CN114823941B - 一种谐振增强型光电探测器及制作方法 - Google Patents

一种谐振增强型光电探测器及制作方法 Download PDF

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Abstract

一种新型谐振增强型光电探测器及制作方法，涉及半导体技术领域，具体属于一种新型谐振增强型光电探测器及制作方法。其特征在于，包括超结构层、衬底层、第一分布式布拉格反射镜、谐振腔层、第二分布式布拉格反射镜、隔离层、缓冲外延层、第一接触层、本征层、本征吸收层、P型掺杂的InAlAs层、第二接触层。第二分布式布拉格反射镜、隔离层、缓冲外延层、第一接触层通过刻蚀形成叠置在谐振腔层上的第一圆柱形台体，本征层、本征吸收层、P型掺杂的InAlAs层、第二接触层通过刻蚀形成叠置在第一接触层上的第二圆柱形台体。本发明具有提高光电转换效率和量子效率，以及实现多波长探测以及传感功能的积极效果。

Description

一种谐振增强型光电探测器及制作方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体属于一种谐振增强型光电探测器及制作方法。
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。
传统的光电探测器一直处于低功率以及只能实现传统功能的水平，使这种器件的应用受到极大的制约，直到最近几年探测器材料生长与制备技术的发展才使其功率水平开始得到大幅度的提高，从而为光电探测器的应用发展开辟了广阔的前景。随着光电探测器功率不断得到提高，传统的光电探测器的阈值电流较高，光电转换效率低，以及所使用的功能有限，都限制了光电探测器的进一步发展。
因此，如何提出一种光电探测器，使之不仅能够提高光电转换效率以及量子效率，还能够实现多波长探测功能，成为业界亟待解决的重要课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种谐振增强型光电探测器及制作方法，以达到提高光电转换效率和量子效率，以及实现多波长探测以及传感功能的目的。
本发明所提供的一种谐振增强型光电探测器，其特征在于，包括超结构层、衬底层、第一分布式布拉格反射镜、谐振腔层、第二分布式布拉格反射镜、隔离层、缓冲外延层、第一接触层、本征层、本征吸收层、P型掺杂的InAlAs层、第二接触层。第二分布式布拉格反射镜、隔离层、缓冲外延层、第一接触层通过刻蚀形成叠置在谐振腔层上的第一圆柱形台体，本征层、本征吸收层、P型掺杂的InAlAs层、第二接触层通过刻蚀形成叠置在第一接触层上的第二圆柱形台体，其中，第一圆柱形台体的底面积小于第一接触层的上接触面的横截面积，围绕第一圆柱形台体的第一接触层的部分上表面上设置N电极；第二圆柱形台体的底面积小于第二接触层的上接触面的横截面积，围绕第二圆柱形台体的第二接触层的部分上表面上设置有P电极。
进一步的，超结构层由AlGaAs材料组成，包括四个等宽的光栅，所述的光栅的高度tg＝220nm，宽度w＝125nm，一个周期内光栅之间的间隔均为50nm。
进一步的，超结构在x方向上呈周期性排列，周期为760nm，折射系数为3.37。
进一步的，衬底层由GaAs组成；第一分布式布拉格反射镜和第二分布式布拉格反射镜分别由22对分布式布拉格反射镜组成；谐振腔层由GaAs组成，厚度为800nm；隔离层由GaAs组成，厚度为800nm；缓冲外延层由InP组成，厚度为48nm；第一接触层由N型掺杂的InP组成，厚度为256nm；本征层由InGaAsP组成，厚度为600nm；本征吸收层由InGaAs组成，厚度为1000nm；P型掺杂的InAlAs层厚度为100nm；第二接触层由P型掺杂的InGaAs，厚度为100nm。
进一步的，P电极采用Pt-Ti-Pt-Au结构，厚度为300nm；N电极采用Pt-Ti-Pt-Au结构，厚度为300nm；所述的P电极、N电极制作成环状。
本发明所提供的一种谐振增强型光电探测器的制作方法，其特征在于，在超结构层上生长衬底层；
在衬底层上生长第一分布式布拉格反射镜组；
在第一分布式布拉格反射镜上生长谐振腔层；
在谐振腔层上生长第二分布式布拉格反射镜组；
在第二分布式布拉格反射镜组上生长隔离层；
在隔离层上生长缓冲外延层；
在缓冲外延层上生长第一接触层；
在第一接触层上生长本征层；
在本征层上生长本征吸收层；
在本征吸收层上生长P型掺杂的InAlAs层；
在P型掺杂的InAlAs层上生长第二接触层；
