CN112382689B - 一种雪崩光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种雪崩光电探测器及其制备方法，其中，所述光电探测器外延结构从下至上依次包括：Si‑InP(Fe)衬底、N‑InP缓冲层、N‑接触层、N‑导电层、雪崩倍增层、电场控制层、AlGaInAs带隙过渡层、光吸收层、InGaAsP带隙过渡层、光窗层和P‑接触层；光电探测器还包括形成于P‑接触层、光窗层、InGaAsP带隙过渡层和光吸收层中的Zn扩散区、在N‑接触层上设置的N型电极、以及在Zn扩散区上设置的P型电极；其中，N‑接触层、P‑接触层和光窗层均采用InGaAsP材料制备而成。本发明通过将N‑接触层、P‑接触层和光窗层均采用InGaAsP材料制备而成，可有效提升光吸收效率，改善器件串联电阻，改善器件带宽，并使器件制作工艺流程更简单；使本发明提供的光探测器的产品可靠性提高。
Description
技术领域
本发明属于光电探测器技术领域，具体涉及一种雪崩光电探测器及其制备方法。
背景技术
雪崩光电探测器，又称APD探测器，是工作在反向偏压下，通过光电转化将光信号变成电信号，通过碰撞电离将光电流倍增放大的一种光电探测器。与PIN探测器相比，由于APD探测器具有内部增益，所以有更高的灵敏度，1.31μm和1.55μm的近红外光因其在光纤中低损耗和低色散而适合于光纤传输系统。1.55μm的波长还可以用于量子密钥分配三维成像、激光雷达、大气监测和对人脑的安全监测等。因此，研究和制作高响应、高速、高稳定的InGaAs/AlInAs-APD探测器具有重要的意义与应用价值。
1.31μm和1.55μm波长的近红外APD探测器主要有两种：InGaAs/InP APD探测器，InGaAs/AlInAs-APD探测器。二者都以InGaAs为光吸收层，前者以InP材料为雪崩倍增层，后者以AlInAs材料为雪崩倍增层，AlInAs-APD探测器和InP-APD探测器相比，有如下优点：
（1）AlInAs材料的带隙较InP材料大，因此AlInAs-APD探测器要比InP-APD探测器更稳定可靠；
（2）AlInAs材料比InP材料具有更低的电离率比值（即K值），因而AlInAs-APD探测器较InP-APD探测器具有更低的噪声；
（3）AlInAs材料较InP材料具有更小的电压温度系数，因此，AlInAs-APD的Vbr随温度变化更小，工作更稳定；
（4）AlInAs-APD探测器较InP-APD探测器具有更高的增益带宽乘积，因此AlInAs-APD探测器具有更好的频率特性，更高的传输频率。
然而，现有技术中的InGaAs/AlInAs-APD探测器还存在着量子效率低和带宽较窄等问题。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足之处，本发明提供了一种雪崩光电探测器及其制备方法。
本发明一方面提供的一种雪崩光电探测器，所述光电探测器外延结构从下至上依次包括：Si-InP(Fe)衬底、N-InP缓冲层、N-接触层、N-导电层、雪崩倍增层、电场控制层、AlGaInAs带隙过渡层、光吸收层、InGaAsP带隙过渡层、光窗层和P-接触层；所述光电探测器还包括形成于所述P-接触层、光窗层、InGaAsP带隙过渡层和光吸收层中的Zn扩散区、在所述N-接触层上设置的N型电极、以及在所述Zn扩散区上设置的P型电极；其中，所述N-接触层、P-接触层和光窗层均采用InGaAsP材料制备而成。
进一步的，所述InGaAsP带隙过渡层为带隙宽度渐变的InGaAsP层，所述InGaAsP带隙过渡层的响应波长为1.1~1.5μm。
