CN220753451U - 响应850nm波段的单行载流子光探测器芯片 - Google Patents
响应850nm波段的单行载流子光探测器芯片 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型实施例公开了一种响应850nm波段的单行载流子光探测器芯片，该响应850nm波段的单行载流子光探测器芯片包括：衬底、外延层、电极以及绝缘层，所述衬底对850nm波段光透明。本实用新型采用对850nm波段光透明的衬底，可以采用光背面入射的方式，这样就不存在正面电极阻碍光的入射到光敏面的问题，不仅彻底解决了电接触和光吸收之间的相互矛盾，而且电极还可以作为高反射镜，在光生载流子渡越时间不变的情况下，显著增加了光吸收的等效光程。
Description
技术领域
本实用新型涉及半导体光电子器件技术领域，具体而言，涉及一种响应850nm波段的单行载流子光探测器芯片。
背景技术
数据中心等短距离光通信需要850nm波段的高速、高响应度、低偏压工作的光探测器。传统的850nm波段普遍采用p-i-n光探测器(pin-PD)，需要外加电场同时引出光生电子和光生空穴两种光生载流子。光生空穴有效质量较大，为了实现高速运行，通常需要加一定的偏置电压来加速载流子输运。为了降低功耗并简化接收端的系统复杂度，需要光探测器在低偏置电压甚至零偏置电压工作。单行载流子光探测器(UTC-PD)，光生空穴可以在电介质弛豫时间内作为多数载流子快速响应，无需电场加速。而光生电子有效质量较小，输运较快，有望实现低偏置电压甚至零偏置电压工作。
现有的850nm波段UTC-PD普遍以GaAs为衬底、以GaAs外延层为光吸收层、以AlGaAs外延层为光生电子收集层。由于GaAs衬底本身对850nm的光具有强烈的吸收，只能采用正面入射的方式，而正面电极阻碍光的入射到光敏面，从而存在电接触和光吸收之间的相互矛盾。
实用新型内容
本实用新型为了解决目前的850nm波段UTC-PD存在电接触和光吸收之间的相互矛盾的问题，提出了一种响应850nm波段的单行载流子光探测器芯片，所述芯片包括：衬底、外延层、电极以及绝缘层，所述衬底对850nm波段光透明。
可选的，所述衬底采用AlAs以及AlGaAs中的至少一种。
可选的，所述外延层包括：缓冲层、第一欧姆接触层、电子收集层、光吸收层以及第二欧姆接触层，所述光吸收层采用与所述衬底晶格匹配并且吸收系数大于GaAs的半导体材料。
可选的，所述光吸收层采用四元化合物半导体。
可选的，所述四元化合物半导体采用AlGaInAs半导体以及GaInAsP半导体中的至少一种。
可选的，所述芯片采用多台面结构。
可选的，所述芯片的侧壁钝化层含有化合物半导体。
可选的，所述化合物半导体采用GaAs、GaInAs以及GaInAsP中的至少一种。
可选的，所述芯片从所述衬底的背面接收光。
可选的，所述电极兼做光的高反射层。
本实用新型的有益效果为：
本实用新型采用对850nm光透明的衬底，可以采用光背面入射的方式，这样就不存在正面电极阻碍光的入射到光敏面的问题，不仅彻底解决了电接触和光吸收之间的相互矛盾，而且电极还可以作为高反射镜，在光生载流子渡越时间不变的情况下，显著增加了光吸收的等效光程。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1是本实用新型实施例UTC-PD芯片的第一结构示意图；
图2是本实用新型实施例UTC-PD芯片的第二结构示意图。
标号说明：1、衬底；2、缓冲层；3、n欧姆接触层；4、电子收集层；5、非掺杂吸收层；6、p吸收层；7、电子势垒层；8、p欧姆接触层；9、p电极；10、n电极；11、减反层。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
本实用新型提供了一种响应850nm波段的单行载流子光探测器(UTC-PD)芯片，包括：衬底、外延层、电极、绝缘层，所述的衬底采用对850nm波段光透明的衬底。
在本实用新型一个实施例中，所述衬底可采用AlAs或者AlGaAs衬底，也可以采用由AlAs和AlGaAs组合而成的衬底。
如图1和图2所示，本实用新型UTC-PD芯片从衬底1背面接收光，电极(p电极9和n电极10)设置在本实用新型UTC-PD芯片的正面，这样就不存在正面电极阻碍光的入射到光敏面的问题，不仅彻底解决了电接触和光吸收之间的相互矛盾，所述的UTC-PD芯片的电极可以兼做光的高反射层，在光生载流子渡越时间不变的情况下，显著增加了光吸收的等效光程。
如图1和图2所示，p电极9设置在p欧姆接触层8上，n电极10设置在n欧姆接触层3上。
在本实用新型一个实施例中，所述的外延层包括：缓冲层、第一欧姆接触层、电子收集层、光吸收层、第二欧姆接触层。所述光吸收层采用与所述衬底晶格匹配并且吸收系数大于GaAs的半导体材料。
如图1和图2所示，第一欧姆接触层具体为n欧姆接触层3，光吸收层具体为非掺杂吸收层5和p吸收层6，第二欧姆接触层具体为p欧姆接触层8。
在本实用新型一个实施例中，所述的外延层中的光吸收层采用四元化合物半导体。
