CN105322034B - 一种光电探测器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光电探测器，在光电转换层上外延生长光衰减层，所述光衰减层与所述光电转换层的材料相同或所述光衰减层的材料带隙比所述光电转换层的材料带隙窄，使得入射至光探测器的强光在到达pn结空间电荷区之前，大部分被所述光衰减层吸收，当光衰减层的厚度固定后，照射到pn结空间电荷区的光强与入射光光强的比例也确定，且该比例在探测器制作完成后会保持稳定不变。因此，虽然照射到pn结空间电荷区的光已被光衰减层所衰减，但通过光电流的测量仍然可以确定入射光的光功率，从而能够提供准确的光功率信息。

Description

一种光电探测器及其制备方法
【技术领域】
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种光电探测器。
【背景技术】
光电探测器是利用半导体材料的光电导效应制成的一种光探测器件。光电探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。
光电探测器的工作原理是基于光电效应，当有光照射到PN结上时，光子在PN结的空间电荷区内被材料吸收，产生电子和空穴，在内建电场的作用下，电子和空穴分别向n型和p型区域运动形成电流。通常情况下电路中的电流和光照强度呈线性关系,光强越强，电路中的电流也会越大，但是当照射光强度达到一定程度时，光电探测器的光电流不再随光强增加而线性增加，出现所谓的饱和现象。
特别是随着大功率LED和大功率半导体激光器的发展，对强光的探测和测量变得越来越急迫。一般的光电探测器在大的光功率下都会出现饱和现象而不能给出准确的发光器件的光功率信息。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种光电探测器，该光电探测器能够提供准确的光功率信息。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种光电探测器，包括：依次设置的第一层、第二层、第三层、第四层和第五层，其中，
第一层为第一欧姆接触电极层；
第二层为衬底；
第三层为光电转换层；
第四层为光衰减层；
第五层为第二欧姆接触电极层；
所述光电转换层与所述衬底的材料相同但导电类型相反，所述光衰减层与所述光电转换层的材料相同或所述光衰减层的材料带隙比所述光电转换层的材料带隙窄。
在一些实施例中，所述衬底为n型或p型单晶硅、或单晶砷化镓。
在一些实施例中，所述光衰减层的厚度在1～10微米之间。
另外，本发明还提供了一种光电探测器的制备方法，包括下述步骤：
提供一衬底；
在所述衬底上表面依次外延生长光电转换层、光衰减层及第二欧姆接触电极层；
在所述衬底的下表面生长第一欧姆接触电极层；
其中，所述光电转换层与所述衬底的材料相同但导电类型相反，所述光衰减层与所述光电转换层的材料相同或所述光衰减层的材料带隙比所述光电转换层的材料带隙窄。
在一些实施例中，所述衬底为n型或p型单晶硅、或单晶砷化镓。
在一些实施例中，所述光衰减层的厚度在1～10微米之间。
采用上述技术方案，本发明的有益效果在于：
本发明提供的光电探测器，包括：第一欧姆接触电极层、衬底、光电转换层、光衰减层和第二欧姆接触电极层，其中，所述光电转换层与所述衬底的材料相同但导电类型相反，所述光衰减层与所述光电转换层的材料相同或所述光衰减层的材料带隙比所述光电转换层的材料带隙窄。本发明提供的光电探测器，在光电转换层上外延生长光衰减层，所述光衰减层与所述光电转换层的材料相同或所述光衰减层的材料带隙比所述光电转换层的材料带隙窄，使得入射至光探测器的强光在到达pn结空间电荷区之前，大部分被所述光衰减层吸收，当光衰减层的厚度固定后，照射到pn结空间电荷区的光强与入射光光强的比例也确定，且该比例在探测器制作完成后会保持稳定不变。因此，虽然照射到pn结空间电荷区的光已被光衰减层所衰减，但通过光电流的测量仍然可以确定入射光的光功率，从而能够提供准确的光功率信息。
