CN108091720A - 单行载流子光电探测器及其制备方法 - 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备方法。单行载流子光电探测器包括相对且平行设置的衬底和接触层、形成在所述衬底和所述接触层之间的至少两个单行载流子光电二极管以及形成在每两个单行载流子光电二极管之间的蚀刻阻挡层；其中，每个单行载流子光电二极管包括叠层设置的阻挡层、吸收层、隔离层、集结层、次集结层。本发明的单行载流子光电探测器包括至少两个单行载流子光电二极管，其吸收层采用渐变掺杂，有效地增加了光通道吸收区域的厚度，提高了单行载流子光电探测器的响应度和量子效率。因此，本发明能实现在不改变带宽和饱和电流情况下，大大地提高单行载流子光电探测器的响应度和量子效率。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体地讲，涉及一种单行载流子光电探测器及其制备方法。
背景技术
单行载流子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，人们在选取单行载流子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、高饱和输出的新型单行载流子光电探测器，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。但是，如果提高单行载流子光电探测器的量子效率和响应度，就必然降低器件的响应带宽。因此，现有技术的光电探测器还不能同时满足高量子效率和响应度和高响应带宽的要求。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种能实现不改变带宽和饱和电流，又能提高响应度和量子效率的单行载流子光电探测器及其制备方法。
本发明提供了一种单行载流子光电探测器，包括相对且平行设置的衬底和接触层、形成在所述衬底和所述接触层之间的至少两个单行载流子光电二极管以及形成在每两个单行载流子光电二极管之间的蚀刻阻挡层；其中，每个单行载流子光电二极管包括叠层设置的阻挡层、吸收层、隔离层、集结层、次集结层。
进一步地，所述衬底和邻近的单行载流子光电二极管之间形成有缓冲层，所述缓冲层为掺杂浓度大于或等于1.5×1018cm-3的P型InP缓冲层，所述缓冲层的厚度为300nm～500nm。
进一步地，所述阻挡层为掺杂浓度大于或等于5×1018cm-3且厚度处于10nm～30nm的P型InGaAsP阻挡层；或所述阻挡层为掺杂浓度大于或等于5×1018cm-3且厚度处于100nm～500nm之间的P型InP阻挡层。
进一步地，所述吸收层为掺杂浓度处于2×1017cm-3～5×1018cm-3之间的P型InGaAs渐变掺杂吸收层，所述吸收层的厚度为200nm～1000nm。
进一步地，所述隔离层包括未掺杂的第一InGaAsP子隔离层和第二InGaAsP子隔离层，所述第一InGaAsP子隔离层的厚度为10nm～20nm，所述第二InGaAsP子隔离层的厚度为10nm～20nm。
进一步地，所述集结层为掺杂浓度小于或等于5×1016cm-3的N型InP集结层，所述集结层的厚度为200nm～700nm。
进一步地，所述次集结层为掺杂浓度大于或等于5×1018cm-3的N型InP次集结层，所述次集结层的厚度为200nm～400nm。
进一步地，所述蚀刻阻挡层为掺杂浓度大于或等于5×1018cm-3的N型InGaAs蚀刻阻挡层，所述蚀刻阻挡层的厚度为100nm～1000nm。
进一步地，所述接触层为掺杂浓度大于或等于1×1019cm-3的P型InGaAs接触层，所述接触层的厚度为40nm～100nm。
本发明还提供了一种上述单行载流子光电探测器的制备方法，其包括：
在衬底上形成两个叠层设置的单行载流子光电二极管，且在两个单行载流子光电二极管之间形成蚀刻阻挡层；
从接触层朝向蚀刻阻挡层的方向刻蚀，形成单行载流子光电探测器的P型电极台面；
蚀刻部分蚀刻阻挡层，形成单行载流子光电探测器的N型电极台面；
继续蚀刻至衬底，形成单个的单行载流子光电探测器；
暴露出单行载流子光电探测器的钝化层图形，形成单行载流子光电探测器的钝化层；
暴露出单行载流子光电探测器的电极图形，形成P型电极和N型电极。
