹配，通过异变缓冲层/n接触层将下层GaAs系晶格常数材料逐渐过渡为上层InGaAs材料晶格常数，经过相应的工艺，可以达到单片集成GaAs基PHEMT和RCE的目的。
另外，本发明提供的这种单片集成GaAs基PHEMT和RCE材料结构，还有利于减小器件尺寸，缩短传输线长度，减少RC延迟时间。
另外，本发明提供的这种单片集成GaAs基PHEMT和RCE材料结构，可以实现更为复杂的电路，例如单片集成pHEMT放大器和RCE。
附图说明
图1是本发明提供的单片集成GaAs基PHEMT和RCE材料结构的示意图。
图中：1、GaAs衬底，2、GaAs缓冲层，3、十五个周期的Al0.22Ga0.78As/GaAs超晶格层，4、沟道下势垒层Al0.22Ga0.78As，5、沟道层In0.2Ga0.8As，6、空间隔离层Al0.22Ga0.78As，7、平面掺杂层，8、、势垒层Al0.22Ga0.78As，9、N型高掺杂盖帽层GaAs，10、腐蚀截止层InGaP，11、GaAs/AlAs DBR反射底镜，12、异变缓冲层/n接触层InAlGaAs，13、扩散阻挡层InAlGaAs，14、部分耗尽吸收层InGaAs，15、吸收层In0.5Ga0.5As，16、漂移增强层InAlGaAs，17、p接触层GaAs，18、GaAs/AlAs DBR反射顶镜。
具体实施方式
本发明提供的这种单片集成GaAs基PHEMT和RCE材料结构，是在常规GaAs基PHEMT外延结构的基础上，生长了腐蚀截止层In0.5Ga0.5P、GaAs/AlAs DBR反射底镜、p接触层GaAs、扩散阻挡层InAlGaAs、部分耗尽吸收层In0.5Ga0.5As、吸收层In0.5Ga0.5As、漂移增强层InAlGaAs、异变缓冲层/n接触层InxAl0.4Ga1-x-0.4As和GaAs/AlAsDBR反射顶镜用来实现RCE。InGaP将PHEMT和RCE隔开，并在腐蚀过程中，起到腐蚀截止作用。PHEMT和RCE两部份晶格不匹配，通过异变缓冲层/n接触层将下层GaAs系晶格常数材料逐渐过渡为上层InGaAs材料晶格常数，经过相应的工艺，可以达到单片集成GaAs基PHEMT和RCE的目的。
常规GaAs基PHEMT材料结构由在GaAs衬底上依次生长的缓冲层GaAs、十五个周期的Al0.22Ga0.78As/GaAs超晶格层、沟道下势垒层Al0.22Ga0.78As、沟道层In0.2Ga0.8As、空间隔离层Al0.22Ga0.78As、平面掺杂层Si、势垒层Al0.22Ga0.78As和N型高掺杂盖帽层GaAs构成。
RCE材料结构由在GaAs衬底上依次生长的GaAs/AlAs DBR反射底镜、p接触层GaAs、扩散阻挡层InAlGaAs、部分耗尽吸收层In0.5Ga0.5As、吸收层In0.5Ga0.5As、漂移增强层InAlGaAs、异变缓冲层/n接触层InxAl0.4Ga1-x-0.4As和GaAs/AlAs DBR反射顶镜构成。
如图1所示，图1是本发明提供的单片集成GaAs基PHEMT和RCE材料结构的示意图，该结构由GaAs基pHEMT和RCE部分组成，所述GaAs基PHEMT和所述RCE被腐蚀截止层InGaP隔开。
所述GaAs基PHEMT由在GaAs衬底上依次分子束外延生长的缓冲层GaAs、十五个周期的Al0.22Ga0.78As/GaAs超晶格层、沟道下势垒层Al0.22Ga0.78As、沟道层In0.2Ga0.8As、空间隔离层Al0.22Ga0.78As、平面掺杂层、势垒层Al0.22Ga0.78As、N型高掺杂盖帽层GaAs构成。
所述腐蚀截止层InGaP在所述N型高掺杂盖帽层GaAs上分子束外延生长而成。
所述RCE由在腐蚀截止层InGaP上依次分子束外延生长的GaAs/AlAs DBR反射底镜、p接触层GaAs、扩散阻挡层InAlGaAs、部分耗尽吸收层In0.5Ga0.5As、吸收层In0.5Ga0.5As、漂移增强层InAlGaAs、异变缓冲层/n接触层InxAl0.4Ga1-x-0.4As和GaAs/AlAs DBR反射顶镜构成。
