CN112490302B - 一种多电极的高速光电探测器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种多电极的高速光电探测器，包括：衬底；N台面，其位于衬底上，N台面表面一侧设置N电极；I台面，其位于N台面上，且I台面的水平宽度小于N台面的水平宽度，I台面表面一侧设置I电极；P台面，其位于I台面上，且P台面的水平宽度小于I台面的水平宽度，P台面表面一侧设置P电极。本公开还提供了一种多电极的高速光电探测器的制备方法。

Description

一种多电极的高速光电探测器及其制备方法
技术领域
本公开涉及半导体光电子器件技术领域，具体涉及一种多电极的高速光电探测器及其制备方法。
背景技术
随着信息时代的到来，近年来网络通信量呈现出“爆炸式”的增长，人们对于海量数据的发送和接收需求日益凸显，高速光纤通信技术作为解决这些问题的主要方法得到了极大的关注。作为光通信系统中的核心组件，光电探测器需要更好的线性度、更低的暗电流以及更大的带宽才能满足不断提速的通信系统的需求。
目前广泛应用于光通信系统中的光电探测器主要包括PIN光电探测器、雪崩光电探测器(APD)以及金属-半导体-金属光电探测器(MSM)等几类。其中，APD由于雪崩建立时间较长、功耗大等问题，限制了其的大规模应用；MSM存在吸收层电场强度低、响应度低等问题。PIN光电探测器由于带宽大、暗电流低、响应度适中在光通信系统中得到了广泛的应用。
现有技术中的台面型PIN探测器芯片吸收区吸收入射光产生的电子和空穴分别向两个电极移动并进入外电路，在这个过程中空穴需要穿越吸收区上部的P掺杂InP区和P掺杂InGaAs区，而电场在这两个区域中为零，载流子只能依靠扩散完成该过程，增加了载流子的渡越时间，限制了器件的高速性能。为了更好的使PIN光电探测器满足不断提速的高速光通信系统的需求，有必要提出一种高速、大带宽的PIN光电探测器结构。
发明内容
为了解决现有技术中上述问题，本公开提供了一种多电极的高速光电探测器及其制备方法，该光电探测器通过优化PIN结构，使得吸收层中产生的光生载流子不必穿越电场强度为零的P台面，通过减少载流子的输运距离降低器件的渡越时间，进而提高了该光电探测器的带宽。
本公开的一个方面提供了一种多电极的高速光电探测器，包括：衬底；N台面，其位于衬底上，N台面表面一侧设置N电极；I台面，其位于N台面上，且I台面的水平宽度小于N台面的水平宽度，I台面表面一侧设置I电极；P台面，其位于I台面上，且P台面的水平宽度小于I台面的水平宽度，P台面表面一侧设置P电极。
进一步地，P电极和N电极间及I电极和N电极间采用独立的电激励，N电极作为共用电极其为地电极。
进一步地，P电极与N电极构成直流偏置电极，其间外接电感隔交实现无串扰的直流偏置。
进一步地，I电极与N电极构成信号输出电极，其间外接电容隔直实现无串扰的交流信号输出。
进一步地，I电极由Ti、Pt及Au金属依次叠层生长构成的环形电极。
进一步地，I台面由本征InGaAs吸收层和P型掺杂InGaAs吸收层构成，其中，本征InGaAs吸收层位于N台面上，P型掺杂InGaAs吸收层位于本征InGaAs吸收层上。
进一步地，P台面由P型掺杂InP层、P型掺杂InGaAsP层及P型重掺杂InGaAs欧姆接触层构成，其中，P型掺杂InP层、P型掺杂InGaAsP层及P型重掺杂InGaAs欧姆接触层依次位于P型掺杂InGaAs吸收层上。
进一步地，该光电探测器还包括一P电极焊盘、一I电极焊盘、第一N电极焊盘及第二N电极焊盘，其中，P电极焊盘、I电极焊盘、第一N电极焊盘及第二N电极焊盘位于衬底上，P电极焊盘与P电极通过引线连接，I电极焊盘与I电极通过引线连接，第一N电极焊盘及第二N电极焊盘分别与N电极通过引线连接。
进一步地，P型掺杂InGaAs吸收层由本征InGaAs吸收层表面进行P掺杂形成，其掺杂浓度为1×1017cm-3～1×1019cm-3，层厚为50～200nm。
本公开的另一个方面提供了一种多电极的高速光电探测器的制备方法，该方法包括：S1，在衬底上依次生长N台面层、I台面层及P台面层；S2，光刻P台面层，通过湿法腐蚀透P台面层，形成P台面；S3，光刻I台面层，通过湿法腐蚀透I台面层，形成I台面，其中，P台面的水平宽度小于I台面的水平宽度；S4，光刻N台面层，通过湿法腐蚀透N台面层，形成N台面，其中，I台面的水平宽度小于N台面的水平宽度；S5，在P台面表面、I台面表面及N台面表面分别形成P电极、I电极及N电极。