另外，本发明还提供了一种光电探测器的制备方法，通过在所述衬底上表面依次外延生长光电转换层、光衰减层及第二欧姆接触电极层；在所述衬底的下表面生长第一欧姆接触电极层，得到上述光电探测器，所述光衰减层与所述光电转换层的材料相同或所述光衰减层的材料带隙比所述光电转换层的材料带隙窄，从而能够提供准确的光功率信息，其制备工艺简单，可适应工业化生产。
【附图说明】
图1为本发明提供的光电探测器的结构示意图；
图2为本发明提供的光电探测器的制备方法的步骤流程图。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在申请文件中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
请参阅图1，图1为本发明实施例提供的光电探测器的结构示意图100，从图1中可见，光电探测器100包括：依次设置的第一层、第二层、第三层、第四层和第五层，其中，第一层为第一欧姆接触电极层110、第二层为衬底120、第三层为光电转换层130、第四层为光衰减层140、第五层为第二欧姆接触电极层150。
优选地，光电转换层130与衬底120的材料相同但导电类型相反。其中，衬底120为n型或p型单晶硅、或单晶砷化镓。可以理解，衬底120为n型或p型单晶硅、或单晶砷化镓只是其中优选的方式，实际中衬底120还可以采用其他的材料。可以理解，导电类型可以为载流子型导电。
光衰减层140与光电转换层130的材料相同或光衰减层140的材料带隙比光电转换层130的材料带隙窄。优选地，光衰减层的厚度在1～10微米之间。可以理解，光衰减层140的厚度由所要探测的光强及材料的吸收系数确定。例如，当Si作为光电转换层时可以选择比Si(1.12eV)更窄的Ge(0.67eV)材料作为光衰减层。
进一步地，光衰减层140远离pn结光电转换层的空间电荷区，因而其中所发生的光吸收过程不能形成光电流。
优选地，第一欧姆接触电极层110和第二欧姆接触电极层150为钯和金。可以理解，第一欧姆接触电极层110和第二欧姆接触电极层150还可以采用其他的材料。
请参阅图2，为本发明提供的光电探测器的制备方法的步骤流程图，包括下述步骤：
步骤S110：提供一衬底120；
衬底120为n型或p型单晶硅、或单晶砷化镓。可以理解，衬底120为n型或p型单晶硅、或单晶砷化镓只是其中优选的方式，实际中衬底120还可以采用其他的材料。
步骤S120：在所述衬底120上表面依次外延生长光电转换层130、光衰减层140及第二欧姆接触电极层150；
优选地，光衰减层140与光电转换层130的材料相同或光衰减层140的材料带隙比光电转换层130的材料带隙窄。优选地，光衰减层的厚度在1～10微米之间。可以理解，光衰减层140的厚度由所要探测的光强及材料的吸收系数确定。
进一步地，光衰减层140远离pn结光电转换层的空间电荷区，因而其中所发生的光吸收过程不能形成光电流。
步骤S130：在所述衬底120的下表面生长第一欧姆接触电极层110；
优选地，第一欧姆接触电极层110和第二欧姆接触电极层150为钯和金。可以理解，第一欧姆接触电极层110和第二欧姆接触电极层150还可以采用其他的材料。
本发明提供的光电探测器100，包括：第一欧姆接触电极层110、衬底120、光电转换层130、光衰减层140和第二欧姆接触电极层150，其中，所述光电转换层130与所述衬底120的材料相同但导电类型相反，所述光衰减层140与所述光电转换层130的材料相同或所述光衰减层140的材料带隙比所述光电转换层130的材料带隙窄。本发明提供的光电探测器100，在光电转换层130上外延生长光衰减层140，所述光衰减层140与所述光电转换层130的材料相同或所述光衰减层140的材料带隙比所述光电转换层130的材料带隙窄，使得入射至光探测器的强光在到达pn结空间电荷区之前，大部分被所述光衰减层140吸收，当光衰减层140的厚度固定后，照射到pn结空间电荷区的光强与入射光光强的比例也确定，且该比例在探测器制作完成后会保持稳定不变。因此，虽然照射到pn结空间电荷区的光已被光衰减层所衰减，但通过光电流的测量仍然可以确定入射光的光功率，从而能够提供准确的光功率信息。
