CN111900215A - 一种单行载流子光电探测器及其制作方法 - Google Patents

一种单行载流子光电探测器及其制作方法 Download PDF

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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，光电探测器包括金刚石衬底、金属反射层、有源层和电极，金属反射层作为探测器的N型电极；制作方法包括：在InP衬底上生长外延层；将临时载片与InP片键合；去除InP衬底；在N‑InP次集结层上蒸发金属Ti/Pt/Au，在金刚石衬底上蒸发金属In，将探测器有源层转移至金刚石衬底上；去除临时载片；在P‑InGaAs接触层上形成P电极；腐蚀外延层，刻蚀金属反射层；沉积SiNx，通过刻蚀在P型电极和N型电极上形成窗口；溅射WTi，制作Au电极，以Au电极为掩膜，刻蚀WTi，得到UTC‑PD。本发明具有高散热能力、大带宽、高响应度以及高饱和输出功率的优点。

Description

一种单行载流子光电探测器及其制作方法
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，尤其涉及一种单行载流子光电探测器及其制作方法。
背景技术
光电探测器能够实现光信号至电信号的转换，在微波光子雷达、激光雷达以及光通信等领域中具有十分广阔的应用前景。带宽、响应度和饱和输出功率等是光电探测器的几个重要性能指标。传统的PIN光电探测器由于受到空间电荷效应的影响，难以同时实现大带宽和高饱和输出功率。单行载流子光电探测器(UTC-PD)通过对光吸收区进行轻微P型掺杂，使得参与传输的载流子仅剩电子一种。由于电子质量轻、漂移速度快，空间电荷积聚效应得以极大缓解，从而有效提升了UTC-PD在高速下的饱和输出功率。
随着UTC-PD输出功率的提升，器件温度不断增加。当温度增大到一定程度时，器件会发生热失效。所以对于UTC-PD而言，优异的散热能力是进一步提升其饱和输出功率的关键因素。由于InP衬底的热导率仅为68W/(K·m)，因此需要用热导率更高的材料代替InP衬底。另外对于面入射型UTC-PD来说，其带宽和响应度相互制约的问题也需要解决。
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，使得光电探测器同时具有大带宽、高响应和高饱和输出功率的优点，以克服现有技术中的不足。
实现本发明目的的技术方案为：一种单行载流子光电探测器，包括衬底、金属反射层、有源层和电极，所述衬底为金刚石，所述金属反射层同时作为探测器的N型电极。
进一步的，所述金属反射层为金属Ti/Pt/Au/In。
进一步的，所述有源层从下至上依次包括：N-InP次集结层、N-InGaAs蚀刻停止层、N-InP集结层、i-InGaAsP势垒层、P-InGaAs吸收层、P-InP阻挡层和P-InGaAs接触层。
进一步的，所述电极包括与P-InGaAs接触层连接的P型Ti/Pt/Au电极、与N-InP次集结层连接的N型Ti/Pt/Au/In电极、以及与P型电极和N型电极相连接的Au电极。
进一步的，所述有源层上形成有SiNx增透膜。
进一步的，所述Au电极下面有一层金属WTi，所述Au电极的厚度为500nm～2000nm，所述WTi的厚度为100nm～500nm。
本发明还提供一种单行载流子光电探测器的制作方法，包括如下步骤：
S1、在InP衬底上生长一层InP缓冲层；
S2、在所述InP缓冲层上生长一层InGaAsP腐蚀停止层；
S3、在所述InGaAsP腐蚀停止层上生长探测器有源层；
S4、将临时载片与InP片通过高温蜡键合在一起；
S5、采用减薄、腐蚀工艺去除InP衬底，采用腐蚀工艺去除InGaAsP腐蚀停止层；
S6、在N-InP次集结层上蒸发金属Ti/Pt/Au，在金刚石衬底上蒸发金属In，通过Au-In键合将探测器有源层转移至金刚石衬底上；
S7、加热使高温蜡熔融，去除临时载片，用甲苯和丙酮溶液去除残存的高温蜡；
S8、在P-InGaAs接触层上制备P型Ti/Pt/Au电极；
S9、腐蚀探测器有源层，刻蚀N型电极Ti/Pt/Au/In；
S10、沉积SiNx，通过刻蚀在电极上形成窗口；
S11、溅射WTi，制作Au电极，以Au电极为掩膜，刻蚀WTi。
进一步的，所述步骤S3中，有源层从下至上依次包括：N-InP次集结层、N-InGaAs蚀刻停止层、N-InP集结层、i-InGaAsP势垒层、P-InGaAs吸收层、P-InP阻挡层和P-InGaAs接触层。
