CN108807588B - 单片式n-i-p-i-n型宽光谱光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种单片式n‑i‑p‑i‑n型宽光谱光电探测器，包括InP衬底；在InP衬底上形成有第一导电类型的InP作为下接触层；在下接触层之上形成有本征Inx1Ga1‑x1As作为第一吸收层；在第一吸收层之上形成有第二导电类型的InP作为公共接触层；在公共接触层之上形成有晶格适配缓冲层；在晶格适配缓冲层之上形成有本征或者第一导电类的Inx2Ga1‑x2As作为第二吸收层；在第二吸收层之上形成第一导电类型的Inx3Al1‑ x3As上接触层。本发明采用双色探测器设计方案，将标准波长响应PIN探测器与延伸波长响应PIN探测器相结合，利用PD1响应1.7μm以下谱段，利用PD2响应1.7‑2.5μm谱段。PD1与PD2共用P电极，形成背入射式的n‑i‑p‑i‑n型器件结构，通过电极偏置的切换实现响应光谱的调制。
Description
技术领域
本发明属于半导体设计及制造技术领域，涉及InP基III-V族化合物半导体光电子器件技术领域，具体涉及一种新颖结构的单片式n-i-p-i-n型宽光谱光电探测器。
背景技术
“近红外-短波红外”(0.75-2.5μm)谱段是面向光谱传感检测、光谱分析应用最主要的波段范围，在工业、通信、医疗、食品、生化、农业、公共安全等领域应用需求广泛。目前，该谱段范围内，InGaAs与HgCdTe是最为主流的探测器技术。
近年来，随着材料制备技术不断取得进步，二类超晶格(type-II superlattice，T2SL)与胶体量子点(Colloidal quantum dots，CQD)等新兴探测器技术也得到快速发展。但比较而言，CQD灵敏度有限，主要面向低成本、低性能需求应用；T2SL需要深制冷，且与当前主流技术相比，其性能在短波红外谱段内也并不占优。
InGaAs探测器基于成熟的InP基III-V族化合物半导体技术，不仅在1.7μm响应截止的谱段内拥有最优性能，而且在1.7-2.5μm范围内其灵敏度也与HgCdTe相当。但目前，在0.8-2.5μm、1.0-2.5μm等宽谱段的光谱传感应用均采用HgCdTe技术。对于响应截止波长大于1.7μm的延伸型短波红外InGaAs探测器，由于窄带隙晶格失配缓冲层或接触顶层的吸收作用(背入射或正照式)，导致短波长方向的量子效率下降明显，影响了探测灵敏度和光谱响应范围；当响应截止波长延伸至2.5μm，响应开启波长大于1.2μm，且1.5μm波长以下的量子效率通常低于30％，如何提升InGaAs探测器1.7μm波长以下的探测灵敏度是亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种单片式n-i-p-i-n型宽光谱光电探测器。
为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种单片式n-i-p-i-n型宽光谱光电探测器，其包括：
InP衬底；
在所述InP衬底上形成有第一导电类型的InP作为第一吸收层结构的下接触层；
在所述第一吸收层结构的下接触层之上形成有本征Inx1Ga1-x1As作为第一吸收层，所述0<x1<1，所述第一吸收层覆盖部分下接触层，所述第一吸收层优选In0.53Ga0.47As；
在所述第一吸收层之上形成有第二导电类型的InP作为公共接触层；
在所述公共接触层之上形成有晶格适配缓冲层，所述晶格适配缓冲层的底层与公共接触层晶格匹配，上层与第二吸收层晶格匹配，所述晶格适配缓冲层覆盖部分公共接触层；
在所述晶格适配缓冲层之上形成有本征或者第一导电类的Inx2Ga1-x2As作为第二吸收层，所述0<x2<1，所述x2>x1；
在所述第二吸收层之上形成第一导电类型的Inx3Al1-x3As上接触层，所述0<x3<1；且且x2-0.1<x3<x2+0.1；
在所述下接触层、公共接触层的暴露部分和上接触层上形成有电极。
本发明采用双色探测器设计方案，将标准波长响应PIN探测器(PD1)与延伸波长响应PIN探测器(PD2)相结合，利用PD1响应1.7μm以下谱段，利用PD2响应1.7-2.5μm谱段。PD1与PD2共用P电极，形成背入射式的n-i-p-i-n型器件结构，通过电极偏置的切换实现响应光谱的调制。
