CN111682078B - 一种单行载流子光电探测器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种单行载流子光电探测器及其制作方法，在吸收层附近引入表面等离激元结构，利用局域的场增强以及传输中的近场增强与散射等特性增加吸收层的吸收，提高吸收层的光电转化效率，使得厚度较薄的吸收层具有较高的吸收性能，从而使得单行载流子光电探测器在较薄厚度的吸收层也能具有较高的响应度特性，进而在高速单行载流子探测器设计过程中，能够在不牺牲器件响应度特性指标的前提下，降低吸收层厚度，进而降低器件的载流子渡越时间，提升器件的高频带宽特性，也即实现了同时具有高响应度和高频带宽特性的器件。

Description

一种单行载流子光电探测器及其制作方法
技术领域
本发明设计光电探测技术领域，尤其设计一种单行载流子光电探测器及其制作方法。
背景技术
随着高速光通信光检测器的迅速发展，在其中发挥重要作用的光检测器正在朝着更高的效率和更高的带宽进行设计。半导体光电二极管作为一种基于内部光电效应的光电检测器，由于其体积小，噪声低，检测速度快和检测效率高等优点，已成为光通信系统中使用的光电检测器的主要类型。
基于InGaAs材料的能带为0.73eV的光电二极管是目前在光通信波导1550nm使用最广泛的商用光通信光电探测器。作为光电探测器中最典型且使用最广泛的p-i-n型检测器，与其他类型的内部光电效应检测器(例如：光电导，肖特基和热载流子)相比，暗电流更低，量子效率更高。
但是，它也引入了结电容器，以使p-i-n光电探测器具有较低的带宽特性。为了改善p-i-n型光电探测器的带宽，提出了单行进载流子光电探测器，该方案将吸收区(对应吸收层)与耗尽区(对应收集层)完全分开，并保持作为耗尽区的收集层具有一定的厚度(＞＞吸收层厚度)，以保持结电容较小。通过能带的设计，仅将更快的电子作为载流子，这进一步缩短了载流子的传播时间。
但单行载流子光电探测器的高频带宽与器件响应度之间具有矛盾，无法得到高响应度和高频带宽的器件。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种单行载流子光电探测器及其制作方法，以解决现有技术中高频带宽与器件响应度之间具有矛盾，无法得到高响应度和高频带宽器件的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种单行载流子光电探测器，包括：
衬底，所述衬底包括相对设置的第一表面和第二表面；且所述第一表面包括第一区域、第二区域和第三区域，
位于所述衬底第一区域，且沿背离所述衬底的方向依次设置的第一接触层、收集层、过渡层、吸收层、阻隔层和第二接触层；
位于所述衬底第二区域，且沿背离所述衬底的方向依次设置的第一接触层、收集层、过渡层、吸收层，以及位于所述吸收层背离所述衬底一侧的表面等离激元结构。
优选地，所述表面等离激元结构位于所述吸收层表面。
优选地，所述表面等离激元结构和所述吸收层之间还包括介质膜。
优选地，所述介质膜的厚度为0-20nm，包括端点值20nm，不包括0。
优选地，所述介质膜材质为氧化铝，氧化硅、氮化硅或氧化钛。
优选地，所述表面等离激元结构为表面等离激元亚波长金属结构，所述表面等离激元亚波长金属结构为光学纳米天线、纳米天线二聚体或纳米天线多聚体；所述光学纳米天线包括纳米球、纳米环、纳米圆盘、纳米棒、纳米三角形、纳米C型天线或纳米V型天线。
优选地，所述吸收层为30nm厚的InGaAs材料，所述表面等离子激元结构为直径为160nm，材料为金的金属圆盘阵列，阵列周期为200nm-800nm，包括端点值，圆盘的高度为20nm-150nm，包括端点值。
优选地，所述表面等离激元结构的材质为金、银、铝、铜或钨。
优选地，所述收集层和所述过渡层之间还包括崖层。
本发明还提供一种单行载流子光电探测器制作方法，用于制作形成上面任意一项所述的单行载流子光电探测器，所述制作方法包括：
提供衬底，所述衬底包括相对设置的第一表面和第二表面；且所述第一表面包括第一区域、第二区域和第三区域；
