CN105742400A - 一种双色探测器的制备方法及双色探测器 - Google Patents

一种双色探测器的制备方法及双色探测器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双色探测器的制备方法，包括：S1、在InP衬底上依次倒置生长p-InP帽层、PIN型InGaAsP层、PIN-IP型InGaAs层和p+InP型键合层形成探测器外延层；S2、在n型GaAs衬底上依次生长GaAs/AlGaAs层和n+GaAs键合层形成分布式布拉格反射器外延层；S3、将探测器外延层与分布式布拉格反射器外延层进行键合；S4、剥离InP衬底；S5、台面刻蚀以及电极制作形成探测器，并在探测器表面制备TiO2/SiO2增透膜。本发明还提供了一种双色探测器。

Description

一种双色探测器的制备方法及双色探测器
技术领域
本发明涉及半导体技术，尤其涉及一种双色探测器的制备方法及双色探测器。
背景技术
近年来，随着光纤通讯技术的发展，InGaAs光电探测器作为光纤通讯的关键器件之一，其发展一直被人们重视。然而，传统的InGaAs光电探测器存在一些不足之处。
首先，传统的Si/InGaAs双色探测器由于Si材料和InGaAs材料之间存在8％的晶格失配，因此，常常需要引入缓冲层来释放因晶格失配产生的应力，从而使得器件在制备过程中难度增加。其次，对于传统的PIN-InGaAs探测器,如果吸收层厚度过薄，光生载流子不能被充分吸收，会影响探测器的量子效率，然而，如果吸收层过厚，则会增加载流子的输运时间，进而影响探测器的响应度。另外，受吸收区厚度的限制，部分光子常常在经过吸收区后仍然不能被探测器吸收，造成部分光子的损失，影响探测器的量子效率。最后，传统的InGaAs光电探测器，电极在收集载流子时，存在较大的横向扩展电阻，在一定程度上影响了器件的性能。
发明内容
鉴于现有技术存在的不足，本发明提供了一种响应度高、量子效率高的双色探测器及双色探测器的制备方法。
为了实现上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种双色探测器的制备方法，包括：
S1、在InP衬底上依次倒置生长p-InP帽层、PIN型InGaAsP层、PIN-IP型InGaAs层和p+InP型键合层形成探测器外延层；
S2、在n型GaAs衬底上依次生长GaAs/AlGaAs层和n+GaAs键合层形成分布式布拉格反射器外延层；
S3、将所述探测器外延层与所述分布式布拉格反射器外延层进行键合；
S4、剥离所述InP衬底；
S5、台面刻蚀以及电极制作形成探测器，并在探测器表面制备TiO2/SiO2增透膜。
其中，所述步骤S1中所述探测器外延层的倒置生长方法采用分子束外延的方法。
其中，所述步骤S3中所述探测器外延层与所述分布式布拉格反射器外延层采用等离子体常温键合。
其中，所述步骤S5中，所述台面刻蚀的过程采用SiO2作为掩膜层，依次刻蚀出n-InGaAsP台面、上p-InGaAs台面、n-InGaAs台面和下p-InGaAs台面。
其中，所述步骤S5中，所述台面刻蚀的过程在刻蚀出台面后还利用离子体增强化学气相淀积方法淀积Si3N4钝化层对刻蚀侧壁进行钝化，然后通过RIE干法刻蚀方法刻蚀出电极窗口。
其中，所述步骤S5中，所述电极制作的过程为：在最外层的p-InP帽层上制备石墨烯透明导电电极，然后在所述n-InGaAsP台面、所述n-InGaAs台面上通过电子束蒸发的方法分别制备第一n型电极、第二n型电极，通过磁控溅射方法在上所述p-InGaAs台面和所述下p-InGaAs台面上分别制备第一p型电极、第二p型电极。
其中，所述制备TiO2/SiO2增透膜的过程是采用光学镀膜的方法在探测器的表面制备。
同时，本发明还提供了一种使用如上制备方法制备的双色探测器，包括探测器外延层、分布式布拉格反射器外延层和电极，所述探测器外延层包括依次倒置生长的p-InP帽层、PIN型InGaAsP层、PIN-IP型InGaAs层和p+InP型键合层，所述分布式布拉格反射器外延层包括n型GaAs衬底及所述n型GaAs衬底上依次生长的GaAs/AlGaAs层和n+GaAs键合层，所述n+GaAs键合层与所述探测器外延层的所述p+InP型键合层键合。
其中，所述探测器外延层包括n-InGaAsP台面、上p-InGaAs台面、n-InGaAs台面和下p-InGaAs台面，第一n型电极、第二n型电极分别设于所述n-InGaAsP台面和所述n-InGaAs台面上，第一p型电极、第二p型电极分别设于所述p-InGaAs台面和所述下p-InGaAs台面上。
其中，石墨烯透明导电电极设在最外层的p-InP帽层上。
本发明通过采用PIN-InGaAsP/PINIP-InGaAs双色红外探测器结构，实现了探测器对近红外光子的二次吸收，通过引入分布式布拉格反射器(DBR)和PINIP-InGaAs探测器结构，在维持传统PIN结构响应速度的基础上，大大提高了探测器的量子效率，避免了传统PIN结构带来的响应度与高带宽之间的矛盾问题。
附图说明
图1为本发明实施例的探测器的制备方法原理示意图。