本发明的有益效果：本发明的单行载流子光电探测器包括至少两个单行载流子光电二极管，其吸收层采用渐变掺杂，这有效地增加了光通道吸收区域的厚度，提高单行载流子光电探测器的响应度和量子效率。由于总的结面积和在耗尽区域电子的传导时间保持不变，因此不会降低单行载流子光电探测器的带宽和饱和电流。故本发明能实现在不改变带宽和饱和电流情况下，大大地提高单行载流子光电探测器的响应度和量子效率。
附图说明
通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：
图1是本发明较佳实施例的单行载流子光电探测器的材料结构示意图；
图2是本发明较佳实施例的单行载流子光电探测器的器件结构示意图；
图3是本发明较佳实施例的单行载流子光电探测器的制备方法的步骤流程图。
具体实施方式
以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。相同的标号在整个说明书和附图中可用来表示相同的元件。
在附图中，为了使组件清晰展示，夸大了层和区域的厚度。此外，相同的标号在整个说明书和附图中可用来表示相同的元件。
图1是本发明较佳实施例的单行载流子光电探测器的材料结构示意图。图2是本发明较佳实施例的单行载流子光电探测器的器件结构示意图。
参照图1和图2，根据本发明实施例的单行载流子光电探测器包括相对且平行设置的衬底11和接触层14、形成在衬底11和接触层14之间的至少两个单行载流子光电二极管以及形成在每两个单行载流子光电二极管之间的蚀刻阻挡层13。其中，每个单行载流子光电二极管包括叠层设置的阻挡层、吸收层、隔离层、集结层、次集结层。
在本实施例中，单行载流子光电探测器包括两个叠层设置的单行载流子光电二极管。但本发明并不限制于此，单行载流子光电探测器可以包括多个单行载流子光电二极管，可例如是三个、或四个、或五个等。
本发明实施例的单行载流子光电探测器的结构相当于将一个单行载流子光电二极管结构中间折断，形成两个光电二极管，然后叠加而成。且在蚀刻阻挡层13上形成N型电极18，在接触层14上形成P型电极16(如图2所示)。P型电极16和N型电极18分别呈中空图形结构，以使红外辐射光束正入射进入探测器中。
在这里，令两个单行载流子光电二极管分别为第一单行载流子光电二极管20和第二单行载流子光电二极管30。第一单行载流子光电二极管20形成在具有缓冲层12的衬底11上。也就是说缓冲层12形成在第一单行载流子光电二极管20和衬底11之间。第二单行载流子光电二极管30背对于蚀刻阻挡层13的一侧还形成有接触层14。更进一步地，如图2所示，单行载流子光电探测器的N型电极18形成在蚀刻阻挡层13上，P型电极16形成在接触层14上。为了保护单行载流子光电探测器以防止表面污染，单行载流子光电探测器还包括形成在第一单行载流子光电二极管20和第二单行载流子光电二极管30表面上的钝化层15。所述钝化层15的材料具体为二氧化硅。但本发明并不限制于此。N型电极18从蚀刻阻挡层13起延伸到衬底11上，形成N型电极18台面。P型电极16从接触层14起沿着钝化层15延伸，形成P型电极16台面。
第一单行载流子光电二极管20包括从缓冲层12起朝着靠近蚀刻阻挡层13的方向按顺序叠层设置的第一阻挡层21、第一吸收层22、第一隔离层23、第一集结层24、第一次集结层25。第二单行载流子光电二极管30包括从蚀刻阻挡层13起朝着靠近接触层14的方向按顺序叠层设置的第二次集结层35、第二集结层34、第二隔离层33、第二吸收层32、第二阻挡层31。第一单行载流子光电二极管20和第二单行载流子光电二极管30形成了一种P-I-N-I-P型高响应度单行载流子光电探测器。如图2所述，第二单行载流子光电二极管30和第一单行载流子光电二极管20呈阶梯形。单行载流子光电探测器的表面上还形成有增透膜层17，具体可形成在接触层14、P型电极16的表面上等。增透膜层17的材料可以为氮化硅，但本发明并不限制于此。
需要说明的是，本发明中单行载流子光电探测器的阻挡层、吸收层、隔离层、集结层、次集结层的形成顺序也不限制于此。例如，第一单行载流子光电二极管20的第一阻挡层21、第一吸收层22、第一隔离层23、第一集结层24、第一次集结层25可以从缓冲层12起朝着靠近蚀刻阻挡层13的方向按顺序叠层设置。第二单行载流子光电二极管30的第二阻挡层31、第二吸收层32、第二隔离层33、第二集结层34、第二次集结层35也可以从蚀刻阻挡层13起朝着靠近接触层14的方向按顺序叠层设置。