进一步的，所述步骤S4中，临时载片为蓝宝石，高温蜡的键合温度为200℃，键合压力为2bar；所述步骤S6中，Au-In键合的键合温度为150℃，键合压力为100N；所述步骤S7中，高温蜡的加热熔融温度为250℃。
所述步骤S11中，WTi的厚度为100nm～500nm，Au电极的厚度为500nm～2000nm。
进一步的，所述步骤S5中，InP衬底减薄后，采用H3PO4和HCl混合溶液腐蚀剩余的InP衬底，采用H3PO4、H2O2和H2O混合溶液腐蚀InGaAsP腐蚀停止层；
进一步的，所述步骤S9具体为：采用光刻技术，以光刻胶为掩膜，腐蚀探测器有源层，之后清洗去除光刻胶；对有源层进行二次光刻，以光刻胶为掩膜，刻蚀N型电极Ti/Pt/Au/In。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明采用高热导率的金刚石作为器件衬底能够大幅提升UTC-PD的散热能力，从而进一步提升其饱和输出功率；N型电极同时作为金属反射层，能对入射光进行反射，使得探测器吸收层对入射光进行二次探测，从而保证探测器在提升带宽的同时还具有高响应度。
附图说明
图1是本发明中单行载流子光电探测器的结构示意图。
图2是在InP衬底上生长的外延层结构图。
图3是单行载流子光电探测器有源层的结构图。
图4是单行载流子光电探测器制作方法中步骤4的结构图。
图5是单行载流子光电探测器制作方法中步骤7的结构图。
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。
实施例1
本实施例提供一种单行载流子光电探测器，结构如图1所示，包括金刚石衬底、金属反射层、有源层和电极。金刚石具有极高的热导率，约为2000W/(K·m)。由金刚石作为探测器衬底能够大幅提升UTC-PD的散热能力，从而进一步提升其饱和输出功率。金属反射层能对入射光进行反射，使得探测器吸收层对入射光进行二次探测，从而保证探测器在提升带宽的同时还具有高响应度。
金属反射层为金属Ti/Pt/Au/In，所述金属反射层同时作为N型电极。
有源层从下至上依次包括：N-InP次集结层、N-InGaAs蚀刻停止层、N-InP集结层、i-InGaAsP势垒层、P-InGaAs吸收层、P-InP阻挡层和P-InGaAs接触层。
电极包括与P-InGaAs接触层连接的P型Ti/Pt/Au电极、与N-InP次集结层连接的N型Ti/Pt/Au/In电极、以及与P型电极和N型电极相连接的Au电极。
所述探测器有源层上形成有SiNx增透膜。
所述Au电极下面有一层金属WTi，所述Au电极的厚度为500nm～2000nm，所述WTi的厚度为100nm～500nm。
实施例2
本实施例提供一种单行载流子光电探测器的制作方法，包括以下步骤：
步骤1、如图2所示，在InP衬底上依次生长InP缓冲层，InGaAsP腐蚀停止层和探测器有源层，所述探测器有源层如图3所示，从下至上依次包括：N-InP次集结层、N-InGaAs蚀刻停止层、N-InP集结层、i-InGaAsP势垒层、P-InGaAs吸收层、P-InP阻挡层和P-InGaAs接触层；
步骤2、以蓝宝石为临时载片，利用高温蜡将蓝宝石与InP外延片键合起来，键合温度为200℃，键合压力为2bar；
步骤3、采用减薄工艺去除大部分的InP衬底，剩余的InP衬底由H3PO4和HCl混合溶液腐蚀去除，该混合溶液与腐蚀停止层InGaAsP几乎没有反应。去除InP衬底后，利用H3PO4、H2O2和H2O混合溶液腐蚀掉InGaAsP腐蚀停止层；
步骤4、如图4所示，在N-InP次集结层上蒸发金属Ti/Pt/Au，在金刚石衬底上蒸发金属In，通过Au-In低温键合将探测器有源层转移至金刚石衬底上。金属Ti/Pt/Au/In既是N型电极，又作为探测器的金属反射层。其中Au-In键合的键合温度为150℃，键合压力为100N；
步骤5、将键合片加热至250℃使高温蜡熔融，去除临时载片蓝宝石，之后用甲苯和丙酮溶液去除残存的高温蜡；
步骤6、在P-InGaAs接触层上制备P型Ti/Pt/Au电极；
步骤7、结合图5所示，采用光刻技术，以光刻胶为掩膜，湿法腐蚀探测器有源层，之后清洗去除光刻胶；对有源层进行二次光刻，以光刻胶为掩膜，刻蚀N型电极Ti/Pt/Au/In；
步骤8、沉积增透膜SiNx，通过干法刻蚀在P型电极和N型电极上形成窗口；
步骤9、结合图1所示，溅射金属WTi，利用光刻、蒸发和剥离工艺制作Au电极，以Au电极为掩膜，刻蚀WTi。在步骤7中，由于采用湿法腐蚀工艺去除探测器有源层，导致台阶侧壁不是特别连续。而WTi具有出色的延展性，可有效附着在不连续侧壁上而不发生断裂。因此先溅射金属WTi再制作Au电极，能够有利于Au电极在侧壁上的爬坡以及衬底上Au电极与P型电极和N型电极的最终导通。

