CN106449855A - 单行载流子光电探测器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单行载流子光电探测器及其制作方法，该探测器包括衬底、外延层和电极，所述外延层包括吸收层，该吸收层采用In1‑x‑yGaxAlyAs材料生长，其中0<y<1，0<1‑x‑y<1，组分参数x、y呈线性或梯度变化，使得吸收层内的禁带宽度实现线性或梯度变化。本发明提出一种新吸收区结构，对吸收区组分采用线性或梯度掺杂，形成内建电场，加速电子的传导，从而缩短了电子在吸收区的渡越时间，保证了单行载流子光电探测器的频率响应。采用本发明旨在进一步提升器件的响应度和带宽，对发展超宽带光纤通信及太赫兹无线通信系统具有重大意义。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别是涉及一种单行载流子光电探测器及其制作方法。
背景技术
光电探测器是光纤通信系统中不可缺少的组成部分，也是决定整个系统性能优劣的关键元件之一。在大容量的超高速光通信系统中，人们在选取光电探测器时通常考虑三个重要的参量，即：宽带宽、高效率和高饱和输出功率。对于传统的PIN光探测器，由于受到空间电荷效应的限制，很难在高电流密度条件下保持高速响应。为了克服这一困难，1997年NTT光子实验室T.Ishibashi等人成功研制了一种新的光探测器——单行载流子光探测器(UTC-PD)，只让迁移率大的电子作为有缘载流子流过结区，大大提高了探测器的响应速度。
单行载流子光电二极管(UTC-PD)是一种高速、高饱和输出的新型光电探测器，其结构特点是由p型中性光吸收层和n型宽带隙集结层构成，并且只用电子作为有源载流子。由于电子漂移速度远高于空穴，因此需要更强的入射激光激发产生更大量的电子才能引起电子的囤积，所以与PIN-PD相比，UTC-PD有效地抑制了空间电荷效应。电子的扩散时间要比电子的漂移时间长,UTC-PD的速度性能可以通过利用具有内建场的光吸收层加以改善。吸收层中的内建场引起电子输运的漂移成分,有利于电子更快地向集结层运动。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单行载流子光电探测器及其制作方法，用于提升单行载流子光电二极管的响应带宽以及高的饱和电流。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明实施例公开了一种单行载流子光电探测器，包括衬底、外延层和电极，所述外延层包括吸收层，该吸收层采用In1-x-yGaxAlyAs材料生长，其中0<y<1，0<1-x-y<1，组分参数x、y呈线性或梯度变化，使得吸收层内的禁带宽度实现线性或梯度变化。
优选的，在上述的单行载流子光电探测器中，所述组分参数x、y的选取使得In1-x- yGaxAlyAs材料的晶格常数与InP匹配，同时，其禁带宽度不大于波长为1.3μm的激光的光子能量。
优选的，在上述的单行载流子光电探测器中，所述吸收层In1-x-yGaxAlyAs材料的带隙满足：0.74eV<Eg(In1-x-yGaxAlyAs)<0.94eV。
优选的，在上述的单行载流子光电探测器中，所述吸收层包括依次层叠的In0.53Ga0.44Al0.03As、In0.53Ga0.40Al0.07As和In0.53Ga0.35Al0.12As吸收层。
优选的，在上述的单行载流子光电探测器中，所述电极包括形成于外延层表面的正面电极，该正面电极采用二硫化钼薄膜/金属。
优选的，在上述的单行载流子光电探测器中，所述外延层包括依次形成于所述衬底和吸收层之间的缓冲层、次收集层、第一接触层、双集结层、崖层和传导层，所述外延层还包括依次形成于吸收层上的阻挡层和第二接触层。
