CN113363341A - 一种PIN型InGaAsSb探测器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种一种PIN型InGaAsSb探测器及其制备方法，所述探测器包括自下而上依次设置的InP(001)衬底、n型InP缓冲层和下接触层、i型近晶格匹配的InGaAsSb吸收层，以及p型InP帽层和上接触层。其中，所述i型近晶格匹配的InGaAsSb吸收层中的Sb组分含量为0.001～0.01，其厚度范围为1500～3000nm，其掺杂浓度为1×1014～1×1016cm‑3。本发明中的所述InGaAsSb探测器能够有效改善材料结晶质量，提升探测器的性能。

Description

一种PIN型InGaAsSb探测器及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件领域，特别涉及一种PIN型InGaAsSb(铟镓砷锑)探测器及其制备方法。
背景技术
近红外1～3微米波段在光纤通信领域获得了越来越广泛的应用。基于InP衬底的InGaAs探测器，由于InGaAs材料具有较高的吸收系数、高迁移率、较好的物理化学稳定性和抗辐照特性，在晶格匹配生长的情况下，其制备的探测器可以覆盖0.8～1.7微米近红外波段，涵盖了目前光纤低色散和低损耗的两个重要窗口1.31和1.55微米，并表现出较高工作温度、高量子效率、高灵敏度等优点，所以，PIN型InGaAs探测器和雪崩探测器均已广泛被用作光纤通信的接收器，这些探测器与前置放大电路的集成，或者再与光发射器件集成，是目前光通信中应用面最广的光接收模块或光收发模块。
近年来，InGaAs探测器的一个重要发展方向是提高器件性能、增大焦平面的规模。这在材料生长过程中，可以通过提高材料生长温度的方式，增加原子在表面的自由迁移能，减少晶格缺陷数量，获得高结晶质量的InGaAs单晶材料，从而降低探测器的体暗电流，提升器件性能。但是，高铟(In)组分材料在高温生长过程中容易出现金属铟在表面析出形成液滴的现象，造成表面缺陷密度增加，最终带来材料良率的降低和器件性能的退化。因此，在分子束外延生长高铟材料过程中需要保持富V族的生长环境。对于高温生长InGaAs而言就需要进一步提高V/III蒸气压比例，即PAs/(PIn+PGa)，这可以通过两种方式实现，一种是保持砷分子(As2)蒸气压不变的情况下，降低III族元素蒸气压，但这将降低材料的生产效率，对企业提升产量是十分不利的；另一种则是在保持较高的材料生长速率情况下，进一步提高As2蒸气压，然而高As2蒸气压对于超高真空度的生长环境本身就是向背驰的，并且对于良好地控制材料生长过程也存在较大的挑战，因为这样不仅对于企业生产不经济，造成较大的浪费，还增加了As2之间结合形成As4的几率，并降低了III族原子(In，Ga)在表面的自由迁移距离，不利于高结晶材料的制备。因此，材料生长者都在寻找一种折中的办法，既可以提升高铟材料的生长温度，又不造成铟析出，获较高的结晶质量。
同为V族的锑(Sb)元素具有金属的属性，其蒸气压较高且稳定，在众多III-V族半导体材料外延过程中早已被证实能够提供表面原子活化剂的作用，可以有效改善材料表面形貌，对于材料结晶质量有良好的促进作用。因此，本发明中，采用分子束外延技术在较高温生长InGaAs探测材料过程中，通过掺入微量的锑元素，在不造成与InP衬底较大晶格失配的情况下，可以大大提高材料结晶质量，提升器件探测性能。
发明内容
本发明为了解决的现有技术问题，提供了一种PIN型InGaAsSb探测器及其制备方法，该探测器能够有效提高探测器的探测性能。
为了达到上述目的，本发明提供的一种PIN型InGaAsSb探测器，所述探测结构包括自下而上依次设置的InP(001)衬底、n型InP缓冲层和下接触层、i型近晶格匹配的InGaAsSb吸收层，以及p型InP帽层和上接触层。
优选地，所述InP(001)衬底为半绝缘型或N型InP(001)衬底。
优选地，所述n型InP缓冲层和下接触层的厚度范围为500～1500nm，其掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3。
优选地，所述i型近晶格匹配的InGaAsSb吸收层中In组分含量为0.53，Ga组分含量为0.47，Sb组分含量为0.001～0.01。
优选地，所述i型近晶格匹配的InGaAsSb吸收层的厚度范围为1500～3000nm，其掺杂浓度为1×1014～1×1016cm-3。
优选地，所述p型InP帽层和上接触层的厚度范围为500～700nm，其掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3。