衬底11为半绝缘III-V族半导体单晶衬底11。
缓冲层12为掺杂浓度大于或等于1.5×1018cm-3的P型InP缓冲层12，所述缓冲层12的厚度为300nm～500nm。缓冲层12用于提供衬底11和其它外延层之间的衔接，为之后的外延生长提供良好的生长表面，有利于阻挡衬底11处的缺陷和位错。在本实施例中，所述缓冲层12的厚度优选400nm。
第一阻挡层21和第二阻挡层31为掺杂浓度大于或等于5×1018cm-3的P型InGaAsP阻挡层，InGaAsP阻挡层的厚度为10nm～30nm。但本发明并不限制于此，例如，第一阻挡层21和第二阻挡层31也可以为掺杂浓度大于或等于5×1018cm-3的P型InP阻挡层，而InP阻挡层的厚度大于或等于100nm～500nm。少数载流子电子受到靠近阳极型扩散第一阻挡层21和第二阻挡层31的阻隔作用，分别只向第一集结层24和第二集结层34扩散，即形成了单行载流子。此处，扩散阻挡层的阻隔机理是由层和层之间的异质结界面的导带不连续性所产生的。利用不同带隙的两层InGaAsP阻挡层，有利于增加导带势垒，阻挡电子进入阳极。在本实施例中，第一阻挡层21和第二阻挡层31优选为掺杂浓度大于或等于5×1018cm-3的p型InP阻挡层，其厚度优选400nm。
第一吸收层22和第二吸收层32为掺杂浓度为2×1017cm-3～5×1018cm-3的P型InGaAs吸收层，其厚度为200nm～1000nm。由于吸收层是中性的，多数载流子空穴对收集响应很快，即在介电弛豫时间之内。因此，只有光生电子是有效载流子，它们的运动决定了总的延迟时间。吸收层中的浓度差有利于形成内建电场，加速电子的传导速度；合适的吸收层厚度有利于得到高的响应度和量子效率。优选地，在本实施例中，第一吸收层22和第二吸收层32采用渐变掺杂方式形成，第一吸收层22和第二吸收层32的厚度优选300nm。
第一隔离层23和第二隔离层33均包括未掺杂的第一InGaAsP子隔离层231(或331)和第二InGaAsP子隔离层232(或332)。其中，第一InGaAsP子隔离层231(或331)的厚度为10nm～20nm，第二InGaAsP子隔离层232(或332)的厚度为10nm～20nm。导带的不连续性会阻碍电子的运动。两层InGaAsP子隔离层具有不同带隙，平滑InGaAs/InP异质结表面导带的不连续性和消除阻碍电子运动的势垒，有效地抑制电子在InGaAs/InP异质结处的聚集，提高电子的传导速度。在本实施例中，第一InGaAsP子隔离层231(或331)的厚度为15nm，第二InGaAsP子隔离层232(或332)的厚度为15nm。
第一集结层24和第二集结层34为掺杂浓度小于或等于5×1016cm-3的N型InP集结层，其厚度为200nm～700nm。集结层厚度合理选择，同时得到低的电子漂移时间和RC时间常数，因而得到高的响应频率。适当的掺杂浓度在InP集结层中是非常重要的。由于InP集结层位于p-InGaAs吸收层和n-InP次集结层之间，为了确保将吸收层扩散到集结层的光生电子迅速扫离该层以形成光生电流，则必须使集结层处于完全耗尽状态。因此，InP集结层应该为本征材料或轻掺杂N型材料，即要求掺杂施主的浓度小于或等于5×1016cm-3。在本实施例中，第一集结层24和第二集结层34的掺杂浓度为1×1016cm-3，其厚度为600nm。
第一次集结层25和第二次集结层35为掺杂浓度大于或等于5×1018cm-3的N型InP次集结层，其厚度为200nm～400nm。次集结层电荷为零，对集结层起电荷补偿的作用，有效地抑制空间电荷效应，提高饱和输出电流。在本实施例中，第一次集结层25和第二次集结层35的掺杂浓度为1×1019cm-3，其厚度为300nm。
蚀刻阻挡层13为掺杂浓度大于或等于5×1018cm-3的N型InGaAs蚀刻阻挡层，所述蚀刻阻挡层13的厚度为100nm～1000nm。蚀刻阻挡层采用重掺杂和合适的厚度，一方面有利于与金属之间形成欧姆接触；另一方面有利于器件的工艺制作。在本实施例中，蚀刻阻挡层13的掺杂浓度为1×1019cm-3，其厚度为200nm。