图2为本发明实施例的探测器外延层结构示意图。
图3为本发明实施例的分布式布拉格反射器外延层结构示意图。
图4为本发明实施例的探测器外延层与分布式布拉格反射器外延层键合后的结构示意图。
图5为本发明实施例的探测器制备过程中刻蚀后的结构示意图。
图6为本发明实施例的探测器的结构示意图。
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，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。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。
参阅图1，实施例的探测器的制备方法原理示意图。
本发明实施例的双色探测器的制备方法为：结合图2，在步骤S1中，在半绝缘的InP衬底101上依次倒置生长p-InP帽层102、PIN型InGaAsP层103、PIN-IP型InGaAs层104和p+InP型键合层105形成探测器外延层100。结合图3，在步骤S2中，在半绝缘的n型GaAs衬底201上依次生长GaAs/AlGaAs层202和n+GaAs键合层203形成分布式布拉格反射器外延层200；在步骤S3中，将探测器外延层100与分布式布拉格反射器外延层200进行键合；在步骤S4中，剥离InP衬底101；在步骤S5中，如图5和图6，进行台面刻蚀以及电极制作形成探测器，并在探测器表面制备TiO2/SiO2增透膜300。
步骤S1中，通过利用分子束外延(MBE)设备使探测器外延层10倒置生长。
步骤S2中，GaAs/AlGaAs层202和n+GaAs键合层203的生长周期数为30。
步骤S3中，探测器外延层100与分布式布拉格反射器外延层200采用Ar等离子体常温键合。
步骤S4中，优选采用湿法腐蚀方法完成InP衬底的剥离。
本实施例采用等离子体常温键合的方法，实现了GaAs衬底上InGaAsP/InGaAs探测器的制备，利用等离子体键合的方法减小了键合界面的光子损失，避免了传统高温键合方法键合时因热膨胀引起的界面电阻增大、界面缺陷增加等问题的出现。
步骤S5中，台面刻蚀的过程采用SiO2作为掩膜层，利用ICP(InductivelyCoupledPlasma，即感应耦合等离子体刻蚀)干法刻蚀方法依次刻蚀出n-InGaAsP台面103a、上p-InGaAs台面104a、n-InGaAs台面104b和下p-InGaAs台面104c，然后利用离子体增强化学气相淀积(PECVD)的方法淀积Si3N4钝化层对刻蚀侧壁进行钝化，然后通过RIE(ReactiveIonEtching，即反应离子刻蚀)干法刻蚀方法刻蚀出各电极窗口。
步骤S5中，电极制作的过程为：在最外层的p-InP帽层102上制备p型石墨烯透明导电电极3，然后在n-InGaAsP台面103a、n-InGaAs104b台面上通过电子束蒸发的方法分别制备第一n型电极1a、第二n型电极1b，通过磁控溅射方法在上p-InGaAs台面104a和下p-InGaAs台面104c上分别制备第一p型电极2a、第二p型电极2b。其中，本实施例的第一n型电极1a、第二n型电极1b优选采用Ni/AuGe/Ni/Au作为电极材料。第一p型电极2a、第二p型电极2b优选采用Pd/Zn/Pd/Au作为电极材料。通过引入石墨烯/Pd/Zn/Pd/Au电极结构，有助于载流子的收集，同时减小了探测器的横向扩展电阻，提高了探测器的相应度。
另外，本实施例采用光学镀膜的方法在探测器的表面制备TiO2/SiO2增透膜300，以减小样品表面的反射率，从而提高光子的利用率。
本发明采用PIN-InGaAsP/PINIP-InGaAs双色红外探测器结构，实现了探测器对近红外光子的二次吸收，通过引入分布式布拉格反射器和PINIPInGaAs探测器结构，在维持传统PIN结构响应速度的基础上，大大提高了探测器的量子效率，避免了传统PIN结构带来的响应度与高带宽之间的矛盾问题。
如图4所示，双色探测器包括探测器外延层100、分布式布拉格反射器外延层200、石墨烯透明导电电极3、第一n型电极1a、第二n型电极1b和第一p型电极2a、第二p型电极2b，其中，探测器外延层100包括依次倒置生长的p-InP帽层102、PIN型InGaAsP层103、PIN-IP型InGaAs层104和p+InP型键合层105，分布式布拉格反射器外延层200包括n型GaAs衬底201及n型GaAs衬底201上依次生长的GaAs/AlGaAs层202和n+GaAs键合层203，n+GaAs键合层203与探测器外延层100的p+InP型键合层105键合。
探测器外延层100经刻蚀后形成n-InGaAsP台面103a、上p-InGaAs台面104a、n-InGaAs台面104b和下p-InGaAs台面104c，其中，第一n型电极1a、第二n型电极1b分别设于n-InGaAsP台面103a和n-InGaAs台面104b上，第一p型电极2a、第二p型电极2b分别设于p-InGaAs台面104a和下p-InGaAs台面104c上。石墨烯透明导电电极3设在最外层的p-InP帽层102上。
