CN106784123B - 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，该光电探测器包括衬底、外延层和电极，所述外延层包括依次叠加的集结层、崖层、传导层、吸收层和阻挡层，所述吸收层采用渐变掺杂的InGaAs，所述阻挡层采用AlxIn1‑xAs，0＜x＜1。本发明采用AlxIn1‑xAs材料作为阻挡层和集结层；采用渐变组分的传导层InGaAlAs平滑InGaAs与InAlAs之间的带隙，实现晶格匹配，减少异质界面处的位错密度并防止电子在异质界面的聚集，加速电子的漂移速度。同时集结层的掺杂浓度呈现梯度变化，一方面有效地减弱空间电荷效应，降低器件的热功率消耗，提高器件的饱和输出电流；另一方面有效地减弱速度过冲效应，可以得到小的电压依赖带宽和更好的线性响应。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种单行载流子光电探测器及其制作方法，可以更有效地应用于光传输系统和光子模拟数字转换系统等技术领域。
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。
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，进一步提升器件的饱和输出电流。
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，所述外延层包括依次叠加的集结层、崖层、传导层、吸收层和阻挡层，所述吸收层采用渐变掺杂的InGaAs，所述阻挡层采用AlxIn1-xAs，0＜x＜1。
该技术方案中，其中不同Al组分的AlxIn1-xAs作为阻挡层，形成InGaAs/InAlAs异质层结构，可以增加势垒阻挡电子进入阳极。吸收层采用渐变掺杂的InGaAs吸收层，以高的漂移速度进入耗尽层，缩短电子的传导时间。
优选的，在上述的单行载流子光电探测器中，所述阻挡层采用Al0.47In0.53As。
优选的，在上述的单行载流子光电探测器中，所述传导层采用In0.53GayAl0.47-yAs组分渐变层，其中0<y<0.47，所述崖层采用In0.53Al0.47As。
该技术方案中，采用渐变组分的传导层InGaAlAs平滑InGaAs与InAlAs之间的带隙，可以实现晶格匹配，减少异质界面处的位错密度。
优选的，在上述的单行载流子光电探测器中，所述传导层包括依次叠加的In0.53Ga0.10Al0.37As层、In0.53Ga0.23Al0.24As层和In0.53Ga0.33Al0.14As层。
优选的，在上述的单行载流子光电探测器中，所述集结层采用渐变掺杂的AlzIn1- zAs，0＜z＜1。
优选的，在上述的单行载流子光电探测器中，所述z＝0.53。
优选的，在上述的单行载流子光电探测器中，所述集结层包括依次叠加的第一子层、第二子层和第三子层，第一子层掺杂浓度为1×1016cm-3，第二子层掺杂浓度为2×1016cm-3，第三子层掺杂浓度为5×1016cm-3。
该技术方案中，集结层采用渐变掺杂的AlzIn1-zAs，一方面减弱空间电荷效应，降低器件的热功率消耗，提高器件的饱和输出电流；另一方面减弱速度过冲效应，可以得到小的电压依赖带宽和更好的线性响应。
优选的，在上述的单行载流子光电探测器中，所述吸收层采用掺杂浓度为2×1017cm-3～5×1018cm-3的p型InGaAs渐变掺杂吸收层。
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叠加的第一子层、第二子层和第三子层，第一子层掺杂浓度为2×1017cm-3，第二子层掺杂浓度为2×1018cm-3，第三子层掺杂浓度为5×1018cm-3。
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，外延层包括依次形成于衬底上的缓冲层、次集结层、蚀刻阻挡层、集结层、崖层、传导层、吸收层、阻挡层和接触层；
(2)从接触层蚀刻到蚀刻阻挡层，形成独立的单行载流子光电探测器的p型电极台面；
(3)蚀刻部分蚀刻阻挡层，形成独立的单行载流子光电探测器的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。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明将提出一种采用AlxIn1-xAs材料作为阻挡层和集结层；采用渐变组分的传导层InGaAlAs平滑InGaAs与InAlAs之间的带隙，实现晶格匹配，减少异质界面处的位错密度并防止电子在异质界面的聚集，加速电子的漂移速度。同时集结层的掺杂浓度呈现梯度变化，一方面有效地减弱空间电荷效应，降低器件的热功率消耗，提高器件的饱和输出电流；另一方面有效地减弱速度过冲效应，可以得到小的电压依赖带宽和更好的线性响应。
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外延层的结构示意图；
图2所示为本发明具体实施例中单行载流子光电探测器的器件结构示意图。