在所述衬底的第一区域和第二区域依次外延生长第一接触层、收集层、过渡层、吸收层、阻隔层和第二接触层；
对所述第二区域的阻隔层和第二接触层进行刻蚀，暴露出所述吸收层；
在所述吸收层背离所述衬底的一侧制作形成表面等离激元结构。
经由上述的技术方案可知，本发明提供的单行载流子光电探测器，在吸收层附近引入表面等离激元结构，利用局域的场增强以及传输中的近场增强与散射等特性增加吸收层的吸收，提高吸收层的光电转化效率，使得厚度较薄的吸收层具有较高的吸收性能，从而使得单行载流子光电探测器在较薄厚度的吸收层也能具有较高的响应度特性，进而在高速单行载流子探测器设计过程中，能够在不牺牲器件响应度特性指标的前提下，降低吸收层厚度，进而降低器件的载流子渡越时间，提升器件的高频带宽特性，也即实现了同时具有高响应度和高频带宽特性的器件。
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的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种单行载流子光电探测器剖面结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种单行载流子光电探测器俯视结构示意图；
图3为本发明实施例提供的另一种单行载流子光电探测器剖面结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种表面等离子激元结构的俯视结构示意图；
图5为图4所示的表面等离激元结构形成高速单行载流子光电探测器的具体实例的吸收率变化对比值；
图6为本发明实施例提供的一种单行载流子光电探测器制作方法流程图。
具体实施方式
正如背景技术部分所述，现有技术中高频带宽与器件响应度之间具有矛盾，无法得到高响应度和高频带宽的器件。
发明人发现，出现上述现象的原因是，为了使得光电探测器具有更高的带宽，吸收层的厚度需要越来越薄，而吸收层厚度减薄意味着光入射光路越短，造成器件响应度越低，也即，光电探测器的高频带宽与高响应度是一对矛盾。
而为了解决高频带宽和器件响应度的矛盾，现有技术中提出了波导光电探测器和谐振腔增强(RCE)光电探测器。但是，RCE光电检测器具有复杂的制造工艺并且入射角范围有限，这限制了其实用性。波导光电检测器促进了光子芯片互连的集成，而其复杂的制造过程和高的空间光插入损耗限制了其对光纤光的检测性能。另外，将来对于更高带宽的检测器，当结面积足够小时，波导光电检测器在量子效率方面的优势并不是那么明显。对于未来所需求的更高带宽的探测器，需要新的设计方案解决响应度和器件高频3Db带宽的设计矛盾。
基于此，本发明提供一种单行载流子光电探测器，包括：
衬底，所述衬底包括相对设置的第一表面和第二表面；且所述第一表面包括第一区域、第二区域和第三区域，
位于所述衬底第一区域，且沿背离所述衬底的方向依次设置的第一接触层、收集层、过渡层、吸收层、阻隔层和第二接触层；
位于所述衬底第二区域，且沿背离所述衬底的方向依次设置的第一接触层、收集层、过渡层、吸收层，以及位于所述吸收层背离所述衬底一侧的表面等离激元结构。
也即，本发明提供了一种基于表面等离激元增强的单行载流子高速光电探测器。这种基于表面等离激元增强的探测器，利用表面等离激元的场局域，场增强以及散射特性，在较薄的吸收层实现较高的光学吸收，进而解决高带宽的较薄吸收层的低响应度的设计矛盾，提升器件响应度的同时降低吸收层的厚度设计需求，进而提升器件的高频带宽特性。
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清楚、完整地描述，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。
请参见图1和图2，其中，图1为本发明实施例提供的一种单行载流子光电探测器剖面结构示意图，图2为本发明实施例提供的一种单行载流子光电探测器俯视结构示意图，图1为沿图2中的AA线进行剖面得到的结构示意图。本发明实施例提供的单行载流子光电探测器，包括：衬底1，衬底1包括相对设置的第一表面和第二表面；且第一表面包括第一区域、第二区域和第三区域，位于衬底第一区域，且沿背离衬底的方向依次设置的第一接触层2、收集层3、过渡层4、吸收层5、阻隔层6和第二接触层7；位于衬底第二区域，且沿背离衬底1的方向依次设置的第一接触层2、收集层3、过渡层4、吸收层5，以及位于吸收层5背离衬底1一侧的表面等离激元结构8。