进一步的，所述AlGaInAs带隙过渡层为带隙宽度渐变的AlGaInAs层，所述AlGaInAs带隙过渡层的响应波长为1.1~1.5μm。
进一步的，所述N-InP缓冲层、N-导电层、雪崩倍增层、电场控制层、AlGaInAs带隙过渡层、光吸收层、InGaAsP带隙过渡层、光窗层和P-接触层的外侧还依次设有SiO2/SiN复合膜和BCB钝化层。
进一步的，所述N-接触层的响应波长为1.1~1.25μm；所述P-接触层的响应波长为1.1~1.3µm。
进一步的，所述N-InP缓冲层的掺杂浓度为3~5×1018cm-3。
进一步的，所述N-导电层从下至上依次包括N-InP导电层和N-AlInAs层。
进一步的，所述雪崩倍增层由AlInAs材料制备而成;所述电场控制层由AlInAs材料制备而成;所述光吸收层由InGaAs材料制备而成。
本发明另一方面提供的一种雪崩光电探测器的制备方法，包括：
在Si-InP(Fe)衬底上依次生长N-InP缓冲层、N-接触层、N-导电层、雪崩倍增层、电场控制层、AlGaInAs带隙过渡层、光吸收层、InGaAsP带隙过渡层、光窗层和P-接触层；
通过Zn扩散工艺使所述P-接触层、光窗层、InGaAsP带隙过渡层和光吸收层中形成Zn扩散区；
在所述N-接触层上设置N型电极，在所述Zn扩散区上设置的P型电极；
其中，所述N-接触层、P-接触层和光窗层均采用InGaAsP材料制备而成。
进一步的，所述InGaAsP带隙过渡层为响应波长为1.1-1.5µm的带隙渐变层；所述AlGaInAs带隙过渡层为响应波长为1.1-1.5µm的带隙渐变层。
本发明提供的雪崩光电探测器及其制备方法，通过将N-接触层、P-接触层和光窗层均采用InGaAsP材料制备而成，与传统技术中的采用InGaAsP材料制备N-接触层和P-接触层、采用InP材料制备光窗层的雪崩光电探测器相比，N-接触层、P-接触层和光窗层均采用InGaAsP材料制备而成可以有效提升光电探测器的光吸收效率的同时，本发明提供的雪崩探测器的暗电流小、串联电阻小，由此可见，本发明可提高探测器的过载能力、增加带宽，同时本发明提供的光探测器的产品可靠性高。同时，本发明通过在P-接触层、光窗层、光吸收层和电场控制层中形成Zn扩散区，与传统技术中的带有纯平面结构的雪崩探测器相比，本发明的准平面结构提供的雪崩光探测器具有更小的电容及理想的暗电流和高可靠性。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为现有技术中的雪崩光电探测器的结构示意图；
图2为本发明示例性实施例的一种雪崩光电探测器的结构示意图；
图3为本发明示例性实施例的又一种雪崩光电探测器的结构示意图；
图4为本发明示例性实施例的一种雪崩光电探测器的外延结构示意图；
图5为本发明示例性实施例的一种雪崩光电探测器的制备方法的流程示意图。
图中：
1、N-InP缓冲层，2、N-接触层，3、N-导电层，4、雪崩倍增层，5、电场控制层，6、光吸收层，7、光窗层，8、P-接触层，9、InGaAsP带隙过渡层，10、AlGaInAs带隙过渡层，11、SiO2/SiN复合膜，12、BCB钝化层，13、Zn扩散区，14、Si-InP(Fe)衬底，15、N型电极，16、P型电极；
