CN114639745B - 一种新型光探测器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种新型光探测器及其制作方法，涉及半导体技术领域，特别是属于一种新型光探测器及其制作方法。包括沿中心轴方向依次设置的衬底、N型电极层、第一间隔层、光吸收层、第二间隔层、P型电极层、介质层以及超结构，在P型电极层上形成有P电极，在N型电极层上形成有N电极，介质层与超结构通过刻蚀形成叠置在P型电极层上的第一圆柱形台体，第一间隔层、光吸收层、第二间隔层以及P型电极层通过刻蚀形成叠置在N型电极层上的第二圆柱形台体。本发明具有提高光电转换效率以及实现高效率的偏振转换的积极效果。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别是属于一种新型光探测器及其制作方法。
背景技术
长期以来，围绕着光电系统开展了各种关键技术的研究，实现具有高集成度、高性能、多功能、低功耗和低成本的光探测器已成为新的重大挑战。
然而，随着光探测器功率的不断提高，传统的光探测器的阈值电流较高，光电转换效率低，加之所具备功能的局限性，大大制约了光探测器的进一步发展。
因此，如何提出一种光探测器，使之兼具提高光电转换效率以及实现偏振调控功能的特点，成为业界亟待解决的重要课题。
发明内容
本发明的目的即在于提供一种新型光探测器及其制作方法，以达到提高光电转换效率以及实现高效率的偏振转换的目的。
本发明所提供的一种新型光探测器，其特征在于，包括沿中心轴方向依次设置的衬底、N型电极层、第一间隔层、光吸收层、第二间隔层、P型电极层、介质层以及超结构，在P型电极层上形成有P电极，在N型电极层上形成有N电极，其中，介质层与超结构通过刻蚀形成叠置在P型电极层上的第一圆柱形台体，所述的第一圆柱形台体的侧壁以及围绕第一圆柱形台体的P型电极层的部分上表面上设置有掩膜；第一间隔层、光吸收层、第二间隔层以及P型电极层通过刻蚀形成叠置在N型电极层上的第二圆柱形台体，第二圆柱形台体的侧壁以及围绕第二圆柱形台体的N型电极层的部分上表面上设置有掩膜。
进一步的，P电极、N电极为环状，其中，P电极的厚度为350nm，采用Ti-Pt-Au结构；N电极的厚度为600nm，采用Ge-Au或者Au结构。
进一步的，所述衬底由InGaAs组成，厚度为600nm；N型电极层由InP材料组成，厚度为461nm，第一间隔层、第二间隔层均由InP材料组成，第一间隔层的厚度为501nm，第二间隔层的厚度为339nm；光吸收层由InGaAs材料组成，厚度为厚度为300nm；P型电极层由InP材料组成，厚度为200nm，介质层由SiO2材料组成，厚度为600nm，超结构由Ag材料组成，厚度为380nm，掩膜由SiO2材料组成，厚度为300nm。
进一步的，超结构为周期性排列的十字形结构，短轴长度为45nm，长轴为430nm，长轴宽度为100nm，短轴的宽度为100nm；在x方向上和y方向上均呈周期性排列，周期为600nm，其折射系数为1.48。
本发明所提供的一种新型光探测器的制作方法，其特征在于，包括以下过程：
在衬底上生长N型电极层；
在N型电极层上生长第一间隔层；
在第一间隔层上生长光吸收层；
在光吸收层上生长第二间隔层；
在第二间隔层上生长P型电极层；
在P型电极层上生长介质层；
在介质层上生长超结构，并对超结构进行刻蚀，形成十字型超结构；
对介质层、超结构进行刻蚀形成第一圆柱形台体，在第一圆柱形台体的侧壁以及围绕在第一圆柱形台体下方的P型电极层的部分上表面上形成掩膜；
对第一间隔层、光吸收层、第二间隔层、P型电极层进行刻蚀并形成第二圆柱形台体，在第二圆柱形台体的侧壁以及围绕第一圆柱形台体下方的N型电极层的部分上表面上形成掩膜。