接触层14为掺杂浓度大于或等于1×1019cm-3的P型InGaAs接触层14，所述接触层14的厚度为40nm～100nm。接触层14采用重掺杂和合适的厚度，有利于与金属之间形成欧姆接触，降低器件的电损耗。在本实施例中，接触层14的掺杂浓度为1×1019cm-3，其厚度为50nm。
综上，本发明的实施例提供了一种P-I-N-I-P型高响应度单行载流子光电探测器，由P-I-N结构形成一个独立的第一单行载流子光电二极管结构，N-I-P结构形成另一个独立的第二单行载流子光电二极管结构，两个光电二极管结构外延生长在一起，有效地增加了耗尽吸收层的厚度，提高了器件的响应度和量子效率。同时本发明中的单行载流子光电探测器结构相当于将一个独立的单行载流子光电二极管结构从中间折断，然后叠加在一起，从而不会降低单行载流子光电探测器的带宽和饱和电流。
图3是本发明较佳实施例的单行载流子光电探测器的制备方法的步骤流程图。
结合参照图2和图3，本发明的实施例还提供了一种上述单行载流子光电探测器的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
在步骤210中，在衬底上11形成两个叠层设置的单行载流子光电二极管，且在两个单行载流子光电二极管之间形成蚀刻阻挡层13。具体地，采用分子束外延(MBE)在半绝缘III-V族半导体单晶衬底11上生长缓冲层12、第一单行载流子光电二极管20和第二单行载流子光电二极管30结构，依次是叠层设置的第一阻挡层21、第一吸收层22、第一隔离层23、第一集结层24、第一次集结层25、蚀刻阻挡层13、第二次集结层35、第二集结层34、第二隔离层33、第二吸收层32、第二阻挡层31、接触层14。
在步骤220中，从接触层14朝向蚀刻阻挡层13的方向刻蚀，形成单行载流子光电探测器的P型电极16台面。具体地，利用光刻和湿法刻蚀技术从P型InGaAs接触层1416蚀刻到N型InGaAs蚀刻阻挡层13，采用湿法刻蚀溶液为HCl溶液和H3PO4溶液，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16台面。
在步骤230中，蚀刻部分蚀刻阻挡层13，形成单行载流子光电探测器的N型电极18台面。具体地，利用光刻和湿法刻蚀技术蚀刻部分InGaAs蚀刻阻挡层13，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13的厚度，形成独立的单行载流子光电探测器的N型电极18台面。
在步骤240中，继续蚀刻至衬底11，形成单个的单行载流子光电探测器。具体地，利用光刻技术和湿法刻蚀技术蚀刻至半绝缘InP衬底11，采用湿法刻蚀溶液为HCl溶液，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11的厚度，形成独立的单个单行载流子光电探测器。
在步骤250中，暴露出单行载流子光电探测器的钝化层图形，形成单行载流子光电探测器的钝化层15。具体地，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15。该钝化层15用于保护单行载流子光电探测器以防止表面污染。
在步骤260中，暴露出单行载流子光电探测器的电极图形，形成P型电极16和N型电极18。具体地，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磁控溅射技术或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16和N型电极18。
此外，所述单行载流子光电探测器的制备方法还包括以下步骤：
在步骤270中，暴露出单行载流子光电探测器的增透膜图形，形成单行载流子光电探测器的增透膜层17。具体地，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17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17。
在步骤280中，形成单行载流子光电探测器的光敏面。具体地，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。
在步骤290中，对P型电极材料N型电极材料进行合金处理，使电极材料与接触层形成欧姆接触，获得低的电阻率，降低器件的电损耗。具体地，在快速热退火炉中对P型电极16材料Ti/Pt/Au和N型电极材料Ti/Pt/Au进行合金处理。
