CN114023831A - 一种高速高响应光电探测器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高速高响应光电探测器及其制作方法，光电探测器包括衬底、P型电极、有源层和N型电极，P型电极同时作为入射光的反射层；光电探测器的制作方法包括：在InP衬底上生长外延层；在P‑InGaAs接触层上蒸发P型电极Ti/Pt/Au，在另一衬底上蒸发金属Au，将InP片与另一衬底片通过金‑金热压键合技术集成在一起；去除InP衬底；在N‑InP接触层上制备N电极；腐蚀探测器有源层，刻蚀P型电极；沉积SiNx介质，通过刻蚀在N型电极和P型电极上形成窗口；制作Au电极，最终完成光电探测器的制备。利用本发明的制备方法制备的光电探测器具有大带宽、高响应以及易于耦合封装的优点。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，尤其涉及一种高速高响应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电转换，在光通信和激光雷达等领域中应用广泛。带宽和响应度是光电探测器的两个重要性能指标。相比于波导型光电探测器，面入射型光电探测器更易实现与光纤的高效率耦合；但是，面入射型光电探测器存在带宽和响应度相互制约的矛盾：当光吸收区的厚度越薄时，载流子的漂移时间越短，器件的响应速率越快，但器件响应度越小。
背面入射型光电探测器能够缓解上述带宽和响应度相互制约的矛盾。相比于正入射型光电探测器，背入射型光电探测器由于P型电极接触面积更大、接触电阻更小，因此带宽往往更大；同时P电极能对入射光进行反射，使得InGaAs吸收层对入射光进行“二次吸收”，从而提升器件响应度。但是，背入射型光电探测器的缺点在于难以测试与封装：测试和封装的时候需要额外进行倒装焊工艺，将探测器焊接在另一基板上；另外由于剩余InP衬底的存在，为了实现更高的光耦合效率，需要将硅透镜集成在InP衬底表面，从而进一步增大了对准和封装难度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高速高响应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、高响应以及易于耦合封装的优点，以克服现有技术中的不足。
实现本发明目的的技术方案为：一种高速高响应光电探测器，包括衬底、P型电极、有源层和N型电极，所述P型电极同时作为入射光的反射层。
进一步的，所述P型电极为金属Ti/Pt/Au。
进一步的，所述有源层从下至上依次包括：P-InGaAs接触层、P-InP阻挡层、P-InGaAsP带隙过渡层、i-InGaAs吸收层、i-InGaAsP带隙过渡层、i-InP漂移层和N-InP接触层。
进一步的，所述有源层上形成有SiNx增透膜。
进一步的，所述i-InGaAs吸收层的厚度为50nm～1000nm，所述i-InP漂移层的厚度为50nm～1500nm。
本发明还提供一种高速高响应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InGaAs腐蚀停止层；
S3、在所述InGaAs腐蚀停止层上生长探测器有源层；
S4、在P-InGaAs接触层上蒸发P型电极Ti/Pt/Au，在另一衬底上蒸发金属Au，将InP片与另一衬底片通过金-金热压技术键合在一起；
S5、采用减薄、腐蚀工艺去除InP衬底，采用腐蚀工艺去除InGaAs腐蚀停止层；
S6、在N-InP接触层上溅射N型电极AuGeNi/Au，并对电极进行退火处理；
S7、采用光刻、腐蚀工艺去除探测器有源层，形成台面；
S8、采用光刻、刻蚀工艺形成P型电极Ti/Pt/Au；
S9、沉积SiNx，通过刻蚀在P型和N型电极上形成窗口；
S10、采用光刻、蒸发工艺制作共平面波导Au电极。
进一步的，所述步骤S2中，所生长的InGaAs腐蚀停止层的厚度为50nm～1000nm。
进一步的，所述步骤S3中，所生长的探测器有源层从下至上依次为：N-InP接触层、i-InP漂移层、i-InGaAsP带隙过渡层、i-InGaAs吸收层、P-InGaAsP带隙过渡层、P-InP阻挡层和P-InGaAs接触层。
进一步的，所生长的i-InP漂移层的厚度为50nm～1500nm，所生长的i-InGaAs吸收层的厚度为50nm～1000nm。
进一步的，所述步骤S4中，金-金热压键合的温度为200℃～400℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明既有正入射型光电探测器易于进行高效光耦合的优点，又具有类似背入射型光电探测器的P型电极接触面积大、欧姆接触电阻小的优势；另外，P型电极同时作为入射光的反射层，使得探测器能够对入射光进行二次探测，从而增大了探测器的响应度；此外，通过在探测器有源层中插入i-InP漂移层，载流子漂移时间增加幅度不大而器件电容得到有效减小，从而在不影响探测器响应度的同时，进一步提升了器件带宽。
附图说明
图1是本发明中高速高响应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是高速高响应光电探测器有源层的结构图。
图4是高速高响应光电探测器制作方法中步骤3的结构图。
图5是高速高响应光电探测器制作方法中步骤5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