进一步的，超结构的刻蚀过程如下：
通过电子蒸发技术在介质层上生长一层银薄膜，并在其上均匀涂覆光刻胶；通过电子束曝光技术投影图形，照射需要刻蚀的区域；通过显影处理技术处理电子束曝光后残留的光刻胶，包括显影液浸泡以及浸泡后的高温烘烤，形成十字型超结构。
进一步的，第一圆柱形台体和第二圆柱形台体通过低压等离子体刻蚀方法刻蚀而成。
进一步的，掩膜通过等离子体增强化学气相沉积法形成。
进一步的，掩膜形成后，通过电子束溅射法分别在P型电极层的表面上溅射形成P电极、在N型电极层的表面上溅射形成N电极。
本发明所提供的一种新型光探测器及其制作方法，利用周期性排列的十字型超结构，实现了宽波段范围下对入射波的偏振调控。在本发明的实际应用中，可以通过优化本发明的各组成部分的结构参数，使得透射波的偏振特征能够得到有效调节。本发明的试验表明，在波段范围1175nm-1310nm之间、1130nm-1230nm之间都能实现宽带、高效率的透射光谱响应，其中在波段范围1175nm-1310nm之间效率高于85％；在波段范围1130nm-1230nm之间，可实现一种效率高于90％、工作带宽为100nm的适用于先进的固定光纤和光子无线通信网络。综上所述，本发明具有提高了光束光探测器集成结构的稳定性、简化器件的制备步骤及方法以及实现良好的偏振调控的积极效果。
附图说明
图1为本发明的剖面结构示意图；
图2为本发明的俯视图。
具体实施方式
如图1-2所示，本发明所提供的一种新型光探测器，自下而上主要是由衬底1、N型电极层2、第一间隔层3、光吸收层4、第二间隔层5、P型电极层6、介质层7以及超结构8组成的，其中，在P型电极层上形成有P电极11，在N型电极层上形成有N电极9，P电极、N电极为环状，其中，P电极的厚度为350nm，采用Ti-Pt-Au结构；N电极的厚度为600nm，采用Ge-Au或者Au结构。此外，介质层与超结构通过刻蚀形成叠置在P型电极层上的第一圆柱形台体，第一圆柱形台体的侧壁以及围绕第一圆柱形台体的P型电极层的部分上表面上设置有掩膜10；第一间隔层、光吸收层、第二间隔层以及P型电极层通过刻蚀形成叠置在N型电极层上的第二圆柱形台体，第二圆柱形台体的侧壁以及围绕第二圆柱形台体的N型电极层的部分上表面上设置有掩膜。掩膜可以采用SiO2材料，厚度为300nm，用于提高激光器的整体性能。
在本实施例中，衬底由InGaAs组成，厚度为600nm；N型电极层由InP材料组成，厚度为461nm，第一间隔层、第二间隔层均由InP材料组成，第一间隔层的厚度为501nm，第二间隔层的厚度为339nm；光吸收层由InGaAs材料组成，厚度为厚度为300nm；P型电极层由InP材料组成，厚度为200nm，介质层由SiO2材料组成，厚度为600nm，超结构由Ag材料组成，厚度为380nm，掩膜由SiO2材料组成，厚度为300nm。超结构为周期性排列的十字形结构，短轴长度为45nm，长轴为430nm，长轴宽度为100nm，短轴的宽度为100nm；在x方向上和y方向上均呈周期性排列，周期为600nm，其折射系数为1.48。本发明通过周期性排列的十字型的超结构，实现了超结构的偏振调控功能，同时也提高了集成结构的稳定性。
本发明还提供了一种新型光探测器的制作方法，具体制作过程如下：
在衬底上生长N型电极层；
在N型电极层上生长第一间隔层；
在第一间隔层上生长光吸收层；
在光吸收层上生长第二间隔层；
在第二间隔层上生长P型电极层；
在P型电极层上生长介质层；
在介质层上生长超结构，并对超结构进行刻蚀，形成十字型超结构；