本发明还提供了一种PIN型InGaAsSb探测器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、将InP(001)衬底送入分子束外延生长腔，并在490～510℃温度下去除InP(001)衬底表面氧化层；
步骤2、设置衬底温度至470～490℃，在InP(001)衬底上生长n型InP缓冲层和下接触层；
步骤3、设置衬底温度至530～550℃，在n型InP缓冲层和下接触层上生长i型近晶格匹配的InGaAsSb吸收层；
步骤4、设置衬底温度至470～490℃，在i型近晶格匹配的InGaAsSb吸收层上生长p型InP帽层和上接触层。
本发明能够取得下列有益效果：
本发明利用分子束外延技术，并在较高温度生长InGaAs光电探测器时，加入微量的锑元素，在不造成与InP(001)衬底之间过大晶格失配的情况下，有效提高了探测器中i型近晶格匹配的InGaAsSb吸收层的结晶质量，从而提升了探测器性能。更为重要的是，所述制备方法还可用于其他III-V族材料与器件的研制，具有很好的通用性。
附图说明
图1为本发明的一种PIN型InGaAsSb探测器的结构示意图；
图2为本发明的一种PIN型InGaAsSb探测器较佳实施例的结构示意图；
图3为本发明的一种PIN型InGaAsSb探测器制备方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”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保护范围的限制。
需要说明的是，本发明中所述InP(001)衬底是本技术领域常用表达方式，其InP(001)仅表示衬底的材质和晶向。
本发明针对现有的问题，提供了一种一种PIN型InGaAsSb探测器及其制备方法，如图1所示，本发明的一种PIN型InGaAsSb探测器包括自下而上依次设置的InP(001)衬底、n型InP缓冲层和下接触层、i型近晶格匹配的InGaAsSb吸收层，以及p型InP帽层和上接触层。
本实施例中，所述InP(001)衬底为半绝缘型或N型InP(001)衬底；所述n型缓冲层和下接触层为一层，其材料为InP；所述i型近晶格匹配的InGaAsSb吸收层的材料为InGaAsSb；所述p型帽层和上接触层为一层，其材料为InP。通过在所述探测器中掺入微量锑(Sb)元素以生成i型近晶格匹配InGaAsSb吸收层，大大提高了探测器半导体材料结晶质量，从而有效提升了器件的探测性能。
其中，所述n型InP缓冲层和下接触层的厚度范围为500～1500nm，其掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3。
其中，所述i型近晶格匹配的InGaAsSb吸收层中In组分含量为0.53，Ga组分含量为0.47，Sb组分含量为0.001～0.01；其厚度范围为1500～3000nm，掺杂浓度为1×1014～1×1016cm-3。本实施例中，由于所述i型近晶格匹配InGaAsSb吸收层中材料时化合物材料，为了保证i型近晶格匹配的InGaAsSb吸收层的电中性，其正离子化合物材料和负离子化合物材料中的组分含量分别满足100％，即在i型近晶格匹配的InGaAsSb吸收层中In的组分含量是53％，Ga的组分含量是47％，而Sb的组分含量是0.001～0.01％，As的组分含量是0.99～0.999％。
其中，所述p型InP帽层和上接触层的厚度范围为500～700nm，其掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3。
如图3所示，本发明还提供了一种PIN型InGaAsSb探测器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、将InP(001)衬底送入分子束外延生长腔，并在490～510℃温度下去除InP(001)衬底表面氧化层；
步骤2、设置衬底温度至470～490℃，载InP(001)衬底上生长n型InP缓冲层和下接触层；
步骤3、设置衬底温度至530～550℃，在n型InP缓冲层和下接触层上生长i型近晶格匹配的InGaAsSb吸收层；
步骤4、设置衬底温度至470～490℃，在i型近晶格匹配的InGaAsSb吸收层上生长p型InP帽层和上接触层。
本实施例中，利用分子束外延技术生长PIN型InGaAsSb探测器，在生长常规InGaAs光电探测器过程中，通过掺入微量的锑元素以生长InGaAs吸收层，在不造成与InP(001)衬底间过大晶格失配的情况下，提高了探测器吸收层材料的结晶质量，抑制了缺陷的产生，从而使探测器整体性能得到提升；更为重要的是，该制备方法还可应用于其他III-V族材料与器件的研制，具有很好的通用性。