本发明使得1.7μm以下谱段的量子效率大幅提升，暗电流显著降低，探测灵敏度得到明显改善。
本发明根据波谱信号的分布特征，1.7μm以下谱段主要基于光反射探测，1.7-2.5μm谱段范围主要基于热辐射探测，本发明的探测器结构不仅满足宽谱段探测需求，而且可满足部分特定应用的双色探测要求，应用灵活。
在本发明的一种优选实施方式中，在所述InP衬底与下接触层之间形成有腐蚀阻挡层，优选In0.53Ga0.47As。本发明可有效拓展InGaAs探测器的光谱响应范围，工作波长覆盖0.95-2.5μm宽谱范围，若InP衬底被完全剥离，则工作波长将有效覆盖0.75-2.5μm的近红外-短波红外宽光谱范围，最宽响应光谱可覆盖0.4-2.5μm的可见短波谱段范围。
在本发明的另一种优选实施方式中，第一导电类型为N型，第二导电类型为P型，晶格失配缓冲层的导电类型为P型，优选Be掺杂。Be掺杂更有利于改善缓冲层的外延晶体质量，有助于提升第二吸收层的外延质量，提高延伸波长响应灵敏度。
在本发明的另一种优选实施方式中，晶格失配缓冲层为多层结构，采用组分线性渐变或组分梯度渐变的InAlAs或InAsP材料，通过组分调制，底层与公共接触层晶格匹配，上层与第二吸收层晶格匹配。提高了第二吸收层的外延生长质量。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一种优选实施例中单片式n-i-p-i-n型宽光谱InGaAs光电探测器的结构示意图；
图2是图1所示结构衬底完全剥离后的室温光谱响应示意图；
图3是图1所示结构衬底未剥离时的室温光谱响应示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明提供一种n-i-p-i-n型宽光谱光电探测器，以解决目前延伸型短波红外InGaAs探测器存在的短波方向量子效率偏低、光谱响应范围较窄的问题，并且，可显著提升1.7μm波长以下的探测灵敏度。
本发明提供了一种单片式n-i-p-i-n型宽光谱光电探测器，如图1所示，其包括：
InP衬底；
在所述InP衬底上形成有第一导电类型的InP作为第一吸收层结构的下接触层；
在所述第一吸收层结构的下接触层之上形成有本征Inx1Ga1-x1As作为第一吸收层，所述0<x1<1，所述第一吸收层覆盖部分下接触层，所述第一吸收层优选In0.53Ga0.47As；
在所述第一吸收层之上形成有第二导电类型的InP作为公共接触层；
在所述公共接触层之上形成有晶格适配缓冲层，所述晶格适配缓冲层的底层与公共接触层晶格匹配，上层与第二吸收层晶格匹配，所述晶格适配缓冲层覆盖部分公共接触层；
在所述晶格适配缓冲层之上形成有本征或者第一导电类的Inx2Ga1-x2As作为第二吸收层，所述0<x2<1，所述x2>x1；
在所述第二吸收层之上形成第一导电类型的Inx3Al1-x3As上接触层，所述0<x3<1,且x2-0.1<x3<x2+0.1；
在所述下接触层、公共接触层的暴露部分和上接触层上形成有电极。
在本发明的一种优选实施方式中，具体组分选择和制备流程为：
利用MOCVD或MBE外延技术，在InP单晶衬底上依次生长p-on-n型PD1结构与n-on-p型PD2结构层次，InP衬底材料采用掺Fe的I型半绝缘衬底或掺S的N型衬底；
首选，在InP单晶衬底上生长N+-InP下接触层，N+-InP下接触层厚度为0.2μm-1.0μm，掺杂浓度≥2E+18cm-3，施主杂质为Si；若需剥离InP衬底拓展响应光谱，则在N+-InP下接触层与InP衬底之间插入一层In0.53Ga0.47As腐蚀阻挡层。若需剥离衬底，设置该腐蚀阻挡层；若不剥离衬底，不需要设置该腐蚀阻挡层。
在N+-InP下接触层之上外延生长本征i-In0.53Ga0.47As第一吸收层，厚度为2.0-3.5μm，背景载流子浓度≤1E+15cm-3。
在第一吸收层之上生长形成p-InP公共接触层，厚度为0.5μm-1.0μm，有效掺杂浓度≥1E+18cm-3，受主杂质为Zn。
如图1所示，在p-InP公共接触层之上外延生长晶格失配缓冲层，晶格失配缓冲层该多层结构，采用组分线性渐变或组分梯度渐变的InAlAs或InAsP材料，通过组分调制，底层与p_InP公共接触层晶格匹配，上层与N--InxGa1-xAs第二吸收层晶格匹配，外延厚度为1-10μm，有效掺杂浓度≥1E+18cm-3，受主杂质为Zn或Be。