对所述的第二接触层、P型掺杂的InAlAs层、本征吸收层和本征层通过低压等离子体刻蚀方法进行刻蚀，制作出第二圆柱形台体并露出围绕第二圆柱形台体第二接触层的部分上表面，并在第二接触层的部分上表面上设置P电极；
对所述的第二分布式布拉格反射镜、隔离层、缓冲外延层、第一接触层通过低压等离子体刻蚀方法进行刻蚀，制作出第一圆柱形台体并露出围绕第一圆柱形台体的第一接触层的部分上表面，并在第一接触层的部分上表面上设置N电极。
进一步的，利用磁控溅射法，分别在第一接触层表面上溅射形成N电极，第二接触层表面上溅射形成P电极，所述P电极和N电极采用Pt-Ti-Pt-Au结构，分别制作成环状，厚度为300nm。
进一步的，超结构层的制作方法如下：超结构层通过电子束曝光技术投影图形，照射需要刻蚀的区域，将电子束曝光后的相应位置残留的光刻胶浸入在无机弱碱性水溶液中，进行显影处理，经过显影液浸泡后进行高温烘烤，采用电感耦合等离子体刻蚀，使用去等离子水清洗，去除光刻胶，获得超结构。
本发明所提供的一种谐振增强型光电探测器及制作方法，包括超结构层、衬底层、第一分布式布拉格反射镜、谐振腔层、第二分布式布拉格反射镜、隔离层、缓冲外延层、第一接触层、本征层、本征吸收层、P型掺杂的InAlAs层、第二接触层，本发明通过超结构与探测器的集成，可实现在Fano峰值对应波长处的光谱响应，透射进的光束在本发明的光电探测器中反复谐振，从而提高了集成结构的量子效率，实现多波长探测功能，可适用于光通信领域。同时，超结构随表面气体折射率的变化产生透射进探测器的波长变化，从而导致光电探测器光生电流的变化，由电流的变化趋势可判定折射率的变化量，从而实现对气体折射率变化的检测功能，应用于传感领域。综上所述，本发明具有提高光电探测器集成结构的稳定性、简化器件的制备步骤以及实现多波长光谱响应的积极效果。
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；
图3为本发明的量子效率谱线图。
具体实施方式
如图1-3所示，本发明所提供的一种谐振增强型光电探测器，自下而上主要是由超结构1、衬底层2、第一分布式布拉格反射镜3、谐振腔层4、第二分布式布拉格反射镜5、隔离层6、缓冲外延层7、第一接触层8、本征层9、本征吸收层10、P型掺杂的InAlAs层11、第二接触层12，第二分布式布拉格反射镜、隔离层、缓冲外延层、第一接触层通过刻蚀形成叠置在谐振腔层上的第一圆柱形台体，本征层、本征吸收层、P型掺杂的InAlAs层、第二接触层通过刻蚀形成叠置在第一接触层上的第二圆柱形台体，其中，第一圆柱形台体的底面积小于第一接触层的上接触面的横截面积，围绕第一圆柱形台体的第一接触层的部分上表面上设置N电极13；第二圆柱形台体的底面积小于第二接触层的上接触面的横截面积，围绕第二圆柱形台体的第二接触层的部分上表面上设置有P电极14。
在本实施例中，衬底层由GaAs组成，厚度一般不做要求；第一分布式布拉格反射镜和第二分布式布拉格反射镜分别由22对分布式布拉格反射镜组成；谐振腔层由GaAs组成，厚度为800nm；隔离层由GaAs组成，厚度为800nm；缓冲外延层由InP组成，厚度为48nm；第一接触层由N型掺杂的InP组成，厚度为256nm；本征层由InGaAsP组成，厚度为600nm；本征吸收层由InGaAs组成，厚度为1000nm；P型掺杂的InAlAs层厚度为100nm；第二接触层由P型掺杂的InGaAs，厚度为100nm。超结构由AlGaAs材料组成，包括四个等宽的光栅，所述的光栅的高度tg＝220nm，宽度w＝125nm，光栅间隔为50nm。超结构层的超结构在x方向上呈周期性排列，周期为760nm，折射系数为3.37。超结构利用全介质材质，可在980nm-1200nm波段范围内实现四个尖锐的Fano共振峰透射率超过90％，通过优化结构参数，透射波的偏振特征能够得到有效调节。
本发明还提供了一种谐振增强型光电探测器的制作方法，具体制作过程如下：
在超结构层上生长衬底层；
在衬底层上生长第一分布式布拉格反射镜组；
在第一分布式布拉格反射镜上生长谐振腔层；
在谐振腔层上生长第二分布式布拉格反射镜组；
在第二分布式布拉格反射镜组上生长隔离层；
在隔离层上生长缓冲外延层；
在缓冲外延层上生长第一接触层；
在第一接触层上生长本征层；
在本征层上生长本征吸收层；
在本征吸收层上生长P型掺杂的InAlAs层；
在P型掺杂的InAlAs层上生长第二接触层；
对所述的第二接触层、P型掺杂的InAlAs层、本征吸收层和本征层通过低压等离子体刻蚀方法进行刻蚀，制作出第二圆柱形台体并露出围绕第二圆柱形台体第二接触层的部分上表面，并在第二接触层的部分上表面上设置P电极；
