CN114361285A - 1.55微米波段雪崩光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种1.55微米波段雪崩光电探测器，从下至上依次包括衬底层、阴极接触层、N型电荷层、InAs/AlAs数字合金倍增层、P型电荷层、能带过渡层、In0.53Ga0.47As吸收层、阻挡电子向阳极方向扩散的电子阻挡层及阳极接触层；采用InAs/AlAs数字合金作为雪崩光电探测器的倍增层可将过剩噪声系数相比应用较为广泛的In0.52Al0.48As有明显下降，离化系数比从0.2下降至0.15左右；In0.53Ga0.47As吸收层采用了部分带有P型掺杂的部分耗尽结构，可以通过减少光生空穴的漂移距离而减少空穴的渡越时间，同时通过控制P型掺杂区域的厚度可避免电子在P型掺杂区域的扩散时间过长，从而实现器件响应速度的提升，同时相比于直接减少吸收区厚度的方法，可较好地避免响应度的下降。
Description
技术领域
本发明涉及一种光电探测技术，特别涉及一种基于InAs/AlAs数字合金的1.55微米波段雪崩光电探测器及其制备方法。
背景技术
1.55微米波段的光电探测器广泛应用于大容量远距离高速光纤通信，而雪崩光电探测器由于自身对信号的放大作用，拥有相较于其他光电探测器更高的响应度，且可减少对电路中其他放大器的需求，从而实现同样放大倍数下，整个探测电路更小的噪声。然而，由于产生雪崩增益的碰撞电离过程存在较大的随机性，被放大后的信号会由于这一随机性的引入而导致输出信号的噪声的放大倍数大于信号本身的放大倍数，这一过程被称为过剩噪声，且会导致信噪比的下降。同时也会使得到器件在有一定增益的情况下的响应速度变慢，因而抑制过剩噪声的产生是提升雪崩光电探测器性能的重要途经。
发明内容
针对现有的三五族1.55微米波段的雪崩光电探测器的过剩噪声较大问题，提出了一种1.55微米波段雪崩光电探测器及其制备方法，可以工作于近红外波段，具相对较高带宽、较低过剩噪声的特点。
本发明的技术方案为：一种1.55微米波段雪崩光电探测器，从下至上依次包括衬底层、阴极接触层、N型电荷层、InAs/AlAs数字合金倍增层、P型电荷层、能带过渡层、In0.53Ga0.47As吸收层、阻挡电子向阳极方向扩散的电子阻挡层及阳极接触层；用于吸收光子的所述In0.53Ga0.47As吸收层在其内部激发电子-空穴对；所述InAs/AlAs数字合金倍增层碰撞电离并产生雪崩增益。
优选的，所述In0.53Ga0.47As吸收层上下分为本征区和P型掺杂区，所述P型掺杂区自阳极到阴极方向为浓度依次减小的P型掺杂，厚度在300～500nm；本征区厚度在500～700nm。
优选的，所述InAs/AlAs数字合金倍增层中每个生长周期包含厚度为1-5单分子层的InAs和厚度为1-5单分子层的AlAs，一个生长周期的总厚度在0.585-2.925nm之间，InAs/AlAs数字合金倍增层总厚度为200nm且无掺杂。
优选的，所述能带过渡层为组分介于In0.53Ga0.47As和In0.52Al0.48As之间且与衬底层匹配的材料，用于防止In0.53Ga0.47As吸收层与In0.52Al0.48As电子阻挡层之间的势垒阻碍载流子的输运过程。
优选的，所述N型电荷层和P型电荷层在电子-空穴对被耗尽时调控In0.53Ga0.47As吸收层和InAs/AlAs数字合金倍增层内部的电场强度。
优选的，所述N型电荷层和P型电荷层为In0.52Al0.48As电荷层，厚度为100nm，N型电荷层的掺杂浓度在1018cm-3以上，P型电荷层的掺杂浓度在3×1017～5×1017cm-3之间。