所述缓冲层GaAs用于为后续外延层的生长提供平整的界面；该缓冲层GaAs的厚度为300nm。
所述十五个周期的Al0.22Ga0.78As/GaAs超晶格层用于减小缓冲层漏电流，其中，Al0.22Ga0.78As的厚度为10nm，GaAs的厚度为1.5nm。
所述沟道下势垒层Al0.22Ga0.78As用于为沟道生长提供一个平整的界面，同时也利用Al0.22Ga0.78As/In0.2Ga0.8As异质结把2DEG束缚在沟道内；所述沟道下势垒层Al0.22Ga0.78As的厚度为50nm。
所述空间隔离层Al0.22Ga0.78As用于将施主杂质电离中心和2DEG空间隔离，减小电离散射作用，保证沟道内2DEG的高电子迁移率；所述空间隔离层Al0.22Ga0.78As的厚度为4nm。
所述平面掺杂层中掺杂的是Si，掺杂剂量为3.0x1012cm-2。
所述N型高掺杂盖帽层GaAs中掺杂的是Si，掺杂Si浓度为5x1018cm-3，N+-GaAs与栅金属接触为器件制备提供良好的欧姆接触；该N型高掺杂盖帽层GaAs的厚度为50nm。
所述沟道层In0.2Ga0.8As的厚度为12nm，所述势垒层Al0.22Ga0.78As的厚度为15nm。
所述腐蚀截止层InGaP用于将PHEMT和RCE的外延结构隔开，在腐蚀过程中起到腐蚀截止作用；该腐蚀截止层InGaP的厚度为3nm。
所述DBR反射底镜由25对λ0/4光学厚度GaAs/AlAs构成。
所述p接触层GaAs厚度为5nm。
所述扩散阻挡层InAlGaAs厚135nm，阻挡p-InGaAs层少数载流子，Be掺杂浓度2x1018cm-3。
所述部分耗尽吸收层In0.5Ga0.5As厚度为150nm，掺杂浓度从5x1017cm-3到2x1018cm-3变化，以获得高带宽效率。所述吸收层In0.5Ga0.5As厚100nm。
所述漂移增强层InAlGaAs厚度为465nm，为了减小结电容。
所述异变缓冲层/n接触层InxAl0.4Ga1-x-0.4As厚度为2000nm，In组分从0.02增加到0.56，从而改变上下层晶格系数，使其匹配；同时作为n接触层，掺杂浓度为2x1018cm-3。
所述DBR反射顶镜由8对GaAs/AlAs构成。
下面进一步说明本发明提供的这种单片集成GaAs基PHEMT和RCE材料结构的生长过程。
步骤1、在GaAs衬底上生长200nm的缓冲层GaAs；
步骤2、在缓冲层GaAs上生长十五个周期的10nmAl0.22Ga0.78As/1.5nm GaAs超晶格；
步骤3、在十五个周期的Al0.22Ga0.78As/GaAs超晶格层上生长50nm的沟道下势垒层Al0.22Ga0.78As；
步骤4、在沟道下势垒层Al0.22Ga0.78As上生长12nm的沟道层In0.2Ga0.8As；
步骤5、在沟道层In0.2Ga0.8As上生长4nm的空间隔离层Al0.22Ga0.78As；
步骤6、在空间隔离层Al0.22Ga0.78As上生长平面掺杂层，掺杂Si的剂量为3.0x1012cm-2；
步骤7、在平面掺杂层上生长15nm的势垒层A10.22Ga0.78As；
步骤8、在势垒层Al0.22Ga0.78As上生长50nm N型高掺杂盖帽层GaAs；
步骤9、在N型高掺杂盖帽层GaAs上生长25对λ0/4光学厚度GaAs/AlAs DBR反射底镜；
步骤10、在DBR反射底镜上生长厚2000nm异变缓冲层/n接触层InxAl0.4Ga1-x-0.4As；
步骤11、在异变缓冲层/n接触层InxAl0.4Ga1-x-0.4As上生长465nm的漂移增强层InAlGaAs；
步骤12、在漂移增强层InAlGaAs上生长100nm的吸收层In0.5Ga0.5As；
步骤13、在吸收层In0.5Ga0.5As上生长150nm部分耗尽吸收层In0.5Ga0.5As；
步骤14、在部分耗尽吸收层In0.5Ga0.5As上生长厚135nm扩散阻挡层InAlGaAs；
步骤15、在扩散阻挡层InAlGaAs上生长5nm p接触层GaAs；
