CN218299812U - 一种雪崩光电探测器结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种雪崩光电探测器结构，包括自下而上依次设置的N金属电极、n型InP衬底、n型InP缓冲层、n型DBR反射区域、n型InP漂移层、n型InGaAsP带宽过渡层一、本征型In0.53Ga0.47As吸收层、n型InGaAsP带宽过渡层二、n型InP电荷层、本征型InP盖层和SiN薄膜一。相比于传统的InP SACM(separate‑absorption‑charge‑multiplication)APD，本实用新型的雪崩光电探测器具有2个漂移区域，其中，In0.53Ga0.47As吸收层为第一个漂移区域，n型InP漂移层为第二个漂移区域，2个漂移区域通过InGaAsP带宽过渡层连接，避免载流子在界面处堆积，传统的InP APD只有InGaAs吸收层一个漂移区域。
Description
技术领域
本实用新型光电探测器技术领域，具体来说涉及一种雪崩光电探测器结构。
背景技术
光电探测器是将光信号转变为电信号的器件，雪崩光电探测器采用的即是雪崩光电二极管(APD)，能够具有更大的响应度。APD将主要应用于长距离或接收光功率受到其它限制而较小的光纤通信系统。目前很多光器件专家对APD的前景十分看好，认为APD的研究对于增强相关领域的国际竞争力，是十分必要的。
传统的InP SACM(separate-absorption-charge-multiplication)APD只有InGaAs吸收层一个漂移区域，易引起光生载流子的堆积，减少入射光被吸收的几率，降低探测器的响应度。
实用新型内容
为了解决上述技术方案的不足，本实用新型的目的在于提供一种雪崩光电探测器结构。
本实用新型的目的是通过下述技术方案予以实现的。
一种雪崩光电探测器结构，包括自下而上依次设置的N金属电极、n型InP衬底、n型InP缓冲层、n型DBR反射区域、n型InP漂移层、n型InGaAsP带宽过渡层一、本征型In0.53Ga0.47As吸收层、n型InGaAsP带宽过渡层二、n型InP电荷层、本征型InP盖层和SiN薄膜一；
在所述SiN薄膜一上开设有Zn扩散窗口一，以使SiN薄膜一下方的本征型InP盖层暴露出来，在暴露出来的本征型InP盖层的下方设置有中央扩散区域一和围绕中央扩散区域一的一个或多个环形扩散区域，所述中央扩散区域一和环形扩散区域位于所述本征型InP盖层内；
在所有暴露在外的上表面设置SiN薄膜二，在所述SiN薄膜二上开设Zn扩散窗口二，所述Zn扩散窗口二位于所述Zn扩散窗口一内，使得SiN薄膜二下方的本征型InP盖层暴露出来，在暴露出来的本征型InP盖层内设置有中央扩散区域二；
在所述Zn扩散窗口二的一侧设置P金属电极，所述P金属电极与该侧的SiN薄膜二连接，在所有暴露在外的上表面设置SiN减反膜，在所述SiN减反膜上开设VIA孔洞，所述VIA孔洞位于所述P金属电极的上表面。
在上述技术方案中，所述SiN薄膜一的厚度大于等于100nm。
在上述技术方案中，所述中央扩散区域一和环形扩散区域的深度为100nm～2μm。
在上述技术方案中，所述中央扩散区域一和中央扩散区域二的上表面为同心圆，所述中央扩散区域二的半径小于中央扩散区域一的半径，二者半径相差1～20μm，中央扩散区域二的深度大于中央扩散区域一的深度，二者深度之差为100nm～2μm。
在上述技术方案中，所述n型InP衬底的厚度为50～200μm。
在上述技术方案中，所述SiN减反膜对于1310nm～1700nm波长光线的反射率大于等于70％。
在上述技术方案中，所述n型DBR反射区域由多对InP和InGaAsP组成，每对中包含一层InP和一层InGaAsP，每对中InP和InGaAsP的厚度均为1550nm波长光线在该材料内有效波长的1/4，所述InP和InGaAsP的对数大于等于10，n型DBR反射区域的对于1300～1700nm波长光线的反射率大于等于70％。
在上述技术方案中，所述n型InP漂移层的厚度为0.1～1μm，其掺杂浓度为1×1015/cm3～2×1017/cm3。
在上述技术方案中，本征型InP盖层的厚度大于等于2μm。