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2所示，InGaAs/InAlAs单行载流子光电探测器，包括：衬底1，形成于衬底1上的缓冲层2，形成于缓冲层2上的次集结层3，形成于次集结层3上的蚀刻阻挡层4，形成于蚀刻阻挡层4上的集结层5，形成于集结层5上的崖层6，形成于崖层6上的传导层7，形成于传导层7上的吸收层8、形成于吸收层8上的阻挡层9，形成于阻挡层9上的接触层10。接触层10和钝化膜11上形成有P电极12，蚀刻阻挡层4上形成有N电极13，增透膜14形成于接触层10和P型电极12上。
探测器结构采用Al0.47In0.53As材料作为阻挡层9和集结层5。
集结层5的掺杂浓度呈梯度变化，有效抑制空间电荷效应和减弱速度过冲效应，有利于提升InGaAs单行载流子光电探测器的输出饱和电流。
传导层采用In0.53GayAl0.47-yAs组分渐变层，其中0<y<0.47，有利于平滑InGaAs与InAlAs之间的带隙，实现晶格匹配，减少异质界面处的位错密度并防止电子在异质界面的聚集，加速电子的漂移速度。
缓冲层2、次集结层3、刻蚀阻挡层4、集结层5、崖层6、传导层7、吸收层8、阻挡层9以及接触层10采用分子束外延(MBE)依次生长在衬底1上。
衬底1优选为n型半绝缘单晶InP衬底。
缓冲层2为掺杂浓度大于1.5×1018cm-3的n型In0.53Al0.47As缓冲层，缓冲层的厚度大于300nm小于1000nm，在本实施例中，缓冲层2的掺杂浓度为5×1018cm-3，缓冲层2厚度优选400nm。
次集结层3为掺杂浓度大于5×1018cm-3的n型In0.53Al0.47As次集结层，次集结层3的厚度大于200nm小于400nm，在本实施例中，次集结层3的掺杂浓度为1×1019cm-3，次集结层3的厚度优选300nm。
刻蚀阻挡层4为大于5×1018cm-3的n型InGaAs刻蚀阻挡层，刻蚀阻挡层4的厚度大于20nm小于100nm，在本实施例中，刻蚀阻挡层4的掺杂浓度为1×1019cm-3，刻蚀阻挡层4的厚度优选50nm。
集结层5为掺杂浓度为1×1016cm-3～5×1016cm-3的n型In0.53Al0.47As集结层，集结层5的厚度大于200nm小于700nm，在本实施例中，集结层5自下而上包括三个子层，子层51掺杂浓度为1×1016cm-3，子层51厚度优选为150nm，子层52掺杂浓度为2×1016cm-3，子层52的厚度优选100nm，子层53掺杂浓度为5×1016cm-3，子层53厚度优选为100nm。
崖层6为掺杂浓度大于2×1017cm-3的n型In0.53Al0.47As崖层，崖层厚度大于10nm小于30nm，在本实施例中，在本实施例中，崖层6的掺杂浓度为3×1017cm-3，崖层6的厚度优选15nm。
传导层7为掺杂浓度小于5×1016cm-3的组分渐变InGaAlAs传导层，传导层7厚度为大于10nm小于50nm，在本实施例中，传导层7自下而上包括三个子层，子层71为In0.53Ga0.10Al0.37As，子层71的厚度为10nm，子层72为In0.53Ga0.23Al0.24As，子层72的厚度为10nm，子层73为In0.53Ga0.33Al0.14As，子层73的厚度为10nm。
吸收层8为掺杂浓度为2×1017cm-3～5×1018cm-3的p型InGaAs渐变掺杂吸收层，吸收层8的厚度大于100nm小于600nm，在本实施例中，吸收层8自下而上包括三个子层，子层81掺杂浓度为2×1017cm-3，子层81的厚度优选为100nm，子层82掺杂浓度为2×1018cm-3，子层82的厚度优选为100nm，子层83掺杂浓度为5×1018cm-3，子层83的厚度优选为100nm。
阻挡层9为掺杂浓度大于5×1018cm-3的p型Al0.47In0.53As阻挡层，的阻挡层9厚度大于100nm小于500nm，在本实施例中，阻挡层9的掺杂浓度为1×1019cm-3，阻挡层9的厚度为400nm。
接触层10为掺杂浓度大于5×1018cm-3的InGaAs接触层,的接触层10厚度大于40nm小于100nm，在本实施例中，接触层10的掺杂浓度为1×1019cm-3，接触层9的厚度优选50nm。
钝化膜11通过等离子体增强化学气相沉积法沉积二氧化硅(SiO2)而形成。
增透膜14通过等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)沉积氮化硅(SiNx)而形成，增透膜14处形成该光电探测器的光敏区。
P电极12通过电子束蒸发而形成，电极材料优选为Ti/Pt/Au；
N电极13电子束蒸发而形成，电极材料为Ti/Pt/Au。将器件放入快速退火炉中，在420℃,120s的条件下进行合金处理。
本实施例单行载流子光电探测器的制作方法，包括材料生长、光刻、湿法刻、干法刻蚀、剥离技术以及电极制作等过程。
结合图1所示，材料生长过程是利用分子束外延方法完成的，包含如下步骤：
采用分子束外延(MBE)在半绝缘InP单晶衬底1上依次生长Al0.47In0.53As缓冲层2、Al0.47In0.53As次集结层3、InGaAs刻蚀阻挡层4、Al0.47In0.53As集结层5、Al0.47In0.53As崖层6、InGaAlAs传导层7、InGaAs吸收层8、Al0.47In0.53As阻挡层9以及InGaAs接触层10。集结层5、传导层7和吸收层8分别包括3个子层。
光刻、湿法刻、干法刻蚀、剥离技术以及电极制作过程包含如下步骤：