步骤16、在p接触层GaAs上生长8对λ0/4光学厚度GaAs/AlAsDBR反射顶镜。
本发明的单片集成GaAs基PHEMT和RCE材料结构，考虑到外延生长和器件性能两方面的实际要求，各层厚度、掺杂剂量可在一定范围内，根据具体材料和器件指标进行调整。在满足外延生长可实现的前提下，实现单片集成GaAs基PHEMT和RCE。
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 (5)
1.GaAs基PHEMT和长波长谐振腔单片集成光探测器，其特征在于：该结构由GaAs基PHEMT和RCE两部分组成，所述GaAs基PHEMT和RCE被腐蚀截止层InGaP隔开；所述GaAs基PHEMT由在GaAs衬底(1)上依次分子束外延生长GaAs缓冲层(2)、十五个周期的Al0.22Ga0.78As/GaAs超晶格层(3)、沟道下势垒层Al0.22Ga0.78As(4)、沟道层In0.2Ga0.8As(5)、空间隔离层Al0.22Ga0.78As(6)、平面掺杂层(7)、势垒层Al0.22Ga0.78As(8)、N型高掺杂盖帽层GaAs(9)构成；所述腐蚀截止层InGaP(10)在所述N型高掺杂盖帽层GaAs(9)上分子束外延生长而成；所述RCE由在腐蚀截止层InGaP(10)上依次分子束外延生长的25对λ0/4光学厚度的GaAs/AlAs DBR反射底镜(11)、异变缓冲层/n接触层InAlGaAs(12)、扩散阻挡层InAlGaAs(13)、部分耗尽吸收层InGaAs(14)、吸收层In0.5Ga0.5As(15)、漂移增强层InAlGaAs(16)、p接触层GaAs(17)、八对GaAs/AlAs DBR反射顶镜(18)；
所述GaAs缓冲层(2)用于为后续外延层的生长提供平整的界面；该GaAs缓冲层(2)的厚度为300nm；
所述十五个周期的Al0.22Ga0.78As/GaAs超晶格层(3)用于减小缓冲层漏电流，其中，Al0.22Ga0.78As的厚度为10nm，GaAs的厚度为1.5nm；
所述沟道下势垒层Al0.22Ga0.78As(4)用于为沟道生长提供一个平整的界面，同时也利用Al0.22Ga0.78As/In0.2Ga0.8As异质结把2DEG束缚在沟道内；所述沟道下势垒层Al0.22Ga0.78As(4)的厚度为50nm；
所述空间隔离层Al0.22Ga0.78As(6)用于将施主杂质电离中心和2DEG空间隔离，减小电离散射作用，保证沟道内2DEG的高电子迁移率；所述空间隔离层Al0.22Ga0.78As(6)的厚度为4nm；
所述平面掺杂层(7)中掺杂的是Si，掺杂剂量为3.0x1012cm-2。
2.根据权利要求1所述的GaAs基PHEMT和长波长谐振腔单片集成光探测器，其特征在于：所述N型高掺杂盖帽层GaAs(9)中掺杂的是Si，掺杂Si浓度为5×1018cm-3，N+-GaAs与栅金属接触为器件制备提供良好的欧姆接触；该N型高掺杂盖帽层GaAs(9)的厚度为50nm。
3.根据权利要求1所述的GaAs基PHEMT和长波长谐振腔单片集成光探测器，其特征在于：所述腐蚀截止层InGaP(10)用于将PHEMT和RCE的外延结构隔开，在腐蚀过程中起到腐蚀截止作用；该腐蚀截止层InGaP(10)的厚度为3nm。
4.根据权利要求1所述的GaAs基PHEMT和长波长谐振腔单片集成光探测器，其特征在于：所述沟道层In0.2Ga0.8As(5)的厚度为12nm，所述势垒层Al0.22Ga0.78As(8)的厚度为15nm。
5.根据权利要求1所述的GaAs基PHEMT和长波长谐振腔单片集成光探测器，其特征在于：所述DBR反射底镜(11)由25对λ0/4光学厚度GaAs/AlAs构成；所述DBR反射顶镜(18)由八对GaAs/AlAs构成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20181012 |
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