对介质层、超结构通过低压等离子体刻蚀方法进行刻蚀并形成第一圆柱形台体，在第一圆柱形台体的侧壁以及围绕在第一圆柱形台体下方的P型电极层的部分上表面上淀积一层SiO2作为掩膜；对第一间隔层、光吸收层、第二间隔层、P型电极层通过低压等离子体刻蚀方法进行刻蚀并并形成第二圆柱形台体，在第二圆柱形台体的侧壁以及围绕第一圆柱形台体下方的N型电极层的部分上表面上，通过等离子体增强化学气相沉积法淀积一层SiO2作为掩膜。掩膜形成后，通过电子束溅射法分别在P型电极层的表面上溅射形成P电极、在N型电极层的表面上溅射形成N电极。
下面，通过本发明的一个具体实施例，对本发明做进一步的描述说明。
步骤1：在衬底上生长N型电极层，上述衬底由InGaAs组成，厚度为600nmN型电极层由InP材料组成，厚度为461nm。
步骤2：在形成N型电极层后，在N型电极层上生长第一间隔层，上述第一间隔层由InP材料组成，厚度为501nm。
步骤3：在形成第一间隔层后，在第一间隔层上生长光吸收层，上述光吸收层由InGaAs材料组成，厚度为厚度为300nm，用于消除空间电荷效应。
步骤4：在形成光吸收层后，在光吸收层上生长第二间隔层，上述第二间隔层由InP材料组成，厚度为339nm。
步骤5：在形成第二间隔层后，在第二间隔层上生长P型电极层，上述P型电极层由InP材料组成，厚度为200nm。
步骤6：在形成P型电极层后，在P型电极层上生长介质层，上述介质层由SiO2材料组成，厚度为600nm。
步骤7：在形成介质层后，在介质层上生长超结构，上述超结构由Ag材料组成，厚度为380nm。
步骤8：对超结构进行刻蚀，形成十字型超结构，十字形超结构下方由介质层的二氧化硅包裹，电场能量主要被局限在相邻厚颗粒的介质空间内，在纵向上存在着等效谐振腔，从而能够实现对偏振光的高透射率特性。具体地，在形成超结构后，先利用电子蒸发技术在二氧化硅的介质层表面上生长一层银薄膜，在银薄膜上均匀涂覆有光刻胶。值得说明的是，在涂覆光刻胶的时候不能掺杂有其他杂质，且厚度影响着工艺质量，故在具体实施例中，需要通过机器严格控制在合理区间。涂覆好光刻胶后，通过电子束曝光技术投影图形，照射需要刻蚀的区域，从而可以实现高分辨率的自动识别，相应的非十字型区域不被电子束曝光。在电子束曝光后的相应位置残留的光刻胶，还需要对其进行显影处理，通过显影处理技术处理电子束曝光后残留的光刻胶，即将其浸入在无机弱碱性水溶液的显影液中。经过显影液浸泡后再进行高温烘烤，使得非电子束曝光区域的胶实现硬化进而具有抗蚀性。光刻胶经过刻蚀后，其余刻蚀掉的部分为空气，将剩余的胶去掉并烘干即可得到十字型超结构。
步骤9：在形成介质层和超结构后，通过低压等离子体刻蚀方法对介质层和超结构进行刻蚀，制作出第一圆柱形台体，采用等离子体增强化学气相沉积法，在第一圆柱形台体的侧壁以及围绕在第一圆柱形台体下方的P型电极层的部分上表面上淀积一层SiO2作为掩膜，掩膜的厚度为300nm。
步骤10：在制作完成掩膜后，利用电子束溅射法在P型电极层的表面上溅射形成P电极。P电极的厚度为300nm，采用Ti-Pt-Au结构，P电极制作成环状。
步骤11：在形成第一圆柱形台体后，通过低压等离子体刻蚀方法对第一间隔层、光吸收层、第二间隔层、P型电极层进行刻蚀，制作出第二圆柱形台体，采用等离子体增强化学气相沉积法，在第二圆柱形台体的侧壁以及围绕第一圆柱形台体下方的N型电极层的部分上表面上淀积一层SiO2作为掩膜，掩膜的厚度为300nm。
步骤12：在制作完成掩膜后，利用电子束溅射法在N型电极层的表面上溅射形成N电极。N电极的厚度为600nm，采用Ge-Au或者Au结构，N电极制作成环状。综上，即完成了本发明新型光探测器的制作。
