CN113838940A - 一种集成型光电探测器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例公开了一种集成型光电探测器及其制作方法，该探测器包括：衬底以及形成于衬底之上的缓冲层、重掺杂N型欧姆接触层、重掺杂N型半导体、半导体吸光层、重掺杂P型半导体、重掺杂P型欧姆接触层以及P电极。本申请的集成型光电探测器结构工艺简单，易于光子芯片单片集成；通过采用浅台面刻蚀能够降低侧壁漏电，进而降低器件暗电流；通过采用背面挖孔电极结构提高响应度特性和热传导效率，进而提高器件最大功率，具有广泛的应用前景。

Description

一种集成型光电探测器及其制作方法
技术领域
本发明涉及微波器件技术领域。更具体地，涉及一种集成型光电探测器及其制作方法。
背景技术
近些年，随着5G等高速大容量信息技术的快速发展，以及微波光子技术应用的逐渐拓展，以光传送网为代表应用的光信息处理技术得到广泛关注。光电探测器作为光链路接收前端的关键器件，其暗电流、响应度、高功率对链路的灵敏度、信噪比、动态范围等关键性能起着至关重要的作用。
常规的光电探测器为光伏效应，可以简单等效为一个PN结工作在反偏状态，当入射光被材料吸收后产生光生载流子，被电极收集进而感应出光电流。当无入射光时，反向偏置的探测器仍然感应出电流，为器件暗电流。暗电流参数是影响链路信噪比、灵敏度的关键参数，而暗电流受限于材料设计、工艺参数，因此需要研制新型低暗电流光电探测器。光电探测器是将光功率转换为光电流，为平方率检测，因此光电探测器响应度特性是决定光链路损耗的关键因素，因此需要研制高响度光电探测器。此外，光电探测器的饱和特性直接影响了链路的动态范围，总之，低暗电流、高响应度、大功率探测器是科研、商用的重点研究对象。
发明内容
为了解决上述问题中的至少一个，本发明采用下述技术方案：
第一方面，本发明提供一种集成型光电探测器，该探测器包括：
衬底以及形成于衬底之上的缓冲层、重掺杂N型欧姆接触层、重掺杂N型半导体、半导体吸光层、重掺杂P型半导体、重掺杂P型欧姆接触层以及P电极。
在一个具体实施例中，还包括与所述衬底、所述缓冲层以及所述重掺杂N型欧姆接触层接触的N电极。
在一个具体实施例中，所述N电极为挖孔电极。
在一个具体实施例中，所述重掺杂P型半导体和所述重掺杂P型欧姆接触层为浅台面结构。
在一个具体实施例中，所述半导体吸光层在所述衬底上的正投影覆盖所述重掺杂P型半导体和所述重掺杂P型欧姆接触层在衬底上的正投影。
在一个具体实施例中，其特征在于，所述探测器为PIN、APD或UTC结构。
在一个具体实施例中，所述衬底为N型衬底或半绝缘型衬底。
在一个具体实施例中，所述P电极为信号电极，所述N电极为地电极。
第二方面，本发明提供一种制作第一方面所述的集成型光电探测器的制作方法，该方法包括：
在衬底上依次生长缓冲层、重掺杂N型欧姆接触层、重掺杂N型半导体、半导体吸光层、重掺杂P型半导体、重掺杂P型欧姆接触层；
刻蚀重掺杂P型半导体和重掺杂P型欧姆接触层以形成浅台面结构；
在刻蚀后的重掺杂P型欧姆接触层远离衬底方向的表面制作P电极作为信号电极；
刻蚀所述衬底和缓冲层，露出所述N型欧姆接触层，引出N电极作为地电极。
在一个具体实施例中，所述半导体吸光层在所述衬底上的正投影覆盖所述重掺杂P型半导体和所述重掺杂P型欧姆接触层在衬底上的正投影。
本发明的有益效果如下：
本申请针对目前现有问题，提出一种集成型光电探测器及其制作方法，本申请的集成型光电探测器结构工艺简单，易于光子芯片单片集成；通过采用浅台面刻蚀能够降低侧壁漏电，进而降低器件暗电流；通过采用背面挖孔电极结构提高响应度特性和热传导效率，进而提高器件最大功率，具有广泛的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出传统光电探测器的结构示意图。
图2示出本申请的一个实施例的集成型光电探测器的结构示意图。