在上述技术方案中，所述中央扩散区域一和环形扩散区域的厚度均为从本征型InP盖层的厚度减去1000nm到本征型InP盖层的厚度减去500nm，所述中央扩散区域二的厚度为从本征型InP盖层的厚度减去600nm到本征型InP盖层的厚度减去100nm。
在上述技术方案中，每个所述环形扩散区域之间的间隔2～10μm，最内侧环形扩散区域与所述中央扩散区域一之间的间隔距离为2～10μm。
本实用新型的优点和有益效果为：
1.相比于传统的InP SACM(separate-absorption-charge-multiplication)APD，本实用新型的雪崩光电探测器具有2个漂移区域，其中，In0.53Ga0.47As吸收层为第一个漂移区域，n型InP漂移层为第二个漂移区域，2个漂移区域通过InGaAsP带宽过渡层连接，避免载流子在界面处堆积，传统的InP APD只有InGaAs吸收层一个漂移区域。
2.第二个漂移区域为弱掺杂，使其在工作电压下完全耗尽，使电子在该层中通过漂移的方式进行输运。而且该层的厚度，可以使电子整体的漂移时间匹配慢速空穴向上漂移产生的时间，从而不额外增加载流子的整体输运时间。
3.由于额外增加了雪崩光电探测器外延层整体的耗尽层厚度，使雪崩光电探测器的结电容降低，反而提高了雪崩光电探测器的运行速度和带宽。
4.在高速APD探测器中，由于需要降低载流子(尤其是空穴)在InGaAs吸收层中的漂移时间，因此需要将InGaAs吸收层做的很薄，这就降低了光在InGaAs吸收层中被吸收的概率，降低了探测器的响应度。本实用新型中的雪崩光电探测器，在第二漂移区的下方设置DBR反射区域，可以将入射但未吸收的光反射回In0.53Ga0.47As吸收层，从而可以二次吸收，这样将极大的提高了入射光被吸收的几率，从而提高雪崩光电探测器的响应度。
附图说明
图1为本实用新型的整体结构示意图。
图2为本实用新型的制备流程图(步骤一至步骤四)。
图3为本实用新型的制备流程图(步骤五至步骤七)。
图4为本实用新型的制备流程图(步骤八)。
图5为本实用新型的制备流程图(步骤九)。
图6为本实用新型的制备流程图(步骤十)。
其中，
1：n型InP衬底，
2：n型InP缓冲层，
3：n型DBR反射区域，
4：n型InP漂移层，
5：n型InGaAsP带宽过渡层一，
6：In0.53Ga0.47As吸收层，
7：n型InGaAsP带宽过渡层二，
8：n型InP电荷层，
9：本征型InP盖层，
10：SiN薄膜一，
11：Zn扩散窗口一，
12：中央扩散区域一，
13：环形扩散区域，
14：SiN薄膜二，
15：Zn扩散窗口二，
16：中央扩散区域二，
17：P金属电极，
18：SiN减反膜，
19：VIA孔洞，
20：N金属电极。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本实用新型的技术方案。
实施例1
如图1所示，一种雪崩光电探测器结构，包括自下而上依次设置的N金属电极20、n型InP衬底1、n型InP缓冲层2、n型DBR反射区域3、n型InP漂移层4、n型InGaAsP带宽过渡层一5、本征型In0.53Ga0.47As吸收层6、n型InGaAsP带宽过渡层二7、n型InP电荷层8、本征型InP盖层9和SiN薄膜一10，所述SiN薄膜一10的厚度为100nm；所述n型InP衬底1的厚度为150μm；所述n型DBR反射区域3由多对InP和InGaAsP组成，每对中包含一层InP和一层InGaAsP，每对中InP和InGaAsP的厚度均为1550nm波长光线在该材料内有效波长的1/4，所述InP和InGaAsP的对数大于等于10，InAlGaAs的发光波长为1190nm，厚度为93nm，n型DBR反射区域3的对于1550nm波长光线的反射率大于80％，未经吸收的入射光通过DBR反射区域3反射回In0.53Ga0.47As吸收层6进行二次吸收，从而提高了探测器的响应度；所述n型InP漂移层4的厚度为1μm，其掺杂浓度为5×1015/cm3；本征型InP盖层9的厚度为4μm，n型InP缓冲层2的厚度为0.5μm，掺杂浓度为5×1017/cm3，其作用是为了更好的匹配n型InP衬底1和n型InP缓冲层2上面的外延层材料之间因为生长条件不同所造成的晶格常数的差异，确保外延层的生长质量；In0.53Ga0.47As吸收层6的厚度为2μm，背景掺杂浓度小于1×1015/cm3；所述n型InP电荷层8的厚度为200nm，掺杂浓度为2×1017/cm3，该层的厚度和掺杂浓度决定了雪崩光电探测器开启电压和击穿电压。