本发明较于现有技术首次将超结构应用于光探测器，且通过具有一定厚度的十字形银颗粒构成的金属超结构，在偏振方向为45°的线性偏振光垂直照射下，电场能量主要被局限在相邻厚颗粒的介质空间内，形成典型的驻波场分布，并在纵向上存在着等效谐振腔，等效谐振腔复合共振模式和体磁共振模式是导致器件产生这种高性能的主要原因。在此基础上，通过调节十字形银颗粒的相关参数，透射波的偏振特征能够实现有效调节。经试验后得知，在波段范围1175nm-1310nm之间、1130nm-1230nm之间都能实现宽带、高效率的透射光谱响应，其中，在波段范围1175nm-1310nm之间效率高于85％，在波段范围1130nm-1230nm之间，可实现一种效率高于90％，且工作带宽为100nm。由此，本发明在集成偏振转化器件和光学存储系统中具有重要作用。
Claims (6)
1.一种光探测器，其特征在于，包括沿中心轴方向依次设置的衬底、N型电极层、第一间隔层、光吸收层、第二间隔层、P型电极层、介质层以及超结构，在P型电极层上形成有P电极，在N型电极层上形成有N电极，其中，介质层与超结构通过刻蚀形成叠置在P型电极层上的第一圆柱形台体，所述的第一圆柱形台体的侧壁以及围绕第一圆柱形台体的P型电极层的部分上表面上设置有掩膜；第一间隔层、光吸收层、第二间隔层以及P型电极层通过刻蚀形成叠置在N型电极层上的第二圆柱形台体，第二圆柱形台体的侧壁以及围绕第二圆柱形台体的N型电极层的部分上表面上设置有掩膜；
P电极、N电极为环状，其中，P电极的厚度为350nm，采用Ti-Pt-Au结构；N电极的厚度为600nm，采用Ge-Au或者Au结构；
所述衬底由InGaAs组成，厚度为600nm；N型电极层由InP材料组成，厚度为461nm，第一间隔层、第二间隔层均由InP材料组成，第一间隔层的厚度为501nm，第二间隔层的厚度为339nm；光吸收层由InGaAs材料组成，厚度为厚度为300nm；P型电极层由InP材料组成，厚度为200nm，介质层由SiO2材料组成，厚度为600nm，超结构由Ag材料组成，厚度为380nm，掩膜由SiO2材料组成，厚度为300nm；
超结构为周期性排列的十字型结构，短轴长度为45nm，长轴为430nm，长轴宽度为100nm，短轴的宽度为100nm；在 x 方向上和 y 方向上均呈周期性排列，周期为 600nm，其折射系数为1.48。
2.根据权利要求1所述的一种光探测器的制作方法，其特征在于，包括以下过程：
在衬底上生长N型电极层；
在N型电极层上生长第一间隔层；
在第一间隔层上生长光吸收层；
在光吸收层上生长第二间隔层；
在第二间隔层上生长P型电极层；
在P型电极层上生长介质层；
在介质层上生长超结构，并对超结构进行刻蚀，形成十字型超结构；
对介质层、超结构进行刻蚀形成第一圆柱形台体，在第一圆柱形台体的侧壁以及围绕在第一圆柱形台体下方的P型电极层的部分上表面上形成掩膜；
对第一间隔层、光吸收层、第二间隔层、P型电极层进行刻蚀并形成第二圆柱形台体，在第二圆柱形台体的侧壁以及围绕第一圆柱形台体下方的N型电极层的部分上表面上形成掩膜。
3.根据权利要求2所述的一种光探测器的制作方法，其特征还在于，超结构的刻蚀过程如下：
通过电子蒸发技术在介质层上生长一层银薄膜，并在其上均匀涂覆光刻胶；通过电子束曝光技术投影图形，照射需要刻蚀的区域；通过显影处理技术处理电子束曝光后残留的光刻胶，包括显影液浸泡以及浸泡后的高温烘烤，形成十字型超结构。
4.根据权利要求2所述的一种光探测器的制作方法，其特征还在于，第一圆柱形台体和第二圆柱形台体通过低压等离子体刻蚀方法刻蚀而成。
5.根据权利要求2所述的一种光探测器的制作方法，其特征还在于，掩膜通过等离子体增强化学气相沉积法形成。
6.根据权利要求2所述的一种光探测器的制作方法，其特征还在于，掩膜形成后，通过电子束溅射法分别在P型电极层的表面上溅射形成P电极、在N型电极层的表面上溅射形成N电极。
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