优选的，所述阴极接触层为In0.52Al0.48As阴极接触层；所述阳极接触层为In0.53Ga0.47As阳极接触层；所述电子阻挡层为In0.52Al0.48As电子阻挡层。
优选的，所述In0.52Al0.48As阴极接触层的厚度为400～600nm；所述In0.52Al0.48As电子阻挡层总厚度为400～600nm；所述In0.53Ga0.47As阳极接触层的厚度为40～60nm。
优选的，所述阴极接触层的掺杂浓度为8×1018～1.2×1019cm-3；所述阳极接触层的掺杂浓度为1.8×1019～2.2×1019cm-3；所述电子阻挡层的掺杂浓度为8×1018～1.2×1019cm-3。
一种1.55微米波段雪崩光电探测器的制备方法，包括如下步骤：
1)利用分子束外延方法在衬底层上依次向上生长阴极接触层、N型电荷层3、InAs/AlAs数字合金倍增层、P型电荷层、能带过渡层、本征吸收层、P型掺杂吸收层、电子阻挡层、阳极接触层，形成光电探测器的外延结构；
2)用电子束蒸发技术在所述光电探测器的外延结构的阳极接触层的上表面依次蒸镀钛、铂、金，构成阳极；
3)利用湿法刻蚀自所述阳极向下依次对光电探测器的外延结构中各层进行刻蚀，刻蚀面停止在所述阴极接触层内，所述阴极接触层形成上下台阶；
4)利用湿法刻蚀对所述阴极接触层的下台阶向下刻蚀，刻蚀面停止在所述衬底层内，所述衬底层形成上下台阶；
5)利用电子束蒸发技术在所述阴极接触层的下台阶表面依次蒸镀钛、铂、金，构成阴极；
6)于所述衬底层的下台阶上形成一层绝缘层，并利用电镀技术在所述绝缘层上电镀共面波导电极，所述共面波导电极分别与所述阳极及所述阴极电连接。
本发明的有益效果在于：本发明1.55微米波段雪崩光电探测器及其制备方法，采用InAs/AlAs数字合金作为雪崩光电探测器的倍增层可将过剩噪声系数相比应用较为广泛的In0.52Al0.48As有明显下降，离化系数比从0.2下降至0.15左右；本发明的In0.53Ga0.47As吸收层采用了部分带有P型掺杂的部分耗尽结构，可以通过减少光生空穴的漂移距离而减少空穴的渡越时间，同时通过控制P型掺杂区域的厚度可避免电子在P型掺杂区域的扩散时间过长，从而实现器件响应速度的提升，同时相比于直接减少吸收区厚度的方法，可较好地避免响应度的下降。
附图说明
图1为本发明1.55微米波段雪崩光电探测器的制备方法中步骤1实施后结构示意图；
图2为本发明1.55微米波段雪崩光电探测器的制备方法中步骤2实施后结构示意图；
图3为本发明1.55微米波段雪崩光电探测器的制备方法中步骤3实施后结构示意图；
图4为本发明1.55微米波段雪崩光电探测器的制备方法中步骤4实施后结构示意图；
图5为本发明1.55微米波段雪崩光电探测器的制备方法中步骤5实施后结构示意图；
图6为本发明1.55微米波段雪崩光电探测器实施例立体结构图。
附图标记：1、衬底层；101、矩形台阶；2、阴极接触层；201、柱状台阶；3、N型电荷层；4、InAs/AlAs数字合金倍增层；5、P型电荷层；6、能带过渡层；7、本征吸收层；8、P型掺杂吸收层；9、电子阻挡层；10、阳极接触层；11、阳极；12、阴极；13、共面波导电极；14、绝缘层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
所述1.55微米波段雪崩光电探测器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：如图1所示，利用分子束外延方法在衬底层1上依次向上生长阴极接触层2、N型电荷层3、InAs/AlAs数字合金倍增层4、P型电荷层5、能带过渡层6、本征吸收层7、P型掺杂吸收层8、电子阻挡层9、阳极接触层10，形成光电探测器的外延结构。