对所述的第二分布式布拉格反射镜、隔离层、缓冲外延层、第一接触层通过低压等离子体刻蚀方法进行刻蚀，制作出第一圆柱形台体并露出围绕第一圆柱形台体的第一接触层的部分上表面，并在第一接触层的部分上表面上设置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。
步骤一：在超结构层上生长GaAs衬底。其中衬底厚度一般不做要求，超结构厚度为220nm；
步骤二：在衬底层上生长第一分布式布拉格反射镜组，其中，第一分布式布拉格反射镜组由22对分布式布拉格反射镜组成；
步骤三：在第一布拉格反射镜组上生长谐振腔层，其中，谐振腔层由GaAs材料组成，谐振腔层呈阶梯状(从左往右分别为第一台阶、第二台阶、第三台阶、第四台阶)可以实现不同的波长滤波功能，其对应波长与超结构产生的Fano共振相一致，第一台阶厚度为800nm，第二台阶厚度为780nm，第三台阶厚度为750nm，第四台阶厚度为725nm；
对谐振腔层进行两次刻蚀，先将第一台阶与第三台阶遮盖，对第二与第四台阶进行第一次刻蚀；后将第一和第二台阶遮盖，对第三、第四台阶进行第二次刻蚀，在刻蚀时，延长刻蚀时间为第一次刻蚀时间的2倍，可以得到四个台阶样式的阶梯型谐振腔层；
步骤四：在谐振腔层上生长第二分布式布拉格光栅组，其中，第二分布式布拉格反射镜组由22对分布式布拉格反射镜组成，第二分布式布拉格反射镜组生长厚度一样，因此也随谐振腔层呈阶梯状；
步骤五：在第二分布式布拉格反射镜上生长隔离层，其中，隔离层由GaAs材料组成，将台阶结构填平，最厚的厚度为800nm，其余厚度为最厚处与四个台阶高度差值；
步骤六：在隔离层上生长缓冲外延层，其中，缓冲外延层由InP材料组成，厚度为48nm；
步骤七：在缓冲外延层上生长第一接触层，其中，第一接触层由InP材料组成，厚度为256nm；
步骤八：在第一接触层生长本征层，其中，本征层由InGaAsP材料组成，厚度为600nm；
步骤九：在本征层上生长本征吸收层，其中，本征吸收层由InGaAs材料组成，厚度为1000nm；
步骤十：在本征吸收层上生长P型掺杂的InAlAs层，厚度为100nm；
步骤十一：在P型掺杂的InAlAs层上生长第二接触层，其中，第二接触层由InGaAs材料组成，厚度为100nm；
步骤十二：对AlGaAs层进行刻蚀，形成周期性排列的超结构。具体地，超结构由四个等宽的光栅构成，高度为220nm，宽度为125nm，一个周期内的光栅间隔均为50nm。超结构在x方向上呈周期性排列，周期为760nm。超结构中的电场能量主要被局限在相邻厚颗粒的介质空间内，对特定波长具有高透射率特性；
超结构层的制作方法如下：超结构层通过电子束曝光技术投影图形，照射需要刻蚀的区域，将电子束曝光后的相应位置残留的光刻胶浸入在无机弱碱性水溶液中，进行显影处理，经过显影液浸泡后进行高温烘烤，采用电感耦合等离子体刻蚀，使用去等离子水清洗，去除光刻胶，获得超结构；
步骤十三：在形成所述第二接触层、P型掺杂的InAlAs层、本征吸收层和本征层后，通过低压等离子体刻蚀方法对第二接触层、P型掺杂的InAlAs层、本征吸收层和本征层进行刻蚀，制作出第二圆柱形台体并露出围绕第二圆柱形台体第一接触层的部分上表面，利用磁控溅射法，在第一接触层的部分上表面上溅射形成P电极，在本实施例中，P电极的厚度可以是300nm，采用Pt-Ti-Pt-Au结构，P电极可以制作成环状；
步骤十四：在形成第二圆柱形台体后，通过低压等离子体刻蚀方法对第二分布式布拉格反射镜、隔离层、缓冲外延层、第一接触层进行刻蚀，制作出第一圆柱形台体并露出围绕第一圆柱形台体的第一接触层的部分上表面，利用磁控溅射法在第一接触层的部分上表面上溅射形成N电极，在本实施例中，N电极的厚度可以是300nm，采用Pt-Ti-Pt-Au结构，N电极可以制作成环状。
本发明的谐振增强型光电探测器，将GaAs基阶梯形法布里-珀罗滤波器与PIN光电探测器集成，通过一个薄缓冲层实现高质量的GaAs/InP异质外延，并在上方与可在多波长实现高透的超结构进行集成，在提高集成结构的稳定性的基础上，达到多波长光谱响应的目的。超结构利用全介质材质，可在980nm-1200nm波段范围内实现四个尖锐的Fano共振峰，透射率超过90％。通过优化结构参数，透射波的偏振特征能够得到有效调节。超结构与探测器集成可实现在Fano峰值对应波长处的光谱响应，透射进的光束在器件中反复谐振，参见图3的量子效率谱线图，本发明能够大大提高集成结构的量子效率，实现多波长探测功能，可适用于光通信领域。同时，该探测器可随表面气体折射率的变化而导致器件光生电流的变化，从而判定折射率的变化量，可适用于传感领域。