优选的，在上述的单行载流子光电探测器中，所述传导层InGaAs/InP偶极子异质结。
优选的，在上述的单行载流子光电探测器中，所述双集结层包括依次层叠的InP收集层、P型InP崖层和InP收集层。
相应的，本发明还公开了一种单行载流子光电探测器的制作方法，包括：
(1)在衬底上生长外延层；
(2)在外延层表面形成MoS2薄膜作为正面电极；
(3)蚀刻分别形成p型和n型电极台面
(4)利用等离子体增强化学气相沉积法沉积钝化层；
(5)沉积电极材料，并用剥离技术剥离多余的电极形成p型电极和n型电极；
(6)利用光刻技术和暴露出单行载流子光电探测器单元的增透膜的图形；然后利用等离子体增强化学气相沉积法沉积增透膜层；
(7)蚀刻出单行载流子光电探测器的光敏面。
优选的，在上述的单行载流子光电探测器的制作方法中，所述步骤(2)中，正面电极的制作方法包括：
s1、采用化学气相沉积法，并用SiO2/Si为生长基体制备二硫化钼薄膜；
s2、在二硫化钼薄膜上涂覆转移介质；
s3、用去离子水分离转移介质/MoS2薄膜与SiO2/Si衬底；
s4、将转移介质/MoS2薄膜粘贴到外延层表面；
s5、除去转移介质，得到粘贴MoS2薄膜的单行载流子光电探测器外延层。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明提出一种新吸收区结构，对吸收区组分采用线性或梯度掺杂，形成内建电场，加速电子的传导，从而缩短了电子在吸收区的渡越时间，保证了单行载流子光电探测器的频率响应。采用本发明旨在进一步提升器件的响应度和带宽，对发展超宽带光纤通信及太赫兹无线通信系统具有重大意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1所示为本发明具体实施例中单行载流子光电探测器的结构示意图；
图2所示为本发明具体实施例中外延层的结构示意图；
图3所示为本发明具体实施例中吸收层采用线性渐变的能带结构图；
图4所示为本发明具体实施例中吸收层采用梯度变化的能带结构图；
图5所示为本发明具体实施例中单行载流子光电探测器的制备流程图；
图6所示为本发明具体实施例中二硫化钼薄膜的工艺制备流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
结合图1和图2所示，单行载流子光电探测器包括半绝缘单晶InP衬底1、外延层、正面电极11、氮化硅钝化层12、p型电极13、n型电极14、氮化硅增透层15和光敏面16。外延层包括依次形成于衬底1上的InP缓冲层2、InP次收集层3、InGaAs n型接触层4、InP双集结层5、InP崖层6、InGaAs/InP传导层7、InGaAlAs吸收层8、InAlAs阻挡层9、InGaAs p型接触层10。
InGaAlAs吸收层8采用In1-x-yGaxAlyAs材料生长，其中x、y代表Al和In组分，0<y<1，0<1-x-y<1，组分参数x、y呈线性或梯度变化，使得吸收区内的禁带宽度实现线性或梯度变化，且组分参数x、y的选取使得In1-x-yGaxAlyAs材料的晶格常数与InP匹配，同时，其禁带宽度不大于波长为1.3μm的激光的光子能量。
结合图3所示，在一实施例中，吸收层In1-x-yGaxAlyAs材料的组分从靠近p型接触层的一端朝靠近n型接触层的一端呈线性渐变，使得吸收区内的禁带宽度实现线性变化310。
结合图4所示，在另一实施例中，吸收层In1-x-yGaxAlyAs材料的组分从靠近p型接触层的一端朝靠近n型接触层的一端呈梯度渐变，使得吸收区内的禁带宽度实现梯度变化311。其具体设计方案如下：
进一步地，吸收层In1-x-yGaxAlyAs材料中，靠近p型接触层一端的组分为In0.53Ga0.35Al0.12As，靠近n型接触层的一端的组分为In0.53Ga0.47As，中间组分呈线性渐变或呈阶跃式梯度变化。