需要说明的是，本实施例中如图2中所示，衬底的第一区域上表面为第二接触层7的上表面，第二区域上表面为吸收层5的上表面，而第三区域为包括衬底1和第一接触层2的结构，也即第三区域的上表面为第一接触层2的上表面，其中，第一区域、第二区域和第三区域形成三个台面，第一区域和第二区域形成光电探测器的结区。需要说明的是，在本发明其他实施例中，还可以包括其他台面，本实施例中对此不作限定，可以根据实际情况进行选择设置。
表面等离激元结构位于吸收层的附近即可实现增强吸收层吸收性能的作用，本实施例中对表面等离激元结构的位置不作限定。但根据实际制作过程，表面等离激元结构位于吸收层背离衬底的一侧更加便于实现，本实施例中表面等离激元结构位于吸收层背离衬底的一侧，但具体位置不进行限定，可选的，表面等离激元结构可以位于吸收层背离衬底的表面。
在本发明的其他实施例中，如图3所示，图3为本发明实施例提供的另一种单行载流子光电探测器剖面结构示意图；也可以在表面等离激元结构8和吸收层5之间设置介质膜9，以实现表面等离激元结构的制作。本实施例中不限定介质膜9的厚度，可选的，介质膜9的厚度为0-20nm，包括端点值20nm，不包括0。本实施例中不限定介质膜的材质，只要能够实现承载表面等离激元结构，且不影响光电探测器的性能即可，可选的，介质膜的材质可以为氧化铝，氧化硅、氮化硅或氧化钛。
在本发明的其他实施例中，所述收集层和所述过渡层之间还包括崖层。且在最后，还需要形成电极，与外部电路进行电性连接。
另外，由于本发明中解决的技术问题是由于吸收层厚度造成的高频特性和响应度矛盾，因此，本实施例中限定所述单行载流子光电探测器为面入射式(也即正入射，从图1的上方向下入射)的表面等离激元结构高速单行载流子光电探测器。对于面入射式的表面等离激元结构制备在吸收层的垂直上方。面入射的光信号垂直入射到表面等离激元结构并由于场局域、场增强以及散射特性增加了吸收层的面入射吸收。
所述表面等离激元结构为基于局域场共振表明等离基元原理所设计的金属亚波长结构，也即表面等离激元亚波长金属结构。所述表面等离激元亚波长金属结构为光学纳米天线或纳米天线二聚体，或，光学纳米天线和/或纳米天线二聚体组成的阵列结构；所述光学纳米天线包括纳米球、纳米环、纳米圆盘、纳米棒、纳米三角形、纳米C型天线或纳米V型天线。
另外，本发明实施例中不限定表面等离激元结构的材质，可选的，表面等离激元结构的材质为金、银、铝、铜或钨等金属材质，根据金属的介电常数和金属体频率，使得在单行载流子光电探测器的工作波段产生更有效的局域表面等离激元增强效果，来选取不同的金属材质制作形成表面等离激元结构。而且，本发明实施例中不限定单行载流子光电探测器的原来各层结构的材质或厚度。
在本发明的一个实施例中对表面等离激元结构的形状和尺寸也不做限定，可选的，表面等离激元结构可以为矩形，与吸收层形成的台阶面的边缘之间的距离可以为50nm-2μm，包括端点值。由于表面等离激元结构的实际制作工艺中，例如对准套刻工艺和实际加工会存在偏差，具体偏差多少与对准套刻的精度相关，为了能够保证出现偏差情况下，仍能制作形成表面等离激元结构，本实施例中预留套刻精度偏差范围为50nm-2μm，包括端点值。
本实施例中提供的单行载流子光电探测器，在吸收层背离衬底的一侧设置表面等离激元结构，尤其所述表面等离激元结构为表面等离激元亚波长金属结构，利用亚波长金属结构的具体尺寸，由金属的等离子体频率，亚波长结构附近的环境折射率因子，入射电磁波波长，所选择的亚波长结构的几何形状因子，偶极子极化参数以及二聚体及多聚体偶极子效应等共同决定。利用金属亚波长结构对等离子体共振波长下的光的深亚波长的振荡局域特性，以及传输中的由亚波长尺寸结构衍射所产生的散射等特性增加吸收层与光信号的光电作用效率。使得在较薄的吸收层即可得到较高的吸收特性，得到较高的器件响应度，进而使得器件能够利用比较薄的吸收层得到比较低的载流子渡越时间，进而降低单行载流子器件整体的响应时间，而由于引入亚波长结构所产生的工作的移相时间(dephasing time)为飞秒(fs)，远小于器件本身的响应时间(10皮秒ps量级)，进而增加器件的设计高频带宽特性。