图3示出传统探测器结构与本申请的一个实施例的集成型光电探测器的侧壁电场对比图。
图4示出传统探测器结构与本申请的一个实施例的集成型光电探测器的光路示意对比图。
图5示出本申请的一个实施例的集成型光电探测器的单片集成示意图。
图6示出本申请的一个实施例的集成型光电探测器的制作方法的流程示意图。
图7a-7d示出本申请的一个实施例的集成型光电探测器的制作方法的流程示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
图1示出了传统光电探测器的结构示意图，其中，501为P电极，101为重掺杂P型欧姆接触层，102为重掺杂P型半导体，2为光吸收半导体，301为重掺杂N型半导体，302为重掺杂N型欧姆接触层，4为衬底，502为N电极，601、602、603、604分别为不同材料刻蚀台面对应的侧壁。
如图2所示，本申请的一个实施例提出了一种集成型光电探测器，该探测器包括：
衬底4以及形成于衬底之上的缓冲层303、重掺杂N型欧姆接触层302、重掺杂N型半导体301、半导体吸光层2、重掺杂P型半导体102、重掺杂P型欧姆接触层101以及P电极501。
本实施例中，所述探测器包括PIN、APD或UTC结构；所述衬底为N型衬底或半绝缘型衬底。
在一个具体示例中，所述重掺杂P型半导体102和所述重掺杂P型欧姆接触层101为浅台面结构，侧壁仅包含601、602部分。所述半导体吸光层在所述衬底上的正投影覆盖所述重掺杂P型半导体和所述重掺杂P型欧姆接触层在衬底上的正投影。
本领域技术人员应当理解，暗电流分为侧壁产生的表面暗电流和材料内部的体暗电流。当材料结构、器件有源尺寸、偏置电压相同时，体暗电流几乎一致，而表面暗电流是由刻蚀带来的侧壁引起的，与侧壁的电场、工艺粗糙度相关。
图3示出了传统探测器结构和所述浅台面探测器结构的侧壁电场分布仿真图，能够看出侧壁电场存在较大区别。虽然本实施例中浅台面结构提高了位置601、602的电场，但其作用位置只有侧壁601、602，而传统探测器结构侧壁漏电流作用位置包含侧壁601、602和侧壁603、604。参见图3，由于材料相同，传统探测器和所述集成型探测器的体暗电流相同，而所述集成型探测器有效降低了侧壁面积，故而相比于图1的传统探测器结构，如图2所示的集成型光电探测器可有效降低侧壁漏电流，进而降低器件暗电流特性。
在一个具体示例中，本实施例的集成型光电探测器还包括与所述衬底4、所述缓冲层303以及所述重掺杂N型欧姆接触层302接触的N电极。所述N电极为背面挖孔电极。
本领域技术人员应当理解，响应度与器件吸收层的厚度有关，高响应度器件需要较厚的吸收层，然而厚的吸收层会导致载流子渡越时间的增加，进而降低器件的带宽特性。因此，高响应度与大带宽特性互相矛盾。然而本实施例中所述的集成型光电探测器结构能够在相同带宽条件下提高响应度特性。
具体的，如图4所示，本实施例背面挖孔电极结构可作为光学反射镜，会使得正入射的光经过金属反射再次经过吸收区，即采用所述的集成型光电探测器结构能够在相同带宽条件下提高响应度特性。
进一步，器件散热主要通过衬底散热，背面挖孔电极的方案直接将衬底InP转化为金属Au，可大幅提高散热。假设热功率为30mW，环境温度设定为300K，传统探测器结构最高温度为378K，而背面挖孔电极的探测器的最高温度仅为319K。由此可见，背面挖孔电极的工艺方案能大幅提高散热效率，以提高大功率芯片的可靠性。
图5为本实施例的集成型光电探测器阵列与3dB微波耦合器单片集成示意图，其中Z0为传输线阻抗。其中两个探测器阵列信号电极可与3dB微波耦合器直接相连，实现光子芯片与微波电路芯片的单片集成。进一步，由于采用背面挖孔电极的结构引出地电极，在光子芯片正面只需一步刻蚀浅台面、制作P电极作为信号电极，即可完成光电探测器的制作，易于与微波电路集成，即所述集成型光电探测器适合光子芯片与微波电路单片集成。