301、N-InP导电层，302、N-AlInAs层。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以及，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的一种雪崩光电探测器，参见图2至4，所述光电探测器外延结构从下至上依次包括：Si-InP(Fe)衬底14、N-InP缓冲层1、N-接触层2、N-导电层3、雪崩倍增层4、电场控制层5、AlGaInAs带隙过渡层10、光吸收层6、InGaAsP带隙过渡层9、光窗层7和P-接触层8；光电探测器还包括形成于P-接触层8、光窗层7、InGaAsP带隙过渡层9和光吸收层6中的Zn扩散区13、在N-接触层2上设置的N型电极15、以及在Zn扩散区13上设置的P型电极16；其中，N-接触层2、P-接触层8和光窗层7均采用InGaAsP材料制备而成。
本发明提供的雪崩光电探测器，通过将N-接触层2、P-接触层8和光窗层7均采用InGaAsP材料制备而成，与传统技术中的采用InGaAsP材料制备N-接触层2和P-接触层8、采用InP材料制备光窗层7的雪崩光电探测器相比，N-接触层2、P-接触层8和光窗层7均采用InGaAsP材料制备而成可以有效提升光电探测器的光吸收效率的同时，本发明提供的雪崩探测器的暗电流小（暗电流小于30nA）、串联电阻小（串联电阻小于10欧姆），由此可见，本发明可提高探测器的过载能力、增加带宽，同时本发明提供的光探测器的产品可靠性高。同时，本发明通过在P-接触层8、光窗层7、光吸收层6和电场控制层5中形成Zn扩散区13，与传统技术中的带有纯平面结构的雪崩探测器（参见图1）相比，本发明提供的雪崩光探测器具有更小的暗电流和更好可靠性。
在一些实施方式中，InGaAsP带隙过渡层9为带隙宽度渐变的InGaAsP层，InGaAsP带隙过渡层的响应波长为1.1~1.5μm。通过在光吸收层6和光窗层7之间设有带隙宽度渐变的InGaAsP层，有利于改善光电探测器上的载流子在并流结界的积累，进而有利于光电探测器上的载流子的输送特性，改善光电探测器的频率特性。其中，InGaAsP带隙过渡层9由InGaAsP的掺杂浓度逐渐变化或逐步变化的构成。
在一些实施方式中，AlGaInAs带隙过渡层10为带隙宽度渐变的AlGaInAs层，AlGaInAs带隙过渡层10的响应波长为1.1~1.5μm、通过将光吸收层6和电场控制层5之间设置带隙宽度渐变的AlGaInAs带隙过渡层10，有利于改善光电探测器上的载流子在并流结界的积累，进而有利于光电探测器上的载流子的输送特性，改善光电探测器的频率特性。其中，AlGaInAs带隙过渡层10由AlGaInAs的掺杂浓度逐渐变化或逐步变化的构成。
在一些实施方式中，参见图3，N-InP缓冲层1、N-接触层2、N-导电层3、雪崩倍增层4、电场控制层5、AlGaInAs带隙过渡层10、光吸收层6、InGaAsP带隙过渡层9、光窗层7和P-接触层8的外侧还依次设有SiO2/SiN复合膜11和BCB钝化层12。通过在光电探测器外延结构的外侧依次设有SiO2/SiN复合膜11和BCB钝化层12，使光电探测器外延结构的外侧具有三层钝化，可以减少电容，提高光电探测器的可靠性。
在一些实施方式中，N-接触层响应波长为1.1~1.25µm；P-接触层8的响应波长为1.1~1.3µm。在本实施方式中，通过将N-接触层2采用N＋-InGaAsP层而非N＋-InP层，响应波长为1.1~1.25μm，使N-接触层2对1.31和1.55μm波长透明，因此，设有本实施例提供的N-接触层2的雪崩光探测器可采用正面进光，也可以采用背面进光。又由于P-接触层8采用InGaAsP材料制备而成，P-接触层8的响应波长优选为1.1~1.3µm，其目的是为了减少光探测器的串联电阻Rs，改善电流特性。
在一些实施方式中，N-InP缓冲层1的掺杂浓度为高浓度掺杂，N-InP缓冲层1的掺杂浓度为3~5×1018cm-3。