综上所述，本发明的实施例提供一种P-I-N-I-P型高响应度单行载流子光电探测器及其制备方法，单行载流子光电探测器是由两个单行载流子光电二极管构成，相当于将一个单行载流子光电二极管结构中间折断，形成两个光电二极管，然后叠加而成，其吸收层采用渐变掺杂，这有效地增加了光通道吸收区域的厚度，提高单行载流子光电探测器的响应度和量子效率。与此同时，总的结面积和在耗尽区域电子的传导时间保持不变，从而不会降低单行载流子光电探测器的带宽和饱和电流。故本发明实施例中的单行载流子光电探测器既能实现不改变带宽和饱和电流，又能提高单行载流子光电探测器的响应度和量子效率。
虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。
Claims (10)
1.一种单行载流子光电探测器，其特征在于，包括相对且平行设置的衬底和接触层、形成在所述衬底和所述接触层之间的至少两个单行载流子光电二极管以及形成在每两个单行载流子光电二极管之间的蚀刻阻挡层；其中，每个单行载流子光电二极管包括叠层设置的阻挡层、吸收层、隔离层、集结层、次集结层。
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，所述衬底和邻近的单行载流子光电二极管之间形成有缓冲层，所述缓冲层为掺杂浓度大于或等于1.5×1018cm-3的P型InP缓冲层，所述缓冲层的厚度为300nm～500nm。
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，所述阻挡层为掺杂浓度大于或等于5×1018cm-3且厚度处于10nm～30nm之间的P型InGaAsP阻挡层；或所述阻挡层为掺杂浓度大于或等于5×1018cm-3且厚度处于100nm～500nm的P型InP阻挡层。
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，所述吸收层为掺杂浓度处于2×1017cm-3～5×1018cm-3之间的P型InGaAs渐变掺杂吸收层，所述吸收层的厚度为200nm～1000nm。
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，所述隔离层包括未掺杂的第一InGaAsP子隔离层和第二InGaAsP子隔离层，所述第一InGaAsP子隔离层的厚度为10nm～20nm，所述第二InGaAsP子隔离层的厚度为10nm～20nm。
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，所述集结层为掺杂浓度小于或等于5×1016cm-3的N型InP集结层，所述集结层的厚度为200nm～700nm。
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，所述次集结层为掺杂浓度大于或等于5×1018cm-3的N型InP次集结层，所述次集结层的厚度为200nm～400nm。
8.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，所述蚀刻阻挡层为掺杂浓度大于或等于5×1018cm-3的N型InGaAs蚀刻阻挡层，所述蚀刻阻挡层的厚度为100nm～1000nm。
9.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，所述接触层为掺杂浓度大于或等于1×1019cm-3的P型InGaAs接触层，所述接触层的厚度为40nm～100nm。
10.一种如权利要求1至9任一项所述的单行载流子光电探测器的制备方法，其特征在于，包括：
在衬底上形成两个叠层设置的单行载流子光电二极管，且在两个单行载流子光电二极管之间形成蚀刻阻挡层；
从接触层朝向蚀刻阻挡层的方向刻蚀，形成单行载流子光电探测器的P型电极台面；
蚀刻部分蚀刻阻挡层，形成单行载流子光电探测器的N型电极台面；
继续蚀刻至衬底，形成单个的单行载流子光电探测器；
暴露出单行载流子光电探测器的钝化层图形，形成单行载流子光电探测器的钝化层；
暴露出单行载流子光电探测器的电极图形，形成P型电极和N型电极。
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