在所述SiN薄膜一10上开设有Zn扩散窗口一11，以使SiN薄膜一10下方的本征型InP盖层9暴露出来，在暴露出来的本征型InP盖层9的下方设置有中央扩散区域一12和围绕中央扩散区域一12的一个或多个环形扩散区域13，所述中央扩散区域一12和环形扩散区域13位于所述本征型InP盖层9内，所述中央扩散区域一12和环形扩散区域13的深度为2.3μm，中央扩散区域一12的上表面为圆形，直径为40μm，环形扩散区域13的上表面为围绕中央扩散区域一12的一个环形区域，其内径为50μm，宽度为5μm，在本实施例中，所述环形扩散区域13为一个，每个所述环形扩散区域13之间的间隔为5μm，最内侧环形扩散区域13与所述中央扩散区域一12之间的间隔距离为5μm。
在所有暴露在外的上表面设置SiN薄膜二14，在所述SiN薄膜二14上开设Zn扩散窗口二15，所述Zn扩散窗口二15位于所述Zn扩散窗口一11内，使得SiN薄膜二14下方的本征型InP盖层9暴露出来，在暴露出来的本征型InP盖层9内设置有中央扩散区域二16，所述中央扩散区域一12和中央扩散区域二16的上表面为同心圆，所述中央扩散区域二16的直径为30μm，中央扩散区域二16的深度为3.8μm。
在所述Zn扩散窗口二15的一侧设置P金属电极17，所述P金属电极17与该侧的SiN薄膜二14连接，在所有暴露在外的上表面设置SiN减反膜18，在所述SiN减反膜18上开设VIA孔洞19，所述VIA孔洞19位于所述P金属电极17的上表面，所述SiN减反膜18的厚度为195nm，SiN减反膜18对于1550nm波长光线的反射率大于90％。
实施例2
如图1-6所示，本实施例介绍了上述雪崩光电探测器的一种制备方法，包括以下步骤：
步骤一，利用MOCVD或者MBE的沉积方式在n型InP衬底1上依次生长n型InP缓冲层2、n型DBR反射区域3、n型InP漂移层4、n型InGaAsP带宽过渡层一5、本征型In0.53Ga0.47As吸收层6、n型InGaAsP带宽过渡层二7、n型InP电荷层8和本征型InP盖层9。
步骤二，使用PECVD的沉积方式在所述本征型InP盖层9上表面淀积SiN薄膜一10，其厚度为100nm。
步骤三，利用光刻胶在SiN薄膜一10的表面的中心位置形成圆形扩散图形一和环绕所述圆形扩散图形一的一个或多个环形扩散图形一，利用刻蚀工艺去除所述圆形扩散图形一和环形扩散图形一内的SiN薄膜一10，使所述SiN薄膜一10下方的本征型InP盖层9露出，刻蚀完成后去除光刻胶，形成Zn扩散窗口一11。
步骤四，利用MOCVD或者炉管法在所述Zn扩散窗口一11区域进行第一次Zn扩散，在Zn扩散窗口一11的下方形成中央扩散区域一12和围绕所述中央扩散区域一12的环形扩散区域13，中央扩散区域一12和环形扩散区域13中扩散深度为1.5μm，位于所述本征型InP盖层9内，所述中央扩散区域的上表面为圆形，直径为40μm，环形扩散区域13的上表面为环形其内径为50μm，宽度为5μm。
步骤五，使用PECVD的沉积方式在所有暴露在外的上表面沉积SiN薄膜二14。
步骤六，利用光刻胶在步骤四所述的中央扩散区域一12上方的SiN薄膜二14的表面形成圆形扩散图形二，利用刻蚀工艺去除所述圆形扩散图形二内的SiN薄膜二14，使下方的中央扩散区域一12暴露出，刻蚀完成后去除光刻胶，形成Zn扩散窗口二15。
步骤七，利用MOCVD或者炉管法在所述Zn扩散窗口二15区域进行第二次Zn扩散，在Zn扩散窗口二15的下方形成中央扩散区域二16，其中，中央扩散区域二16和中央扩散区域一12的上表面为同心圆，中央扩散区域二16的直径为30μm，中央扩散区域二16的深度3.8μm，经过第二次Zn扩散，由于高温的作用，中央扩散区域一12和环形扩散区域13中扩散深度加深至2.3μm。
步骤八，利用光刻胶在中央扩散区域二16的上方的一侧形成P金属电极17图形，利用电子束蒸镀或者磁控溅射蒸镀金属并进行金属剥离，退火形成欧姆接触，形成P金属电极17。
步骤九，利用PECVD的沉积方式在所有暴露在外的上表面沉积SiN减反膜18。