本发明实施例通过采用两个i型InGaAs吸收层，避免了因传统探测器中因吸收层厚度过薄造成量子效率的降低，同时也避免了因吸收层厚度过大引起的载流子输运时间的延长，从而影响探测器的响应速度；通过引入PIN型InGaAsP探测器结构，扩大了探测器的探测范围，实现了探测器的双色探测；通过引入GaAs/AlGaAsDBR结构，再通过等离子体键合的方法将探测外延层和GaAs/AlGaAsDBR进行键合，使得没有被探测器吸收的光子重新反射回吸收区，进行二次利用，提高了探测器量子效率，从而有助于响应度的提高。同时，通过在p型接触层上制备石墨烯/Pd/Zn/Pd/Au电极，扩大了P型电极的面积，不仅有助于载流子的收集，而且还减小了横向扩展电阻，改善了探测器的响应度。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种双色探测器的制备方法，其特征在于，包括：
S1、在InP衬底(101)上依次倒置生长p-InP帽层(102)、PIN型InGaAsP层(103)、PIN-IP型InGaAs层(104)和p+InP型键合层(105)形成探测器外延层(100)；
S2、在n型GaAs衬底(201)上依次生长GaAs/AlGaAs层(202)和n+GaAs键合层(203)形成分布式布拉格反射器外延层(200)；
S3、将所述探测器外延层(100)与所述分布式布拉格反射器外延层(200)进行键合；
S4、剥离所述InP衬底(101)；
S5、台面刻蚀以及电极制作形成探测器，并在探测器表面制备TiO2/SiO2增透膜(300)。
2.根据权利要求1所述的双色探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中所述探测器外延层(10)的倒置生长方法采用分子束外延的方法。
3.根据权利要求1所述的双色探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中所述探测器外延层(100)与所述分布式布拉格反射器外延层(200)采用等离子体常温键合。
4.根据权利要求1所述的双色探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤S5中，所述台面刻蚀的过程采用SiO2作为掩膜层，依次刻蚀出n-InGaAsP台面(103a)、上p-InGaAs台面(104a)、n-InGaAs台面(104b)和下p-InGaAs台面(104c)。
5.根据权利要求4所述的双色探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤S5中，所述台面刻蚀的过程在刻蚀出台面后还利用离子体增强化学气相淀积方法淀积Si3N4钝化层对刻蚀侧壁进行钝化，然后通过RIE干法刻蚀方法刻蚀出电极窗口。
6.根据权利要求5所述的双色探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤S5中，所述电极制作的过程为：在最外层的所述p-InP帽层(102)上制备石墨烯透明导电电极(3)，然后在所述n-InGaAsP台面(103a)、所述n-InGaAs(104b)台面上通过电子束蒸发的方法分别制备第一n型电极(1a)、第二n型电极(1b)，通过磁控溅射方法在上所述p-InGaAs台面(104a)和所述下p-InGaAs台面(104c)上分别制备第一p型电极(2a)、第二p型电极(2b)。
7.根据权利要求6所述的双色探测器的制备方法，其特征在于，所述制备TiO2/SiO2增透膜(300)的过程是采用光学镀膜的方法在探测器的表面制备。
8.一种双色探测器，其特征在于，包括探测器外延层(100)、分布式布拉格反射器外延层(200)和电极，所述探测器外延层(100)包括依次倒置生长的p-InP帽层(102)、PIN型InGaAsP层(103)、PIN-IP型InGaAs层(104)和p+InP型键合层(105)，所述分布式布拉格反射器外延层(200)包括n型GaAs衬底(201)及所述n型GaAs衬底(201)上依次生长的GaAs/AlGaAs层(202)和n+GaAs键合层(203)，所述n+GaAs键合层(203)与所述探测器外延层(100)的所述p+InP型键合层(105)键合。
9.根据权利要求8所述的双色探测器，其特征在于，所述探测器外延层(100)包括n-InGaAsP台面(103a)、上p-InGaAs台面(104a)、n-InGaAs台面(104b)和下p-InGaAs台面(104c)，第一n型电极(1a)、第二n型电极(1b)分别设于所述n-InGaAsP台面(103a)和所述n-InGaAs台面(104b)上，第一p型电极(2a)、第二p型电极(2b)分别设于所述p-InGaAs台面(104a)和所述下p-InGaAs台面(104c)上。
10.根据权利要求1所述的双色探测器，其特征在于，石墨烯透明导电电极(3)设在最外层的p-InP帽层(102)上。
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