在一些实施方式中，N-导电层3从下至上依次包括N-InP导电层301和N-AlInAs层302，在本实施方式中，N-InP导电层301生长在N-接触层2上，N-AlInAs层302生长在N-InP导电层301上。
在一些实施方式中，雪崩倍增层4由AlInAs材料制备而成，电场控制层5由AlInAs材料制备而成，光吸收层6由InGaAs材料制备而成;通过将雪崩倍增层4由AlInAs制备而成，由于AlInAs材料具有的较大的带隙、较低的电离率比值、较小的电压温度系数、以及更高的增益带宽乘积，因此，设有本实施例的雪崩倍增层4的光探测器具有稳定性更加可靠、噪声更低、较高的传输频率、以及工作更稳定等优点。
本发明提供的一种雪崩光电探测器的制备方法，参见图5，包括如下步骤：
S100、在Si-InP(Fe)衬底上依次生长N-InP缓冲层、N-接触层、N-导电层、雪崩倍增层、电场控制层、AlGaInAs带隙过渡层、光吸收层、InGaAsP带隙过渡层、光窗层和P-接触层；
S200、通过Zn扩散工艺使所述P-接触层、光窗层、InGaAsP带隙过渡层和光吸收层中形成Zn扩散区；
S300、在N-接触层上设置N型电极，在Zn扩散区上设置的P型电极；
其中，N-接触层、P-接触层和光窗层均采用InGaAsP材料制备而成。
更为具体的，在Si-InP(Fe)衬底上依次生长N-InP缓冲层、N-接触层、N-导电层、雪崩倍增层、电场控制层、光吸收层、光窗层和P-接触层时，包括如下步骤：
（1）通过PECVD气相沉积法在Si-InP(Fe)衬底上生长一层N-InP缓冲层；
（2）再通过光刻、显影、电子束蒸发的方法在N-InP缓冲层上形成N-接触层;其中，N-接触层为N-InGaAsP层，其响应波长为1.1~1.25μm；
（3）在N-接触层丝杠生长一层N-InP导电层；
（4）在N-InP导电层上生长一层N-AlInAs导电层,在N-AlInAs导电层上生长一层雪崩倍增层；其中，所述雪崩倍增层由AlInAs制备而成；
（5）在雪崩倍增层上生长一层电场控制层；其中，电场控制层由AlInAs材料制备而成；
（6）在电场控制层上生长一层AlGaInAs带隙过渡层，其中，AlGaInAs带隙过渡层中AlGaInAs材料的带隙逐渐改变；
（7）在AlGaInAs带隙过渡层上生长一层光吸收层，其中，光吸收层由InGaAs材料制备而成；
（8）在光吸收层上生长一层InGaAsP带隙过渡层，其中，InGaAsP带隙逐渐改变；
（9）在InGaAsP带隙过渡层上生长一层InGaAsP光窗层-接触层；
（10）通过光刻、显影、TiPtAu电子束蒸发工艺在光窗层上形成P-接触层，其中，P-接触层的响应波长为1.1~1.3µm；
（11）通过光刻、RIE刻蚀工艺形成使P-接触层、光窗层、光吸收层和电场控制层上形成扩散孔，通过扩散炉对扩散孔进行Zn扩散；分别在P-接触层和N-接触层上生长P型电极和N型电极。
在一些实施方式中，InGaAsP带隙过渡层为响应波长为1.1-1.5µm的带隙渐变层；AlGaInAs带隙过渡层为响应波长为1.1-1.5µm的带隙渐变层。
作为具体的，InGaAsP带隙过渡层的响应波长为1.1~1.5μm、厚度为20~50nm；AlGaInAs带隙过渡层的响应波长为1.1~1.5μm、厚度为20~50nm。
在一些实施方式中，雪崩光电探测器的制备方法还包括：在光电探测器的外延结构的外侧还依次设有SiO2/SiN AR复合膜和BCB钝化层，其包括如下步骤：
（1）通过光刻、显影、腐蚀工艺对光探测器的外延进行腐蚀处理，得到N-接触层；