Claims (1)

1.一种谐振增强型光电探测器，其特征在于，包括超结构层、衬底层、第一分布式布拉格反射镜、谐振腔层、第二分布式布拉格反射镜、隔离层、缓冲外延层、第一接触层、本征层、本征吸收层、Ｐ型掺杂的InAlAs层、第二接触层；第二分布式布拉格反射镜、隔离层、缓冲外延层、第一接触层通过刻蚀形成叠置在谐振腔层上的第一圆柱形台体，本征层、本征吸收层、Ｐ型掺杂的InAlAs层、第二接触层通过刻蚀形成叠置在第一接触层上的第二圆柱形台体，其中，第一圆柱形台体的底面积小于第一接触层的上接触面的横截面积，围绕第一圆柱形台体的第一接触层的部分上表面上设置N电极；第二圆柱形台体的底面积小于第二接触层的上接触面的横截面积，围绕第二圆柱形台体的第二接触层的部分上表面上设置有P电极；
超结构层由AlGaAs材料组成，包括四个等宽的光栅，所述的光栅的高度tg=220nm，宽度w=125nm，一个周期内光栅之间的间隔均为50nm；
超结构在 x 方向上呈周期性排列，周期为760nm，折射系数为3.37；
衬底层由GaAs组成；第一分布式布拉格反射镜和第二分布式布拉格反射镜分别由22对分布式布拉格反射镜组成；谐振腔层由GaAs组成，厚度为800nm；隔离层由GaAs组成，厚度为800nm；缓冲外延层由InP组成，厚度为48nm；第一接触层由N型掺杂的InP组成，厚度为256nm；本征层由InGaAsP组成，厚度为600nm；本征吸收层由InGaAs组成，厚度为1000nm；P型掺杂的InAlAs层厚度为100nm；第二接触层由P型掺杂的InGaAs，厚度为100nm；
P电极采用Pt-Ti-Pt-Au结构，厚度为300nm；N电极采用Pt-Ti-Pt-Au结构，厚度为300nm；所述的P电极、N电极制作成环状；
所述谐振增强型光电探测器的制作方法，包括以下过程：
在超结构层上生长衬底层；
在衬底层上生长第一分布式布拉格反射镜组；
在第一分布式布拉格反射镜上生长谐振腔层；
在谐振腔层上生长第二分布式布拉格反射镜组；
在第二分布式布拉格反射镜组上生长隔离层；
在隔离层上生长缓冲外延层；
在缓冲外延层上生长第一接触层；
在第一接触层上生长本征层；
在本征层上生长本征吸收层；
在本征吸收层上生长Ｐ型掺杂的InAlAs层；
在P型掺杂的InAlAs层上生长第二接触层；
对所述的第二接触层、P型掺杂的InAlAs层、本征吸收层和本征层通过低压等离子体刻蚀方法进行刻蚀，制作出第二圆柱形台体并露出围绕第二圆柱形台体的第二接触层的部分上表面，并在第二接触层的部分上表面上设置P电极；
对所述的第二分布式布拉格反射镜、隔离层、缓冲外延层、第一接触层通过低压等离子体刻蚀方法进行刻蚀，制作出第一圆柱形台体并露出围绕第一圆柱形台体的第一接触层的部分上表面，并在第一接触层的部分上表面上设置N电极；
利用磁控溅射法，分别在第一接触层表面上溅射形成N电极，第二接触层表面上溅射形成P电极，所述P电极和N电极采用Pt-Ti-Pt-Au结构，分别制作成环状，厚度为300nm；
超结构层的制作方法如下：超结构层通过电子束曝光技术投影图形，照射需要刻蚀的区域，将电子束曝光后的相应位置残留的光刻胶浸入在无机弱碱性水溶液中，进行显影处理，经过显影液浸泡后进行高温烘烤，采用电感耦合等离子体刻蚀，使用去等离子水清洗，去除光刻胶，获得超结构。
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