本实施例中，上述外延结构的各层所采用的材料、厚度以及掺杂浓度等参数如表1所示：
表1
步骤2：如图2所示，用电子束蒸发技术在所述光电探测器的外延结构的阳极接触层10的上表面依次蒸镀钛、铂、金，构成阳极11。本实施例中选取所述阳极11的钛、铂、金的厚度分别为20nm、30nm、100nm。
步骤3：如图3所示，利用湿法刻蚀自所述阳极11向下依次对光电探测器的外延结构中各层进行刻蚀，刻蚀面停止在所述阴极接触层2内，所述阴极接触层2形成上下台阶，所述阴极接触层2的上台阶为柱状台阶201。
作为示例，形成所述柱状台阶201后，还需要对所述柱状台阶201的侧壁进行钝化处理，钝化处理采用的绝缘材料为SU-8。
步骤4：如图4所示，利用湿法刻蚀对所述阴极接触层2的下台阶向下刻蚀，刻蚀面停止在所述衬底层1内，所述衬底层1形成上下台阶，以形成凸出于所述衬底层1的的上台阶为矩形台阶101。
步骤5：如图5所示，利用电子束蒸发技术在所述阴极接触层2的的下台阶表面依次蒸镀钛、铂、金，构成阴极12。本实施例中选取所述阴极12的锗金、镍、金的厚度分别为20nm、20nm、80nm。
步骤6：如图6所示，于所述衬底层1的下台阶上形成一层绝缘层14，并利用电镀技术在所述绝缘层14上电镀共面波导电极13，所述共面波导电极13分别与所述阳极11及所述阴极12电连接。本实施例中所述共面波导电极13的材料选择为金，所述绝缘层14的材料选择为SU-8。
所述本征吸收层7和P型掺杂吸收层8用于吸收光子，以在其内部激发电子-空穴对；所述InAs/AlAs数字合金倍增层碰撞电离并产生雪崩增益；所述吸收层上面的电子阻挡层9用于阻挡电子向阳极11方向扩散。
本实施例的半导体光电探测器的吸收层利用部分带有P型掺杂的In0.53Ga0.47As吸收层，由于在吸收层中，空穴的漂移速度远低于电子，因此空穴的渡越时间主导了器件的响应速度。将部分吸收区引入P型掺杂后，空穴在到达P型掺杂区后，仅需在该区域通过弛豫完成输运过程，因而空穴的总渡越时间相比总厚度相同的本征吸收区有明显降低。同时，由于P型掺杂区在偏置状态下并未被耗尽，光生电子在该区域必须通过扩散而非漂移完成输运过程，从而导致电子的渡越时间上升，因此必须使P型掺杂的吸收区的厚度占吸收区的总厚度的比例达到最优，才能避免电子的渡越时间增加过多，从而较好地优化器件的响应速度。另外，采用掺杂浓度依次增大的掺杂方式可在吸收层之间产生一个“准电场”，加快光生电子从吸收区到达集电层的时间，从而更进一步提高探测器的响应速度。
倍增层4部分则使用了通过InAs和AlAs交替生长形成的数字合金材料，该类材料由于空穴的等效质量显著大于In0.52Al0.48As，而电子的等效质量与In0.52Al0.48As相近，电子的碰撞电离系数与空穴的碰撞电离系数的差距更大，从而相对地抑制了空穴的碰撞电离，从而降低了过剩噪声的产生。
作为示例，所述InAs/AlAs数字合金每个生长周期包含厚度为1-5ML(monolayer单分子层)的InAs和厚度为1-5ML的AlAs，一个生长周期的总厚度在0.585-2.925nm之间，InAs/AlAs数字合金倍增层总厚度为200nm且无掺杂。
所述InAlGaAs能带过渡层6为组分介于In0.53Ga0.47As和In0.52Al0.48As之间且与InP衬底晶格匹配的材料，用于防止In0.53Ga0.47As吸收层7、8与In0.52Al0.48As电子阻挡层9之间的势垒阻碍载流子的输运过程。