Claims (10)

1.一种单行载流子光电探测器，其特征在于，包括衬底、金属反射层、有源层和电极，所述衬底为金刚石，所述金属反射层同时作为探测器的N型电极。
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，所述金属反射层为金属Ti/Pt/Au/In。
3.根据权利要求1或2所述的单行载流子光电探测器，其特征在于，所述有源层从下至上依次包括：N-InP次集结层、N-InGaAs蚀刻停止层、N-InP集结层、i-InGaAsP势垒层、P-InGaAs吸收层、P-InP阻挡层和P-InGaAs接触层。
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，所述电极包括与P-InGaAs接触层连接的P型Ti/Pt/Au电极、与N-InP次集结层连接的N型Ti/Pt/Au/In电极、以及与P型电极和N型电极相连接的Au电极。
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，所述有源层上形成有SiNx增透膜。
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Au电极下面有一层金属WTi，所述Au电极的厚度为500nm～2000nm，所述WTi的厚度为100nm～500nm。
7.一种单行载流子光电探测器的制作方法，其特征在于，包括：
S1、在InP衬底上生长一层InP缓冲层；
S2、在所述InP缓冲层上生长一层InGaAsP腐蚀停止层；
S3、在所述InGaAsP腐蚀停止层上生长探测器有源层；
S4、将临时载片与InP片通过高温蜡键合在一起；
S5、采用减薄、腐蚀工艺去除InP衬底，采用腐蚀工艺去除InGaAsP腐蚀停止层；
S6、在N-InP次集结层上蒸发金属Ti/Pt/Au，在金刚石衬底上蒸发金属In，通过Au-In键合将探测器有源层转移至金刚石衬底上；
S7、加热使高温蜡熔融，去除临时载片，用甲苯和丙酮溶液去除残存的高温蜡；
S8、在P-InGaAs接触层上制备P型Ti/Pt/Au电极；
S9、腐蚀探测器有源层，刻蚀N型电极Ti/Pt/Au/In；
S10、沉积SiNx，通过刻蚀在电极上形成窗口；
S11、溅射WTi，制作Au电极，以Au电极为掩膜，刻蚀WTi。
8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述步骤S3中，有源层从下至上依次包括：N-InP次集结层、N-InGaAs蚀刻停止层、N-InP集结层、i-InGaAsP势垒层、P-InGaAs吸收层、P-InP阻挡层和P-InGaAs接触层。
9.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述步骤S4中，临时载片为蓝宝石，高温蜡的键合温度为200℃，键合压力为2bar；
所述步骤S6中，Au-In键合的键合温度为150℃，键合压力为100N；
所述步骤s7中，高温蜡的加热熔融温度为250℃。
所述步骤S11中，WTi的厚度为100nm～500nm，Au电极的厚度为500nm～2000nm。
10.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述步骤S5中，InP衬底减薄后，采用H3PO4和HCl混合溶液腐蚀剩余的InP衬底，采用H3PO4、H2O2和H2O混合溶液腐蚀InGaAsP腐蚀停止层；
所述步骤S9具体为：采用光刻技术，以光刻胶为掩膜，腐蚀探测器有源层，之后清洗去除光刻胶；对有源层进行二次光刻，以光刻胶为掩膜，刻蚀N型电极Ti/Pt/Au/In。
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