也即，相比于现有的高速单行载流子光电探测器，本发明提供的单行载流子光电探测器的优点在于：在吸收层附近引入表面等离激元亚波长尺寸的金属结构，并实现吸收层更高的光电转化效率，实现较薄的吸收层具有较高的吸收，使得器件具有较高的响应度特性，从而使得高速的单行载流子探测器在设计时，在不牺牲器件响应度特性指标的前提下，可以降低吸收层厚度，进而降低器件的载流子渡越时间，提升器件的高频带宽特性。
为清楚说明本发明的技术效果，本实施例中以吸收层为30nm厚的InGaAs材料为例进行效果说明，本实施例中，如图4所示，为表面等离子激元结构的俯视结构示意图；本实施例中表面等离子激元结构为：直径D为160nm，材料为金的金属圆盘阵列，阵列周期Tx和Ty相同，均为200nm-800nm，包括端点值，圆盘的高度为20nm-150nm，包括端点值。其中，图4中圆形代表纳米圆盘，图示为一个亚波长的金属表面等离激元阵列。在其他实施例中，阵列中的单元结构其可以替代为：纳米球、纳米环、纳米棒、纳米三角形、纳米C型天线、纳米V型天线等光学纳米天线、及同种或不同种纳米天线所组成的二聚体或多聚体。阵列可以是周期性的，也可以是随机分布的。
图5为上述图4所示的表面等离激元结构形成高速单行载流子光电探测器的具体实例的吸收率变化对比值。从图5中可以看出，由于表面等离激元结构的场局域、场增强以及散射等特性，在光电探测器的目标探测波长1550nm附近其吸收层的吸收率提升了接近4.5倍之多。本发明提供的单行载流子光电探测器，主体结构本身并没有太多修改，没有增加器件的渡越时间，也没有增加器件的RC常数，并没有更改器件的高频带宽特性。
基于相同的发明构思，本发明还提供一种单行载流子光电探测器制作方法，用于制作形成上面实施例所述的单行载流子光电探测器，如图6所示，图6为本发明实施例提供的一种单行载流子光电探测器制作方法流程图；所述制作方法包括：
S101：提供衬底，所述衬底包括相对设置的第一表面和第二表面；且所述第一表面包括第一区域、第二区域和第三区域；
S102：在所述衬底的表面依次外延生长第一接触层、收集层、过渡层、吸收层、阻隔层和第二接触层；
S103：对所述第三区域进行刻蚀，暴露出所述第一接触层；
S104：对所述第二区域的阻隔层和第二接触层进行刻蚀，暴露出所述吸收层；
S105：在所述吸收层背离所述衬底的一侧制作形成表面等离激元结构。
需要说明的是，本发明实施例中以单行载流子光电探测器具有三个台面为例进行说明，在本发明的其他实施例中，衬底还可以包括第四区域，第四区域形成新的台面，具体设置根据实际需求进行设置，本实施例中对此不作限定。
在制备单行载流子探测器时，通过在衬底上进行外延生长，通过镀膜、光刻、刻蚀工艺定义出刻蚀凹槽，使得吸收层表面裸露，并在单行载流子的光电探测器的外延结构基础上，在吸收层附近设计表面等离激元结构。具体的，在InP衬底上利用外延生长设备进行单行载流子探测器的外延结构的生长，利用镀膜、光刻与刻蚀工艺定义出的出刻蚀凹槽，刻蚀至吸收层的上表面，形成第一个台面，使得吸收层表明裸露，再进行镀膜、光刻与刻蚀工艺定义出刻蚀凹槽，刻蚀至第一接触层的上表面，形成第二个台面，并以此定义出器件的结区，再利用镀膜设备制备0-20nm厚度的介质膜，介质膜材料可以为氧化铝，氧化硅、氮化硅、氧化钛等，并利用电子束光刻以及金属沉积和剥离lift-off工艺制备出亚波长尺寸的金属表面等离激元结构在吸收层的上方(0-20nm的位置)，再利用紫外光刻及电极金属材料蒸镀和剥离lift-off工艺完成器件的G-S-G电极制备，以完成芯片在晶圆片上的制备工艺。