本实施例针对目前现有问题，提出一种集成型光电探测器，通过采用浅台面刻蚀能够降低侧壁漏电，进而降低器件暗电流；通过采用背面挖孔电极结构提高响应度特性和热传导效率，进而提高器件最大功率，具有广泛的应用前景。
本申请的又一个实施例提出了制作上述集成型光电探测器的方法，如图6所示，该方法包括：
S10、在衬底上依次生长缓冲层、重掺杂N型欧姆接触层、重掺杂N型半导体、半导体吸光层、重掺杂P型半导体、重掺杂P型欧姆接触层；
如图7a所示，在衬底4上依次生长缓冲层303、重掺杂N型欧姆接触层302、重掺杂N型半导体301、半导体吸光层2、重掺杂P型半导体102、重掺杂P型欧姆接触层101。
S20、刻蚀重掺杂P型半导体和重掺杂P型欧姆接触层以形成浅台面结构；
如图7b所示，通过干法、湿法等刻蚀工艺刻蚀P型重掺杂的浅台面结构，其中浅台面仅包含重掺杂P型欧姆接触层101以及重掺杂P型半导体102。
S30、在刻蚀后的重掺杂P型欧姆接触层远离衬底方向的表面制作P电极作为信号电极；
如图7c所示，通过溅射、蒸发等工艺在P型欧姆接触层101上制作P型电极501作为信号电极。
S40、刻蚀所述衬底和缓冲层，露出所述N型欧姆接触层，引出N电极作为地电极。
如图7d所示，通过干法或湿法等刻蚀工艺在背面挖孔露出N型欧姆接触层302，再通过溅射或蒸发等工艺制作背面N型电极502作为地电极，即背面挖孔电极结构。
需要说明的是，本实施例与前述实施例相同或相似部分可以略写。前述实施例和随之带来的有益效果同样适用于本实施例，因此，相同的部分不再赘述。
本申请针对目前现有问题，提出一种集成型光电探测器的制作方法，工艺简单，易于光子芯片单片集成，具有广泛的应用前景。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种集成型光电探测器，其特征在于，包括：
衬底以及形成于衬底之上的缓冲层、重掺杂N型欧姆接触层、重掺杂N型半导体、半导体吸光层、重掺杂P型半导体、重掺杂P型欧姆接触层以及P电极。
2.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，还包括与所述衬底、所述缓冲层以及所述重掺杂N型欧姆接触层接触的N电极。
3.根据权利要求2所述的探测器，其特征在于，所述N电极为挖孔电极。
4.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述重掺杂P型半导体和所述重掺杂P型欧姆接触层为浅台面结构。
5.根据权利要求4所述的探测器，其特征在于，所述半导体吸光层在所述衬底上的正投影覆盖所述重掺杂P型半导体和所述重掺杂P型欧姆接触层在衬底上的正投影。
6.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述探测器为PIN、APD或UTC结构。
7.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述衬底为N型衬底或半绝缘型衬底。
8.根据权利要求3所述探测器，所述P电极为信号电极，所述N电极为地电极。
9.一种制作如权利要求1-8中任一项所述的集成型光电探测器的制作方法，其特征在于，包括
在衬底上依次生长缓冲层、重掺杂N型欧姆接触层、重掺杂N型半导体、半导体吸光层、重掺杂P型半导体、重掺杂P型欧姆接触层；
刻蚀重掺杂P型半导体和重掺杂P型欧姆接触层以形成浅台面结构；
在刻蚀后的重掺杂P型欧姆接触层远离衬底方向的表面制作P电极作为信号电极；
刻蚀所述衬底和缓冲层，露出所述N型欧姆接触层，引出N电极作为地电极。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述半导体吸光层在所述衬底上的正投影覆盖所述重掺杂P型半导体和所述重掺杂P型欧姆接触层在衬底上的正投影。
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