本公开提供的一种多电极的高速光电探测器及其制备方法，该光电探测器利用三个不同功能的电极结合电感、电容的使用，分离施加直流偏置的路径与输出交流信号的路径，使得吸收层中产生的光生载流子不必穿越电场强度为零的P台面，通过减少载流子的输运距离降低器件的渡越时间。由于光电探测器的3dB带宽与渡越时间有关，本公开实现了通过降低器件的渡越时间来提升光电探测器的带宽，以使本公开提供的光电探测器能工作在更高的射频信号频率下，改善器件在高速信号下工作的性能。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
图1示意性示出了根据本公开实施例的多电极的高速光电探测器结构图；
图2示意性示出了根据本公开实施例的多电极的高速光电探测器的俯视图；
图3和图4示意性示出了根据本公开实施例的多电极的高速光电探测器的制备流程图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
应该理解的是，当元件(诸如层、膜、区域、或衬底)描述为在另一元件“上”时，该元件可直接在该另一元件上，或者也可存在中间元件。而且，在说明书以及权利要求书中，当描述有元件“连接”至另一元件时，该元件可“直接连接”至该另一元件，或者通过第三元件“连接”至该另一元件。
如图1所示，本公开实施例的多电极的高速光电探测器，包括：衬底1；N台面2，其位于衬底1上，其中，N台面2由N型重掺杂InP欧姆接触层构成，其掺杂浓度为2×1019cm-3，层厚为500nm；I台面14，其位于N台面2上，且I台面14的水平宽度小于N台面2的水平宽度，该I台面14由本征InGaAs吸收层3和P型掺杂InGaAs吸收层4构成，其中，本征InGaAs吸收层3位于N台面2上，其层厚为2μm，P型掺杂InGaAs吸收层4位于本征InGaAs吸收层3上，该P型掺杂InGaAs吸收层4由本征InGaAs吸收层3表面进行P掺杂形成，其掺杂浓度为1×1017cm-3～1×1019cm-3，层厚为200nm；P台面13，其位于I台面14上，且P台面13的水平宽度小于I台面14的水平宽度，其中，该P台面13由P型掺杂InP层5、P型掺杂InGaAsP层6及P型重掺杂InGaAs欧姆接触层7构成，其中，P型掺杂InP层5、P型掺杂InGaAsP层6及P型重掺杂InGaAs欧姆接触层7依次位于P型掺杂InGaAs吸收层4上，P型掺杂InP层5的掺杂浓度为5×1018cm-3，层厚为450nm，P型掺杂InGaAsP层6的掺杂浓度为1×1019cm-3，层厚为30nm，P型重掺杂InGaAs欧姆接触层7的掺杂浓度为2×1019cm-3，层厚为50nm。
本公开的实施例中，该N台面2、I台面14及P台面13暴露的表面外侧分别设置环形N电极11、环形I电极12及环形P电极10，如图2所示，该环形N电极11、环形I电极12及环形P电极10为非闭环的环形电极，该环形N电极11由Au、Ge及Ni金属依次叠层生长构成的环形电极，其总层厚为490nm，环形I电极12及环形P电极10均由Ti、Pt及Au金属依次叠层生长构成的环形电极，其总层厚均为400nm。
本公开的实施例中，如图2所示，该N台面2、I台面14及P台面13均为梯形圆台，具体是顶部圆形半径小于底部圆形半径的梯形圆台，其中，N台面2顶部小圆半径大于I台面14底部大圆半径，同理，I台面14顶部小圆半径大于P台面13底部大圆半径。需要具体说明的是，本公开所述的I台面14的水平宽度小于N台面2的水平宽度，该水平宽度大小即为该梯形圆台顶部或底部的圆直径大小。
本公开的实施例中，如图2所示，由于该光电探测器尺寸为微米级，为方便添加电激励，该光电探测器还包括一P电极焊盘101、一I电极焊盘121、第一N电极焊盘111及第二N电极焊盘112，其中，P电极焊盘101、I电极焊盘121、第一N电极焊盘111及第二N电极焊盘112位于衬底1上，P电极焊盘101与P电极10通过引线连接，I电极焊盘121与I电极12通过引线连接，第一N电极焊盘111及第二N电极焊盘112分别与N电极11通过引线连接，其中，该四个电极焊盘均由Au、Ge及Ni金属依次叠层生长构成，其焊盘均为圆盘型，圆半径均为35μm，其均与该光电探测器的材料层非接触。
本公开的实施例中，P电极焊盘和N电极焊盘间及I电极焊盘和N电极焊盘间独立的电激励，N电极作为共用电极其为地电极，其中，P电极焊盘与N电极焊盘其间外接电感15隔交实现P电极与N电极间无串扰的直流偏置，其构成直流偏置电极，I电极焊盘与N电极焊盘间外接电容16隔直实现I电极与N电极间无串扰的交流信号输出，其构成信号输出电极。