(1)利用光刻、湿法刻蚀和干法刻蚀技术从p型InGaAs接触层10蚀刻到n型InGaAs蚀刻阻挡层4，利用台阶仪测试蚀刻的厚度，形成独立的单行载流子光电探测器的p型电极12台面。
(2)利用光刻、湿法刻蚀和干法刻蚀技术蚀刻部分InGaAs蚀刻阻挡层4，采用湿法刻蚀溶液为H3PO4溶液，利用台阶仪测试蚀刻的InGaAs蚀刻阻挡层4的厚度，形成独立的单行载流子光电探测器的n型电极13台面。
(3)利用光刻技术、湿法刻蚀和干法刻蚀技术蚀刻蚀刻至半绝缘InP衬底1，光刻胶保护探测器单元其它部分区域，利用台阶仪测试半绝缘衬底的厚度，形成独立的单行载流子光电探测器独立单元。
(4)利用光刻技术暴露单行载流子探测器单元钝化层图形，并用光刻胶保护探测器单元的其它区域；然后利用等离子体增强化学气相沉积法沉积二氧化硅，形成单行载流子光电探测器的钝化层11。
(5)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，并用光刻胶保护探测器单元的其它区域；然后在探测器单元上利用电子束蒸发技术沉积Ti/Pt/Au，并用剥离技术剥离多余的Ti/Pt/Au形成p型电极12和n型电极13。
(6)将器件放入快速退火炉中，在420℃,120s的条件下对p型电极12和n型电极13进行合金处理。
(7)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14的图形，并用光刻胶保护探测器单元的其它区域；然后利用等离子体增强化学气相沉积法沉积氮化硅，形成单行载流子光电探测器的增透膜层14.
(8)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15。
综上所述，本发明采用AlxIn1-xAs材料作为阻挡层和集结层。AlxIn1-xAs阻挡层平滑价带，增加导带势垒，阻挡电子向阳极移动，保证电子向单一方向移动，提高器件的频率。渐变掺杂AlxIn1-xAs集结层，一方面有效地减弱了空间电荷效应，降低器件的热功率消耗，提高器件的饱和输出电流；另一发面有效地减弱了速度过冲效应，可以得到小的电压依赖带宽和更好的线性响应。渐变组分的传导层InGaAlAs可以平滑InGaAs与InAlAs之间的带隙，实现晶格匹配，减少异质界面处的位错密度并防止电子在异质界面的聚集，加速电子的漂移速度。因此本发明能获得高功率、高频率和高饱和电流的单行载流子光电探测器，可以更有效地应用于光传输系统和光子模拟数字转换系统等技术领域。
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 (8)
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，所述外延层包括依次叠加的集结层、崖层、传导层、吸收层和阻挡层，所述吸收层采用渐变掺杂的InGaAs，所述阻挡层采用AlxIn1-xAs，0＜x＜1，所述传导层采用In0.53GayAl0.47-yAs组分渐变层，其中0<y<0.47，所述崖层采用In0.53Al0.47As，
所述吸收层采用掺杂浓度为2×1017cm-3～5×1018cm-3的p型InGaAs渐变掺杂吸收层。
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：所述阻挡层采用Al0.47In0.53As。
3.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：所述传导层包括依次叠加的In0.53Ga0.10Al0.37As层、In0.53Ga0.23Al0.24As层和In0.53Ga0.33Al0.14As层。
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：所述集结层采用渐变掺杂的AlzIn1-zAs，0＜z＜1。
5.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z＝0.53。
6.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：所述集结层包括依次叠加的第一子层、第二子层和第三子层，第一子层掺杂浓度为1×1016cm-3，第二子层掺杂浓度为2×1016cm-3，第三子层掺杂浓度为5×1016cm-3。
7.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叠加的第一子层、第二子层和第三子层，第一子层掺杂浓度为2×1017cm-3，第二子层掺杂浓度为2×1018cm-3，第三子层掺杂浓度为5×1018cm-3。
8.权利要求1至7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，外延层包括依次形成于衬底上的缓冲层、次集结层、蚀刻阻挡层、集结层、崖层、传导层、吸收层、阻挡层和接触层；
(2)、从接触层蚀刻到蚀刻阻挡层，形成独立的单行载流子光电探测器的p型电极台面；
(3)、蚀刻部分蚀刻阻挡层，形成独立的单行载流子光电探测器的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。
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