在优选的实施例中，靠近p型接触层一端为宽带隙材料，靠近n型接触层的一端为窄带隙材料，吸收层8的结构包括：In0.53Ga0.35Al0.12As吸收层83、In0.53Ga0.40Al0.07As吸收层82和In0.53Ga0.44Al0.03As吸收层81，使能带呈现呈阶跃式梯度变化311。
进一步地，吸收区In1-x-yGayAlxAs材料的晶格常数应与InP相匹配，x、y满足：0.4681<x+y<0.4787。
进一步地，In1-x-yGaxAlyAs材料的带隙为：
Eg(In1-x-yGaxAlyAs)＝0.360+0.629x+2.093y+0.436x2+0.577y2+1.013xy。
其中0.74eV<Eg(In1-x-yGaxAlyAs)<0.94eV。
该技术方案中，采用的梯度能带结构引入的内建电场显著增强了吸收区内的电场强度，增强的电场将有效加速电子的漂移，可有效降低单行载流子光电二极管吸收区内电子的渡越时间，保证了单行载流子光电探测器高的频率响应。
InGaAs/InP传导层7采用偶极子结构，包括InGaAs层72和InP层71，平滑带隙，防止电子在In1-x-yGaxAlyAs/InP界面处堆积，缩短电子的传导时间。
正面电极11是二硫化钼薄膜/金属形成。二硫化钼薄膜通过化学气相沉积制备，转移到P型接触层上，与金属形成欧姆接触，这有效抑制电学损耗，大大提高光电探测器的响应度和量子效率。
InP双集结层5作为耗尽层，以P型崖层作为牺牲层。具体地，InP双集结层5包括InP收集层51、P型InP崖层52、InP收集层53。
该技术方案中，耗尽层采用双集结层结构，抑制空间电荷效应，充分利用速度过冲效应，有效地提高饱和输出电流，避免在高入射功率和高电压的条件下产生的电流饱和热损耗。
结合图5所示，单行载流子光电探测器的制作方法包括以下步骤：
(1)光电探测器外延层的生长
光电探测器是采用MBE的生长方式在半绝缘单晶InP衬底1上制备，即远离衬底1的方向依次生长InP缓冲层2、InP次收集层3、InGaAs n型接触层4、InP双集结层5、InP崖层6、InGaAs/InP传导层7、InGaAlAs吸收区8、InAlAs阻挡层9、InGaAs p型接触层10。
(2)二硫化钼薄膜的制备及转移，结合图6所示。
s1、首先采用化学气相沉积法，并以SiO2/Si为生长基体制备二硫化钼薄膜。
s2、利用旋涂方法在二硫化钼薄膜上涂覆转移介质聚苯乙烯。
s3、用去离子水分离SiO2/Si衬底和转移介质/二硫化钼薄膜。
s4、将转移介质/二硫化钼薄膜转移到In1-x-yGaxAlyAs/InP外延层顶端，然后用有机溶剂丙酮等除去转移介质聚苯乙烯，并退火2h，完成二硫化钼薄膜11与In1-x-yGaxAlyAs/InP外延层的粘贴。
正面电极采用二硫化钼薄膜与金属形成欧姆接触，有利于降低电损耗，提高光电探测器的响应率和光耦合效率。
(3)光电探测器制作
S1、采用光刻、干法、湿法技术得到光电探测器的P型台面和N型台面。
S2、采用光刻、干法、湿法技术得到独立的光电探测器单元。
S3、光刻技术暴露单行载流子探测器单元钝化层图形，PECVD沉积氮化硅钝化层12。
S4、利用光刻技术暴露出单行载流子光电探测器单元的电极图形，磁控溅射技术或电子束蒸发技术沉积Ti/Pt/Au金属，剥离后形成p型电极13和n型电极14。
S5、光刻技术和暴露出单行载流子光电探测器单元的增透膜的图形，PECVD沉积氮化硅增透层15。
S6、利用光刻技术和干法刻蚀技术，蚀刻出单行载流子光电探测器的光敏面16。