延伸波长探测器采用n-on-p结构，使得p型晶格失配缓冲层可选用Be掺杂，相比于n型缓冲层的Si掺杂，Be掺杂更有利于改善缓冲层的外延晶体质量，有助于提升第二吸收层的外延质量，提高延伸波长响应灵敏度。
在晶格失配缓冲层之上外延生长N--Inx2Ga1-x2As第二吸收层，第二吸收层的In组分为0.53＜x2＜0.83，最大带隙吸收截止波长为2.6μm(在制冷低温工作条件下，保证截止波长不低于2.5μm)，外延厚度为1.5-2.5μm，掺杂浓度为1-5E+16cm-3，施主杂质为Si。
第二吸收层之上外延生长N+-Inx3Al1-x3As上接触顶层，上接触顶层的In组分与第二吸收层相同(即x2＝x3)，厚度为0.2-1.0μm，掺杂浓度≥1E+18cm-3，施主杂质为Si。
采用台面工艺制作探测器器件，利用干法刻蚀或湿法腐蚀形成器件台面；器件台面采用SiNx或Al2O3介质膜进行钝化；在下接触层、公共接触层的暴露部分和上接触层上形成有电极(如图1所示，图1中被测光从衬底入入射)。上下电极、公共电极采用Cr/Au双层金属或Ti/Pt/Au多层金属。
若需拓展PD1短波响应波长范围，则采用选择性湿法腐蚀剥离InP衬底。
本发明采用双色探测器结构设计，可有效拓展InGaAs探测器的光谱响应范围，工作波长覆盖0.95-2.5μm宽谱范围，如图3所示；若InP衬底被完全剥离，则工作波长将有效覆盖0.75-2.5μm的近红外-短波红外宽光谱范围，如图2所示。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种单片式n-i-p-i-n型宽光谱光电探测器，其特征在于，包括：
InP衬底；
在所述InP衬底上形成有第一导电类型的InP作为第一吸收层结构的下接触层；
在所述第一吸收层结构的下接触层之上形成有本征Inx1Ga1-x1As作为第一吸收层，所述0<x1<x2，所述第一吸收层覆盖部分下接触层；
在所述第一吸收层之上形成有第二导电类型的InP作为公共接触层；
在所述公共接触层之上形成有晶格适配缓冲层，所述晶格适配缓冲层的底层与公共接触层晶格匹配，上层与第二吸收层晶格匹配，所述晶格适配缓冲层覆盖部分公共接触层；
在所述晶格适配缓冲层之上形成有本征或者第一导电类的Inx2Ga1-x2As作为第二吸收层，所述x2>x1，0.53＜x2＜0.83；
在所述第二吸收层之上形成第一导电类型的Inx3Al1-x3As上接触层，所述0<x3<1，且x2-0.1<x3<x2+0.1；
在所述下接触层、公共接触层的暴露部分和上接触层上形成有电极；
1.7μm以下谱段主要基于光反射探测，1.7-2.5μm谱段范围主要基于热辐射探测；
在所述InP衬底与下接触层之间形成有腐蚀阻挡层，在InP衬底完全剥离后，将腐蚀阻挡层完全去除，若InP衬底被完全剥离，则工作波长将有效覆盖0.75-2.5μm的近红外-短波红外宽光谱范围。
2.如权利要求1所述的单片式n-i-p-i-n型宽光谱光电探测器，其特征在于，腐蚀阻挡层为In0.53Ga0.47As。
3.如权利要求1所述的单片式n-i-p-i-n型宽光谱光电探测器，其特征在于，第一导电类型为N型，第二导电类型为P型，晶格失配缓冲层的导电类型为P型。
4.如权利要求3所述的单片式n-i-p-i-n型宽光谱光电探测器，其特征在于，晶格失配缓冲层为Be掺杂。
5.如权利要求1或3所述的单片式n-i-p-i-n型宽光谱光电探测器，其特征在于，晶格失配缓冲层为多层结构，采用组分线性渐变或组分梯度渐变的InAlAs或InAsP材料，通过组分调制，底层与公共接触层晶格匹配，上层与第二吸收层晶格匹配。
6.如权利要求1所述的单片式n-i-p-i-n型宽光谱光电探测器，其特征在于，第二吸收层Inx2Ga1-x2As的最大带隙吸收截止波长为2.6μm。
7.如权利要求1所述的单片式n-i-p-i-n型宽光谱光电探测器，其特征在于，上接触层Inx3Al1-x3As的In组分与第二吸收层的In组分相同。
8.如权利要求1所述的单片式n-i-p-i-n型宽光谱光电探测器，其特征在于，
第一吸收层的厚度为2.0-3.5μm，响应0.75-1.7μm谱段；
第二吸收层的厚度为1.5-2.5μm，响应1.7-2.5μm谱段。
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