所述P型掺杂In0.53Ga0.47As吸收层8的掺杂浓度为从2.0×1018cm-3(靠近阳极)到1017cm-3(靠近阴极)线性渐变。
所述N型电荷层3为厚度的掺杂浓度为1.0×1018cm-3，厚度为100nm；所述P型电荷层5为厚度的掺杂浓度为4.0×1018cm-3，厚度为100nm。
所述的两个电荷层用于在被耗尽时调控吸收层和倍增层内部的电场强度，以保证倍增区有足够的电场产生增益，同时避免吸收区电场过强而产生过大的隧穿电流。
设于所述阴极接触层2之上的阴极12与所述阴极接触层2之间形成欧姆接触。
设于所述阳极接触层10之上的阳极11与所述阳极接触层10之间形成欧姆接触。
作为示例，所述衬底层1为InP衬底层，所述阴极接触层2为N型重掺杂阴极接触层，所述阳极接触层10为P型重掺杂阳极接触层，所述倍增层4为本征倍增层，所述电子阻挡层9为P型重掺杂宽带隙的电子阻挡层。所述衬底层采用晶格匹配的InP衬底层，可有效降低界面缺陷与位错引起的暗电流等问题，提高探测器的灵敏度。
所述In0.53Ga0.47As吸收层分为本征区和P型掺杂区，P型掺杂区自阳极到阴极方向为浓度依次减小的P型掺杂，厚度在300～500nm；本征区厚度在500～700nm。
所述衬底层为InP半绝缘衬底，所述电荷层为In0.52Al0.48As；所述In0.52Al0.48As电荷层的厚度为各100nm左右，N型电荷层的掺杂浓度在1018cm-3以上，P型电荷层的掺杂浓度在3×1017～5×1017cm-3之间。
所述阴极接触层为In0.52Al0.48As阴极接触层；所述阳极接触层为In0.53Ga0.47As阳极接触层；所述电子阻挡层In0.52Al0.48As电子阻挡层。
所述In0.52Al0.48As阴极接触层的厚度为400～600nm；所述In0.52Al0.48As电子阻挡层总厚度为400～600nm；所述In0.53Ga0.47As阳极接触层的厚度为40～60nm。
所述阴极接触层的掺杂浓度为8×1018～1.2×1019cm-3；所述阳极接触层的掺杂浓度为1.8×1019～2.2×1019cm-3；所述电子阻挡层的掺杂浓度为8×1018～1.2×1019cm-3。
通常材料的过剩噪声性能用离化系数比k表征，k为电子和空穴的碰撞电离系数中，较小一方与较大一方的比值，这一比值越小则碰撞电离的随机性越小。目前，1.55微米波段的雪崩光电探测器多以Si，InP或In0.52Al0.48As作为倍增层。Si具有较低的k值(<0.1)但由于Si自身截止波长小于1.55微米，因而必须以其他材料(通常是Ge)作为吸收区产生光生载流子，而这一组合会导致位错较大而产生较大的暗电流；InP和In0.52Al0.48As则使用InP衬底，其中InP的k值在0.4到0.5之间，而In0.52Al0.48As在0.2左右，均显著高于Si，但三五族体系具有较高的量子效率，且暗电流较低。InAs/AlAs数字合金在总体组分保持与In0.52Al0.48As基本一致的情况下，空穴的有效质量明显增加使得空穴的碰撞电离过程被抑制，从而使k值降低到0.15左右，可减少过剩噪声的产生。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种1.55微米波段雪崩光电探测器，其特征在于，从下至上依次包括衬底层、阴极接触层、N型电荷层、InAs/AlAs数字合金倍增层、P型电荷层、能带过渡层、In0.53Ga0.47As吸收层、阻挡电子向阳极方向扩散的电子阻挡层及阳极接触层；用于吸收光子的所述In0.53Ga0.47As吸收层在其内部激发电子-空穴对；所述InAs/AlAs数字合金倍增层碰撞电离并产生雪崩增益。