根据本公开的实施例，在P电极焊盘与N电极焊盘其间添加一直流偏置，该直流偏置大小为-7V，I电极焊盘与N电极焊盘间外接电容实现无串扰的交流信号输出，I电极焊盘与N电极焊盘构成信号输出电极焊盘。高速射频信号经直接调制或外部调制后将携带的信息调制到激光器产生的光载波上得到信号光，信号光入射进入该光电探测器内部，并在该光电探测器的吸收区被吸收产生电子-空穴对，在该光电探测器的P电极与N电极施加的直流偏置电压和内建电场的的共同作用下，电子与空穴分离并向与外部电路连接的电极移动。本公开的实施例通过电学元件实现了直流偏置与射频输出的隔离，使得载流子可以通过I电极直接输出而不必穿过P台面后从P电极输出，因此减小了载流子的渡越时间，改善了该光电探测器在高速信号下工作的性能。本公开的实施例中，通过多次在P电极焊盘与N电极焊盘其间施加不同直流偏置，该偏置电压范围为-7V～0V，通过实验测试发现，随着偏置电压差的增加，该光电探测器耗尽区内的电场增加，导致光生载流子的漂移速度提高，进而减小了载流子的渡越时间，使得该光电探测器实现的带宽越大。
根据本公开的实施例，根据实际不同的需求，各材料层掺杂浓度及层厚并不仅限于上述内容所示，例如根据本公开的实施例，该P型掺杂InGaAs吸收层4的层厚优选50～200nm，其他材料层同理。此外，该N台面2、I台面14及P台面13还可以为上下圆半径相等的圆柱型台，即其上下水平宽度相等。
图3示意性示出了根据本公开实施例的多电极的高速光电探测器的制备流程图。
如图3所示，本公开的实施例提供了一种多电极的高速光电探测器的制备方法，该方法包括：S1，在衬底1上依次生长N台面层、I台面层及P台面层；S2，光刻P台面层，通过湿法腐蚀透P台面层，形成P台面13；S3，光刻I台面层，通过湿法腐蚀透I台面层，形成I台面14，其中，P台面13的水平宽度小于I台面14的水平宽度；S4，光刻N台面层，通过湿法腐蚀透N台面层，形成N台面2，其中，I台面14的水平宽度小于N台面2的水平宽度：S5，在P台面13表面、I台面14表面及N台面2表面分别形成P电极10、I电极12及N电极11。
根据本公开的实施例，该N台面层、I台面层及P台面层通过MOCVD技术依次一次生长完成，其中，N台面层为N型重掺杂InP欧姆接触层2，其掺杂浓度为2×1019cm-3，层厚为500nm；I台面层由本征InGaAs吸收层3和P型掺杂InGaAs吸收层4构成，本征InGaAs吸收层3位于N台面2上，层厚为2μm，P型掺杂InGaAs吸收层4位于本征InGaAs吸收层3上，该P型掺杂InGaAs吸收层4由本征InGaAs吸收层3表面进行P掺杂形成，其掺杂浓度为1×1017cm-3～1×1019cm-3，层厚为200nm；P台面层由P型掺杂InP层5、P型掺杂InGaAsP层6及P型重掺杂InGaAs欧姆接触层7构成，其中，P型掺杂InP层5、P型掺杂InGaAsP层6及P型重掺杂InGaAs欧姆接触层7依次位于P型掺杂InGaAs吸收层4上，P型掺杂InP层5的掺杂浓度为5×1018cm-3，层厚为450nm，P型掺杂InGaAsP层6的掺杂浓度为1×1019cm-3，层厚为30nm，P型重掺杂InGaAs欧姆接触层7的掺杂浓度为2×1019cm-3，层厚为50nm。
根据本公开的实施例，如图4所示，该方法还包括：S6，采用PECVD在P台面、I台面及N台面表面淀积SiO2钝化层9；S7，采用光刻并RIE刻蚀掉P台面、I电极及N电极表面的SiO2钝化层9，以使P型重掺杂InGaAs欧姆接触层7、I电极及N电极表面暴露；S8，通过蒸发金属在衬底表面沉积一P电极焊盘101、一I电极焊盘121、第一N电极焊盘111及第二N电极焊盘112，并利用负胶剥离工艺完成P电极焊盘、I电极焊盘及N电极焊盘的图形化，其中，P电极焊盘101与P电极10通过引线连接，I电极焊盘121与I电极12通过引线连接，第一N电极焊盘111及第二N电极焊盘112分别与N电极11通过引线连接；S9，利用PECVD在P型重掺杂InGaAs欧姆接触层7表面沉积氮化硅8，并光刻增透膜图形，再通过RIE去除增透膜图形以外的氮化硅；S10，将衬底背面减薄、抛光及划片。其中，该钝化层用于隔离电极引线与该光电探测器的材料层接触，该氮化硅增透膜图形用于减少入射光在该光电探测器表面的反射以使入射光尽可能多的进入到该光电探测器的吸收层中。