以下通过具体实施例进一步阐述本发明，这些实施例仅用于举例说明的目的，并没有限制本发明的范围。
本发明提出的光电探测器的器件制备过程为：以n型(或P型)单晶硅(或单晶砷化镓)为衬底120，利用PECVD、MOCVD、磁控溅射和其它生长Si及GaAs、InGaAs薄膜的设备，生长出器件结构。该器件结构包括衬底层120、光电转换层130、光衰减层140。在受光面一侧蒸镀SiO2，利用光刻方法形成电极图形，蒸镀电极金属并退火形成第一欧姆接触电极层110，用稀释的氢氟酸将SiO2利腐蚀掉。在下表面蒸镀电极金属并退火，实现第二欧姆接触电极层150。将外延片划片制成探测器管芯，最后封装形成强光探测器器件。
实施例1
为了进一步说明本器件结构的效果，我们以工作波长为450nm的最大测量光功率为200mW的Si基强光光电探测器为例说明该器件结构的制备过程。具体如下：以P型单晶硅为衬底120，在所述衬底120上表面依次外延生长光电转换层130、光衰减层140及第二欧姆接触电极层150，其中，光电转换层130为硅，厚度为0.8μm，光衰减层140为硅，其厚度为2.0μm，在受光面一侧蒸镀SiO2，利用光刻方法形成电极图形，蒸镀金并退火形成n型第一欧姆接触电极层110，用稀释的氢氟酸将SiO2利腐蚀掉。在下表面蒸镀铝并退火，实现p型第二欧姆接触电极层150。将外延片划片制成9mm*9mm探测器管芯，最后封装形成强光光电探测器器件。由于pn结光电转换层前面增加了2.0μm的光衰减层，到达pn结光电转换层的强光被衰减为原光强的1％，因而该探测器对于200mW的激光都不会饱和。
实施例2
为了更进一步说明本器件结构的效果，我们再以工作波长为450nm的最大测量光功率为500mW的GaAs基强光光电探测器为例说明该器件结构的制备过程。具体如下：以n型单晶GaAs为衬底120，在所述衬底120上表面依次外延生长光电转换层130、光衰减层140及第二欧姆接触电极层150，其中，光电转换层130为GaAs，厚度为0.8μm，光衰减层为p型In0.05Ga0.95As12，厚度为5.0μm。在受光面一侧蒸镀SiO2，利用光刻方法形成电极图形，蒸镀钛和金并热退火形成p型第一欧姆接触电极层110，用稀释的氢氟酸将SiO2利腐蚀掉。在下表面蒸镀钯并热退火，实现n型第二欧姆接触电极层150。将外延片划片制成10mm*10mm探测器管芯，最后封装形成强光探测器器件。由于pn结光电转换层前面增加了5μm的光衰减层，到达pn结光电转换层的强光被衰减为原光强的0.4％，因而该探测器对于500mW的激光都不会饱和。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (2)

1.一种光电探测器，其特征在于，包括依次设置的第一层、第二层、第三层、第四层和第五层，其中，
第一层为第一欧姆接触电极层；
第二层为衬底；
第三层为光电转换层；
第四层为光衰减层；
第五层为第二欧姆接触电极层；
所述衬底为n型单晶GaAs（ 120） ，所述光电转换层为GaAs，厚度为0.8μm，所述光衰减层为p型In0.05Ga0.95As12，厚度为5.0μm。
2.一种光电探测器的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
提供一衬底；
在所述衬底上表面依次外延生长光电转换层、光衰减层及第二欧姆接触电极层；
在所述衬底的下表面生长第一欧姆接触电极层；
所述衬底为n型单晶GaAs（ 120） ，所述光电转换层为GaAs，厚度为0.8μm，所述光衰减层为p型In0.05Ga0.95As12，厚度为5.0μm。
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