为了更好理解本发明的技术效果和工作原理，下面以一较佳实施例进行相应说明，即一种PIN型截止波长1.7μm的In0.53Ga0.47As0.999Sb0.001探测器。
如图2所示，所述In0.53Ga0.47As0.999Sb0.001探测器包括自下而上依次设置为半绝缘型InP(001)衬底、n型掺杂InP缓冲层和下接触层、i型In0.53Ga0.47As0.999Sb0.001吸收层、以及p型掺杂InP帽层和上接触层。
该探测器中，所述n型掺杂InP缓冲层和下接触层的厚度约为1μm；所述i型近晶格匹配的In0.53Ga0.47As0.999Sb0.001吸收层的厚度约为2μm；所述p型掺杂In0.8Al0.2As窗口层和上接触层的厚度约为0.6μm。
其中，所述i型近晶格匹配的In0.53Ga0.47As0.999Sb0.001吸收层中，所述In的组分含量为53％，Ga的组分含量为47％；而负离子材料中，As的组分含量为0.999％，Sb的组分含量为0.001％。
所述探测器的制备方法包括如下步骤：
步骤1、衬底脱氧处理；具体为：将半绝缘型InP(001)衬底送入分子束外延生长腔，并在490℃温度下去除半绝缘型InP(001)衬底表面氧化层；
步骤2、生长InP缓冲层和下接触层；具体为：设置衬底温度至470℃，在半绝缘型InP(001)衬底上生长厚度约为1μm、电子浓度为3×1018cm-3的高掺杂InP缓冲层和下接触层；
步骤3、生长i型近晶格匹配的InGaAsSb吸收层；具体为：设置衬底温度至530℃，在高掺杂InP缓冲层和下接触层上生长厚度约为2μm、电子浓度为1×1015cm-3的非故意掺杂i型近晶格匹配的In0.53Ga0.47As0.999Sb0.001吸收层；
步骤4、生长InP缓冲层和上接触层；具体为：设置衬底温度至470℃，在故意掺杂i型近晶格匹配的In0.53Ga0.47As0.999Sb0.001吸收层上生长厚度约为0.6μm、空穴浓度为7×1018cm-3的高掺杂p型InP帽层，同时作为上接触层。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种PIN型InGaAsSb探测器，其特征在于，所述探测器包括自下而上依次设置的InP(001)衬底、n型InP缓冲层和下接触层、i型近晶格匹配的InGaAsSb吸收层，以及p型InP帽层和上接触层。
2.根据权利要求1所述的一种PIN型InGaAsSb探测器，其特征在于，所述InP(001)衬底为半绝缘型或N型InP(001)衬底。
3.根据权利要求1所述的一种PIN型InGaAsSb探测器，其特征在于，所述n型InP缓冲层的厚度范围为500～1000nm，其掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3。
4.根据权利要求1所述的一种PIN型InGaAsSb探测器，其特征在于，所述i型近晶格匹配的InGaAsSb吸收层中In组分含量为0.53，Ga组分含量为0.47，Sb组分含量为0.001～0.01。
5.根据权利要求1所述的一种PIN型InGaAsSb探测器，其特征在于，所述i型近晶格匹配的InGaAsSb吸收层的厚度范围为1500～3000nm，其掺杂浓度为1×1014～1×1016cm-3。
6.根据权利要求1所述的一种PIN型InGaAsSb探测器，其特征在于，所述p型InP帽层和上接触层的厚度范围为500～700nm，其掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3。
7.一种如权利要求1至6中任意一项所述的一种PIN型InGaAsSb探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、将InP(001)衬底送入分子束外延生长腔，并在490～510℃温度下去除InP(001)衬底表面氧化层；
步骤2、设置衬底温度至470～490℃，在InP(001)衬底上生长n型InP缓冲层和下接触层；
步骤3、设置衬底温度至530～550℃，在n型InP缓冲层和下接触层上生长i型近晶格匹配的InGaAsSb吸收层；
步骤4、设置衬底温度至470～490℃，在i型近晶格匹配的InGaAsSb吸收层上生长p型InP帽层和上接触层。
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