需具体说明的是，各材料层具体层厚及掺杂浓度根据实际应用所需的光电探测器的内部电场大小、欧姆接触大小、结电容电阻大小和载流子渡越时间大小进行设计，并不仅限于本公开实施例所示的该器件尺寸结构。
尽管已经在附图和前面的描述中详细地图示和描述了本公开，但是这样的图示和描述应认为是说明性的或示例性的而非限制性的。
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种范围组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。

Claims (8)

1.一种多电极的高速光电探测器，其特征在于，包括：
衬底（1）；
N台面（2），其位于所述衬底（1）上，所述N台面（2）表面一侧设置N电极（11）；
I台面（14），其位于所述N台面（2）上，且所述I台面（14）的水平宽度小于所述N台面（2）的水平宽度，所述I台面（14）表面一侧设置I电极（12）；
P台面（13），其位于所述I台面（14）上，且所述P台面（13）的水平宽度小于所述I台面（14）的水平宽度，所述P台面（13）表面一侧设置P电极（10）；其中，所述P电极（10）与所述N电极（11）构成直流偏置电极，其间外接电感隔交实现无串扰的直流偏置；所述I电极（12）与所述N电极（11）构成信号输出电极，其间外接电容隔直实现无串扰的交流信号输出。
2.根据权利要求1所述的多电极的高速光电探测器，其特征在于，所述P电极（10）和所述N电极（11）间及所述I电极（12）和所述N电极（11）间采用独立的电激励，所述N电极（11）作为共用电极其为地电极。
3.根据权利要求1所述的多电极的高速光电探测器，其特征在于，所述I电极（12）由Ti、Pt及Au金属依次叠层生长构成的环形电极。
4.根据权利要求1所述的多电极的高速光电探测器，其特征在于，所述I台面（14）由本征InGaAs吸收层（3）和P型掺杂InGaAs吸收层（4）构成，其中，所述本征InGaAs吸收层（3）位于所述N台面（2）上，所述P型掺杂InGaAs吸收层（4）位于所述本征InGaAs吸收层（3）上。
5.根据权利要求4所述的多电极的高速光电探测器，其特征在于，所述P台面（13）由P型掺杂InP层（5）、P型掺杂InGaAsP层（6）及P型重掺杂InGaAs欧姆接触层（7）构成，其中，所述P型掺杂InP层（5）、P型掺杂InGaAsP层（6）及P型重掺杂InGaAs欧姆接触层（7）依次位于所述P型掺杂InGaAs吸收层（4）上。
6.根据权利要求1所述的多电极的高速光电探测器，其特征在于，该光电探测器还包括一P电极焊盘（101）、一I电极焊盘（121）、第一N电极焊盘（111）及第二N电极焊盘（112），其中，所述P电极焊盘（101）、I电极焊盘（121）、第一N电极焊盘（111）及第二N电极焊盘（112）位于所述衬底（1）上，所述P电极焊盘（101）与P电极（10）通过引线连接，所述I电极焊盘（121）与所述I电极（12）通过引线连接，所述第一N电极焊盘（111）及第二N电极焊盘（112）分别与N电极（11）通过引线连接。
7.根据权利要求5所述的多电极的高速光电探测器，其特征在于，所述P型掺杂InGaAs吸收层（4）由本征InGaAs吸收层（3）表面进行P掺杂形成，其掺杂浓度为1×1017cm-3~1×1019cm-3，层厚为50~200nm。
8.一种多电极的高速光电探测器的制备方法，其特征在于，包括：
S1，在衬底（1）上依次生长N台面层、I台面层及P台面层；
S2，光刻P台面层，通过湿法腐蚀透P台面层，形成P台面（13）；
S3，光刻I台面层，通过湿法腐蚀透I台面层，形成I台面（14），其中，所述P台面（13）的水平宽度小于I台面（14）的水平宽度；
S4，光刻N台面层，通过湿法腐蚀透N台面层，形成N台面（2），其中，所述I台面（14）的水平宽度小于N台面（2）的水平宽度；
S5，在所述P台面（13）表面、I台面（14）表面及N台面（2）表面分别形成P电极（10）、I电极（12）及N电极（11）；其中，所述P电极（10）与所述N电极（11）构成直流偏置电极，其间外接电感隔交实现无串扰的直流偏置；所述I电极（12）与所述N电极（11）构成信号输出电极，其间外接电容隔直实现无串扰的交流信号输出。
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