本实施例提供一种高速高响应光电探测器，结构如图1所示，包括衬底、P型电极、有源层和N型电极。
本发明实施例中，衬底为单晶硅，P型电极为金属Ti/Pt/Au，N型电极为金属AuGeNi/Au。
本发明实施例中，探测器有源层从下至上依次为：P-InGaAs接触层、P-InP阻挡层、P-InGaAsP带隙过渡层、i-InGaAs吸收层、i-InGaAsP带隙过渡层、i-InP漂移层和N-InP接触层。
具体的，i-InGaAs吸收层的厚度为600nm，i-InP漂移层的厚度为300nm。
另外本发明实施例中，探测器有源层上有SiNx增透膜，厚度为200nm。
实施例2
本实施例提供一种高速高响应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，InGaAs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，从下至上依次为：N-InP接触层、i-InP漂移层、i-InGaAsP带隙过渡层、i-InGaAs吸收层、P-InGaAsP带隙过渡层、P-InP阻挡层和P-InGaAs接触层；具体的，所生长的InGaAs腐蚀停止层的厚度为500nm，i-InP漂移层的厚度为300nm，i-InGaAs吸收层的厚度为600nm；
步骤2、在P-InGaAs接触层上蒸发P型电极Ti/Pt/Au，在另一单晶硅片上蒸发金属Au，将InP片与硅衬底片通过金-金热压技术键合在一起，其中金-金热压键合温度为300℃；
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InGaAs腐蚀停止层几乎没有反应；去除InP衬底后，利用H3PO4、H2O2和H2O混合溶液去除InGaAs腐蚀停止层，此时的键合片结构如图4所示；
步骤4、在N-InP接触层上采用光刻、溅射技术制备N型电极AuGeNi/Au，并对电极进行退火处理，退火温度为405℃，时间为50s；
步骤5、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；之后再次进行光刻工艺，以光刻胶为掩膜，刻蚀P型电极Ti/Pt/Au；
步骤6、采用PECVD技术沉积增透膜SiNx，厚度为200nm；通过光刻、干法刻蚀工艺在P型电极和N型电极上形成窗口；
步骤7、结合图1所示，利用光刻、蒸发和剥离工艺制作Au电极，Au电极的厚度为1000nm。
Claims (10)
1.一种高速高响应光电探测器，其特征在于，包括衬底、P型电极、有源层和N型电极，所述P型电极同时作为入射光的反射层。
2.根据权利要求1所述的高速高响应光电探测器，其特征在于，所述P型电极为金属Ti/Pt/Au。
3.根据权利要求1所述的高速高响应光电探测器，其特征在于，所述有源层从下至上依次包括：P-InGaAs接触层、P-InP阻挡层、P-InGaAsP带隙过渡层、i-InGaAs吸收层、i-InGaAsP带隙过渡层、i-InP漂移层和N-InP接触层。
4.根据权利要求3所述的高速高响应光电探测器，其特征在于，所述i-InGaAs吸收层的厚度为50nm～1000nm，所述i-InP漂移层的厚度为50nm～1500nm。
5.根据权利要求1或3所述的高速高响应光电探测器，其特征在于，所述有源层上形成有SiNx增透膜。
6.一种高速高响应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InGaAs腐蚀停止层；
S3、在所述InGaAs腐蚀停止层上生长探测器有源层；
S4、在P-InGaAs接触层上蒸发P型电极Ti/Pt/Au，在另一衬底上蒸发金属Au，将InP片与另一衬底片通过金-金热压技术键合在一起；
S5、采用减薄、腐蚀工艺去除InP衬底，采用腐蚀工艺去除InGaAs腐蚀停止层；
S6、在N-InP接触层上溅射N型电极AuGeNi/Au，并对电极进行退火处理；
S7、采用光刻、腐蚀工艺去除探测器有源层，形成台面；
S8、采用光刻、刻蚀工艺形成P型电极Ti/Pt/Au；
S9、沉积SiNx，通过刻蚀在P型和N型电极上形成窗口；
S10、采用光刻、蒸发工艺制作共平面波导Au电极。
7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述步骤S2中，所生长的InGaAs腐蚀停止层的厚度为50nm～1000nm。
8.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述步骤S3中，所生长的探测器有源层从下至上依次为：N-InP接触层、i-InP漂移层、i-InGaAsP带隙过渡层、i-InGaAs吸收层、P-InGaAsP带隙过渡层、P-InP阻挡层和P-InGaAs接触层。
9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，所生长的i-InP漂移层的厚度为50nm～1500nm，所生长的i-InGaAs吸收层的厚度为50nm～1000nm。
10.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述步骤S4中，金-金热压键合的温度为200℃～400℃。
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