步骤十，利用光刻胶在P金属电极17的上方的SiN减反膜18上形成VIA孔洞19图形，利用刻蚀的方法去除VIA孔洞19图形内的SiN减反膜18，形成VIA孔洞19，使下方的P金属电极17暴露出来，所述VIA孔洞19的上表面的面积小于P金属电极17上表面的面积，刻蚀完成后去除光刻胶。
步骤十一，在n型InP衬底1的背面进行减薄和抛光，减薄和抛光后的n型InP衬底1厚度为150μm。
步骤十二，利用电子束蒸镀或者磁控溅射的方法，所述的抛光后的n型InP衬底1的背面制备N金属电极20，并退火形成欧姆接触。
以上对本实用新型做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本实用新型的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种雪崩光电探测器结构，其特征在于，包括自下而上依次设置的N金属电极、n型InP衬底、n型InP缓冲层、n型DBR反射区域、n型InP漂移层、n型InGaAsP带宽过渡层一、本征型In0.53Ga0.47As吸收层、n型InGaAsP带宽过渡层二、n型InP电荷层、本征型InP盖层和SiN薄膜一；
在所述SiN薄膜一上开设有Zn扩散窗口一，以使SiN薄膜一下方的本征型InP盖层暴露出来，在暴露出来的本征型InP盖层的下方设置有中央扩散区域一和围绕中央扩散区域一的一个或多个环形扩散区域，所述中央扩散区域一和环形扩散区域位于所述本征型InP盖层内；
在所有暴露在外的上表面设置SiN薄膜二，在所述SiN薄膜二上开设Zn扩散窗口二，所述Zn扩散窗口二位于所述Zn扩散窗口一内，使得SiN薄膜二下方的本征型InP盖层暴露出来，在暴露出来的本征型InP盖层内设置有中央扩散区域二；
在所述Zn扩散窗口二的一侧设置P金属电极，所述P金属电极与该侧的SiN薄膜二连接，在所有暴露在外的上表面设置SiN减反膜，在所述SiN减反膜上开设VIA孔洞，所述VIA孔洞位于所述P金属电极的上表面。
2.根据权利要求1所述的雪崩光电探测器结构，其特征在于，所述SiN薄膜一的厚度大于等于100nm，所述n型InP衬底的厚度为50～200μm。
3.根据权利要求1所述的雪崩光电探测器结构，其特征在于，所述中央扩散区域一和环形扩散区域的深度为100nm～2μm。
4.根据权利要求1所述的雪崩光电探测器结构，其特征在于，所述中央扩散区域一和中央扩散区域二的上表面为同心圆，所述中央扩散区域二的半径小于中央扩散区域一的半径，二者半径相差1～20μm，中央扩散区域二的深度大于中央扩散区域一的深度，二者深度之差为100nm～2μm。
5.根据权利要求1所述的雪崩光电探测器结构，其特征在于，所述SiN减反膜对于1310nm～1700nm波长光线的反射率大于等于70％。
6.根据权利要求1所述的雪崩光电探测器结构，其特征在于，所述n型DBR反射区域由多对InP和InGaAsP组成，每对中包含一层InP和一层InGaAsP，每对中InP和InGaAsP的厚度均为1550nm波长光线在该材料内有效波长的1/4，所述InP和InGaAsP的对数大于等于10，n型DBR反射区域的对于1300～1700nm波长光线的反射率大于等于70％。
7.根据权利要求1所述的雪崩光电探测器结构，其特征在于，所述n型InP漂移层的厚度为0.1～1μm，其掺杂浓度为1×1015/cm3～2×1017/cm3。
8.根据权利要求1所述的雪崩光电探测器结构，其特征在于，本征型InP盖层的厚度大于等于2μm。
9.根据权利要求1所述的雪崩光电探测器结构，其特征在于，所述中央扩散区域一和环形扩散区域的厚度均为从本征型InP盖层的厚度减去1000nm到本征型InP盖层的厚度减去500nm，所述中央扩散区域二的厚度为从本征型InP盖层的厚度减去600nm到本征型InP盖层的厚度减去100nm。
10.根据权利要求1所述的雪崩光电探测器结构，其特征在于，每个所述环形扩散区域之间的间隔为2～10μm，最内侧环形扩散区域与所述中央扩散区域一之间间隔的距离为2～10μm。
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| GR01 | Patent grant | ||
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