综上所述，本发明提出一种新吸收区结构，对吸收区组分采用线性或梯度掺杂，形成内建电场，加速电子的传导，从而缩短了电子在吸收区的渡越时间，保证了单行载流子光电探测器高的频率响应。所述的传导层采用偶极子结构，平滑带隙，防止电子在In1-x-yGaxAlyAs/InP界面处堆积，缩短电子的传导时间。所述的耗尽区采用双集结区结构，抑制空间电荷效应，充分利用速度过冲效应，有效地提高饱和输出电流，避免在高入射功率和高电压的条件下产生的电流饱和热损耗。所述的正面电极是二硫化钼薄膜/金属形成。二硫化钼薄膜通过化学气相沉积制备，转移到P型接触层上，与金属形成欧姆接触，这有效抑制电学损耗。本发明旨在进一步提升器件的响应度和带宽，对发展超宽带光纤通信及太赫兹无线通信系统具有重大意义。
需要说明的是，在本文中，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。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种单行载流子光电探测器，其特征在于，包括衬底、外延层和电极，所述外延层包括吸收层，该吸收层采用In1-x-yGaxAlyAs材料生长，其中0<y<1，0<1-x-y<1，组分参数x、y呈线性或梯度变化，使得吸收层内的禁带宽度实现线性或梯度变化。
2.根据权利要求1所述的单行载流子光电探测器，其特征在于：所述组分参数x、y的选取使得In1-x-yGaxAlyAs材料的晶格常数与InP匹配，同时，其禁带宽度不大于波长为1.3μm的激光的光子能量。
3.根据权利要求2所述的单行载流子光电探测器，其特征在于：所述吸收层In1-x- yGaxAlyAs材料的带隙满足：0.74eV<Eg(In1-x-yGaxAlyAs)<0.94eV。
4.根据权利要求1所述的单行载流子光电探测器，其特征在于：所述吸收层包括依次层叠的In0.53Ga0.44Al0.03As、In0.53Ga0.40Al0.07As和In0.53Ga0.35Al0.12As吸收层。
5.根据权利要求1所述的单行载流子光电探测器，其特征在于：所述电极包括形成于外延层表面的正面电极，该正面电极采用二硫化钼薄膜/金属。
6.根据权利要求1所述的单行载流子光电探测器，其特征在于：所述外延层包括依次形成于所述衬底和吸收层之间的缓冲层、次收集层、第一接触层、双集结层、崖层和传导层，所述外延层还包括依次形成于吸收层上的阻挡层和第二接触层。
7.根据权利要求4所述的单行载流子光电探测器，其特征在于：所述传导层InGaAs/InP偶极子异质结。
8.根据权利要求4所述的单行载流子光电探测器，其特征在于：所述双集结层包括依次层叠的InP收集层、P型InP崖层和InP收集层。
9.权利要求1至8任一所述单行载流子光电探测器的制作方法，其特征在于，包括：
(1)在衬底上生长外延层；
(2)在外延层表面形成MoS2薄膜作为正面电极；
(3)蚀刻分别形成p型和n型电极台面
(4)利用等离子体增强化学气相沉积法沉积钝化层；
(5)沉积电极材料，并用剥离技术剥离多余的电极形成p型电极和n型电极；
(6)利用光刻技术和暴露出单行载流子光电探测器单元的增透膜的图形；然后利用等离子体增强化学气相沉积法沉积增透膜层；
(7)蚀刻出单行载流子光电探测器的光敏面。
10.根据权利要求9所述的单行载流子光电探测器的制作方法，其特征在于：所述步骤(2)中，正面电极的制作方法包括：
s1、采用化学气相沉积法，并用SiO2/Si为生长基体制备二硫化钼薄膜；
s2、在二硫化钼薄膜上涂覆转移介质；
s3、用去离子水分离转移介质/MoS2薄膜与SiO2/Si衬底；
s4、将转移介质/MoS2薄膜粘贴到外延层表面；
s5、除去转移介质，得到粘贴MoS2薄膜的单行载流子光电探测器外延层。
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