本发明提供的单行载流子光电探测器制作方法，在外延结构生长完成后，通过刻蚀工艺将吸收层表面暴露出来，然后在吸收层附近形成表面等离激元结构，利用局域的场增强以及传输中的近场增强与散射等特性增加吸收层的吸收，提高吸收层的光电转化效率，使得厚度较薄的吸收层具有较高的吸收性能，从而使得单行载流子光电探测器在较薄厚度的吸收层也能具有较高的响应度特性，进而在高速单行载流子探测器设计过程中，能够在不牺牲器件响应度特性指标的前提下，降低吸收层厚度，进而降低器件的载流子渡越时间，提升器件的高频带宽特性，也即实现了同时具有高响应度和高频带宽特性的器件。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
还需要说明的是，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，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种单行载流子光电探测器，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底包括相对设置的第一表面和第二表面；且所述第一表面包括第一区域、第二区域和第三区域，
位于所述衬底第一区域，且沿背离所述衬底的方向依次设置的第一接触层、收集层、过渡层、吸收层、阻隔层和第二接触层；
位于所述衬底第二区域，且沿背离所述衬底的方向依次设置的第一接触层、收集层、过渡层、吸收层，以及位于所述吸收层背离所述衬底一侧的表面等离激元结构；其中，所述第二区域中的吸收层经刻蚀暴露出来，并在暴露出的吸收层的局部表面上设置所述表面等离激元结构，以实现在所述第二区域，光从所述表面等离激元结构背离所述吸收层的一面，入射到所述表面等离激元结构中，经过所述表面等离激元结构的处理并射入所述吸收层；
位于所述衬底的第三区域设置有第一接触层；
所述第三区域为分别以所述第一表面的两条长边为基础向内拓展所围成的两个矩形子区域，且第三区域的面积小于第一表面的面积；
第一区域和第二区域为以第一表面除去第三区域后剩余区域的宽边为基础所围成的两个子区域。
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，所述表面等离激元结构和所述吸收层之间还包括介质膜。
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，所述介质膜的厚度为0-20nm，包括端点值20nm，不包括0。
4.根据权利要求3所述的单行载流子光电探测器，其特征在于，所述介质膜材质为氧化铝，氧化硅、氮化硅或氧化钛。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的单行载流子光电探测器，其特征在于，所述表面等离激元结构为表面等离激元亚波长金属结构，所述表面等离激元亚波长金属结构为光学纳米天线、纳米天线二聚体或纳米天线多聚体；所述光学纳米天线包括纳米球、纳米环、纳米圆盘、纳米棒、纳米三角形、纳米C型天线或纳米V型天线。
6.根据权利要求5所述的单行载流子光电探测器，其特征在于，所述吸收层为30nm厚的InGaAs材料，所述表面等离子激元结构为直径为160nm，材料为金的金属圆盘阵列，阵列周期为200nm-800nm，圆盘的高度为20nm-150nm，阵列周期和圆盘的高度包括端点值。
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，所述表面等离激元结构的材质为金、银、铝、铜或钨。
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，所述收集层和所述过渡层之间还包括崖层。
9.一种单行载流子光电探测器制作方法，其特征在于，用于制作形成权利要求1-8任意一项所述的单行载流子光电探测器，所述制作方法包括：
提供衬底，所述衬底包括相对设置的第一表面和第二表面；且所述第一表面包括第一区域、第二区域和第三区域；
在所述衬底的表面依次外延生长第一接触层、收集层、过渡层、吸收层、阻隔层和第二接触层；
对所述第三区域进行刻蚀，暴露出所述第一接触层；对所述第二区域的阻隔层和第二接触层进行刻蚀，暴露出所述吸收层；在所述吸收层背离所述衬底的一侧制作形成表面等离激元结构。
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