（2）通过PECVD气相沉积法在光探测器的外延的外侧生长依次生长SiO2和SiNx，使光探测器的外延上生长AR复合钝化膜;
（3）在复合钝化膜的外侧涂覆BCB，然后通过光刻，显影，高温钝化工艺形成低介质BCB填充，完成BCB钝化层的设置；
（4）通过光刻/显影/RIE工艺分别将P-接触层和N-接触层上的P-接触窗口和N-接触窗口打开；
（5）分别在P-接触窗口和N-接触窗口上生长P型电极和N型电极。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种雪崩光电探测器，其特征在于，所述光电探测器外延结构从下至上依次包括：Si-InP(Fe)衬底、N-InP缓冲层、N-接触层、N-导电层、雪崩倍增层、电场控制层、AlGaInAs带隙过渡层、光吸收层、InGaAsP带隙过渡层、光窗层和P-接触层；所述光电探测器还包括形成于所述P-接触层、光窗层、InGaAsP带隙过渡层和光吸收层中的Zn扩散区、在所述N-接触层上设置的N型电极、以及在所述Zn扩散区上设置的P型电极；其中，所述N-接触层、P-接触层和光窗层均采用InGaAsP材料制备而成；所述Zn扩散区和所述P-接触层的上表面形成准平面结构。
2.根据权利要求1所述的雪崩光电探测器，其特征在于，所述InGaAsP带隙过渡层为带隙宽度渐变的InGaAsP层，所述InGaAsP带隙过渡层的响应波长为1.1~1.5μm。
3.根据权利要求1所述的雪崩光电探测器，其特征在于，所述AlGaInAs带隙过渡层为带隙宽度渐变的AlGaInAs层，所述AlGaInAs带隙过渡层的响应波长为1.1~1.5μm。
4.根据权利要求1所述的雪崩光电探测器，其特征在于，所述N-InP缓冲层、N-接触层、N-导电层、雪崩倍增层、电场控制层、AlGaInAs带隙过渡层、光吸收层、InGaAsP带隙过渡层、光窗层和P-接触层的外侧还依次设有SiO2/SiN复合膜和BCB钝化层。
5.根据权利要求1所述的雪崩光电探测器，其特征在于，所述N-接触层响应波长为1.1~1.25μm;所述P-接触层的响应波长为1.1~1.3µm。
6.根据权利要求1所述的雪崩光电探测器，其特征在于，所述N-InP缓冲层的掺杂浓度为3~5×1018cm-3。
7.根据权利要求1所述的雪崩光电探测器，其特征在于，所述N-导电层从下至上依次包括N-InP导电层和N-AlInAs层。
8.根据权利要求1所述的雪崩光电探测器，其特征在于，所述雪崩倍增层由AlInAs材料制备而成;所述电场控制层由AlInAs材料制备而成，所述光吸收层由InGaAs材料制备而成。
9.一种雪崩光电探测器的制备方法，其特征在于，包括：
在Si-InP(Fe)衬底上依次生长N-InP缓冲层、N-接触层、N-导电层、雪崩倍增层、电场控制层、AlGaInAs带隙过渡层、光吸收层、InGaAsP带隙过渡层、光窗层和P-接触层；
通过Zn扩散工艺使所述P-接触层、光窗层、InGaAsP带隙过渡层和光吸收层中形成Zn扩散区；
在所述N-接触层上设置N型电极，在所述Zn扩散区上设置的P型电极；
其中，所述N-接触层、P-接触层和光窗层均采用InGaAsP材料制备而成；所述Zn扩散区和所述P-接触层的上表面形成准平面结构。
10.根据权利要求9所述的雪崩光电探测器的制备方法，其特征在于，所述InGaAsP带隙过渡层为响应波长为1.1-1.5µm的带隙渐变层；所述AlGaInAs带隙过渡层为响应波长为1.1-1.5µm的带隙渐变层。
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