2.根据权利要求1所述1.55微米波段雪崩光电探测器，其特征在于，所述In0.53Ga0.47As吸收层上下分为本征区和P型掺杂区，所述P型掺杂区自阳极到阴极方向为浓度依次减小的P型掺杂，厚度在300～500nm；本征区厚度在500～700nm。
3.根据权利要求1或2所述1.55微米波段雪崩光电探测器，其特征在于，所述InAs/AlAs数字合金倍增层中每个生长周期包含厚度为1-5单分子层的InAs和厚度为1-5单分子层的AlAs，一个生长周期的总厚度在0.585-2.925nm之间，InAs/AlAs数字合金倍增层总厚度为200nm且无掺杂。
4.根据权利要求3所述1.55微米波段雪崩光电探测器，其特征在于，所述能带过渡层为组分介于In0.53Ga0.47As和In0.52Al0.48As之间且与衬底层匹配的材料，用于防止In0.53Ga0.47As吸收层与In0.52Al0.48As电子阻挡层之间的势垒阻碍载流子的输运过程。
5.根据权利要求4所述1.55微米波段雪崩光电探测器，其特征在于，所述N型电荷层和P型电荷层在电子-空穴对被耗尽时调控In0.53Ga0.47As吸收层和InAs/AlAs数字合金倍增层内部的电场强度。
6.根据权利要求5所述1.55微米波段雪崩光电探测器，其特征在于，所述N型电荷层和P型电荷层为In0.52Al0.48As电荷层，厚度为100nm，N型电荷层的掺杂浓度在1018cm-3以上，P型电荷层的掺杂浓度在3×1017～5×1017cm-3之间。
7.根据权利要求4所述1.55微米波段雪崩光电探测器，其特征在于，所述阴极接触层为In0.52Al0.48As阴极接触层；所述阳极接触层为In0.53Ga0.47As阳极接触层；所述电子阻挡层为In0.52Al0.48As电子阻挡层。
8.根据权利要求7所述1.55微米波段雪崩光电探测器，其特征在于，所述In0.52Al0.48As阴极接触层的厚度为400～600nm；所述In0.52Al0.48As电子阻挡层总厚度为400～600nm；所述In0.53Ga0.47As阳极接触层的厚度为40～60nm。
9.根据权利要求7所述1.55微米波段雪崩光电探测器，其特征在于，所述阴极接触层的掺杂浓度为8×1018～1.2×1019cm-3；所述阳极接触层的掺杂浓度为1.8×1019～2.2×1019cm-3；所述电子阻挡层的掺杂浓度为8×1018～1.2×1019cm-3。
10.根据权利要求2、4、5、6、7、8、9中任意一项所述1.55微米波段雪崩光电探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)利用分子束外延方法在衬底层上依次向上生长阴极接触层、N型电荷层3、InAs/AlAs数字合金倍增层、P型电荷层、能带过渡层、本征吸收层、P型掺杂吸收层、电子阻挡层、阳极接触层，形成光电探测器的外延结构；
2)用电子束蒸发技术在所述光电探测器的外延结构的阳极接触层的上表面依次蒸镀钛、铂、金，构成阳极；
3)利用湿法刻蚀自所述阳极向下依次对光电探测器的外延结构中各层进行刻蚀，刻蚀面停止在所述阴极接触层内，所述阴极接触层形成上下台阶；
4)利用湿法刻蚀对所述阴极接触层的下台阶向下刻蚀，刻蚀面停止在所述衬底层内，所述衬底层形成上下台阶；
5)利用电子束蒸发技术在所述阴极接触层的下台阶表面依次蒸镀钛、铂、金，构成阴极；
6)于所述衬底层的下台阶上形成一层绝缘层，并利用电镀技术在所述绝缘层上电镀共面波导电极，所述共面波导电极分别与所述阳极及所述阴极电连接。
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