现有技术为了与GaAs衬底晶格匹配，普遍采用GaAs外延层作为光吸收层，GaAs对850nm光的吸收系数受限。为了实现足够高的响应度，要求GaAs光吸收层足够厚；为了足够高的频率响应速度，需要光生电子输运时间足够短，又要求GaAs光吸收层足够薄；响应度和带宽的矛盾凸显。本实用新型采用四元化合物半导体的外延层，增加了UTC-PD光吸收层的设计自由度，可以设计出与衬底晶格匹配、吸收系数大于GaAs的光吸收层。
在本实用新型一个实施例中，四元化合物半导体具体可以采用AlGaInAs半导体或GaInAsP半导体，也可以采用AlGaInAs半导体和GaInAsP半导体的组合体。
在本实用新型一个实施例中，所述的芯片采用多台面结构。
在本实用新型一个实施例中，所述的芯片侧壁钝化层含有再次外延生长的化合物半导体。
在本实用新型一个实施例中，所述的芯片侧壁钝化层含有的化合物半导体为GaInAs或者GaInAsP，所述的化合物半导体也可以为GaInAs和GaInAsP的组合。
如图1和2所示。在本实用新型一个实施例中，在衬底1的下面还设置有减反层11。
本实用新型采用对850nm光透明化合物半导体，如AlAs、AlGaAs作为衬底，可以采用光背面入射的方式，这样UTC-PD的电极全部位于正面，不仅彻底解决了电接触和光吸收之间的相互矛盾，而且电极还可以作为高反射镜，在光生载流子渡越时间不变的情况下，显著增加了光吸收的等效光程。本实用新型还采用四元化合物半导体外延层，如AlGaInAs、GaInAsP，作为光吸收层。四元化合物半导体外延层，增加了UTC-PD光吸收层的设计自由度，可以设计出与衬底晶格匹配、吸收系数大于GaAs的光吸收层。本实用新型的850nm波段的UTC-PD芯片，可以在光生载流子渡越时间不变的情况下，大大增加了对光的吸收；或者在光吸收不变的情况下，大大减少光生载流子的渡越时间，从而大大缓解了850nm UTC-PD响应度和带宽的矛盾。
实施例1
用于850nm波段光的AlGaInAs光吸收层-AlAs衬底的UTC-PD芯片
本实施例使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)在半绝缘AlAs衬底1上外延生长。AlAs衬底对850nm波段光透明，因此可以采用光背面入射的方式。依次外延生长AlAs→AlGaInAs缓冲层2、n型AlGaInAs欧姆接触层3、非故意掺杂AlGaInAs电子收集层4、非故意掺杂AlGaInAs吸收层5、p型AlGaInAs吸收层6、p型AlGaInAs电子势垒层7、p型GaInAs欧姆接触层8。
在本实施例中，本实用新型通过调整n型AlGaInAs欧姆接触层3、非故意掺杂AlGaInAs电子收集层4和p型AlGaInAs电子势垒层7的Al、Ga和In的合金组分x、y、1-x-y，其中0<x<1，0<y<1，0<x+y<1，使得这些层与AlAs衬底1晶格匹配且对850nm波段的光透明。非故意掺杂AlGaInAs吸收层5和p型AlGaInAs吸收层6为光吸收层，本实用新型通过调整非故意掺杂AlGaInAs吸收层5和p型AlGaInAs吸收层6的Al、Ga和In的合金组分x、y、1-x-y，其中0<x<1，0<y<1，0<x+y<1，使得这些层与AlAs衬底1晶格匹配且对850nm波段的光的吸收系数高于GaAs。
制作双台面平面化电极的UTC-PD芯片。
化学气相沉积(CVD)SiO2薄膜。光刻，反应离子刻蚀(RIE)形成p台面掩膜图案。通过电感应耦合等离子体刻蚀形成第一个台面结构，停止在n+掺杂的AlGaInAs接触层。缓冲氢氟酸去除残余的SiO2掩膜。光刻，在第一个台面的GaInAs表面露出p型电极图案。磁控溅射Ag、Au，超声剥离形成p电极图案。Ag对于850nm的入射光具有高反射率，可以大大增加对光吸收的等效厚度。
CVD沉积SiO2薄膜。光刻，RIE刻蚀形成n台面掩膜图案。通过化学溶液刻蚀形成第二个台面结构，停止在半绝缘AlAs衬底，从而提供器件之间的隔离。光刻，在第二个台面的n+掺杂的AlGaInAs接触层表面露出n型电极图案。磁控溅射Ni、Au和SiO2，超声剥离形成n电极图案。
二次外延非掺杂的GaInAs层，对刻蚀台面侧壁进行钝化，以减少UTC-PD漏电流。旋转涂覆BCB形成近平面化的绝缘层，光刻去除p电极和n电极顶部的BCB，刻蚀去除p、n电极上方的GaInAs层。
光刻，在表面露出共面波导(CPW)电极的图案，磁控溅射Ag、Au，超声剥离形成CPW电极。通过快速热退火工艺形成良好的欧姆接触。
衬底减薄抛光，衬底背面沉积厚度为四分之一波长的氮化硅(SiNx)薄膜作为抗反射(AR)涂层。
划裂衬底，形成UTC-PD芯片。
由此可见，本实施例提供的UTC-PD芯片具体包括由下至上依次设置的：AlAs衬底1、AlGaInAs缓冲层2、n型AlGaInAs欧姆接触层3、非故意掺杂AlGaInAs电子收集层4、非故意掺杂AlGaInAs吸收层5、p型AlGaInAs吸收层6、p型AlGaInAs电子势垒层7、p型GaInAs欧姆接触层8。AlAs衬底1对850nm波段的光透明。n型AlGaInAs欧姆接触层3、非故意掺杂AlGaInAs电子收集层4和p型AlGaInAs电子势垒层7与AlAs衬底1晶格匹配且对850nm波段的光透明。非故意掺杂AlGaInAs吸收层5和p型AlGaInAs吸收层6与AlAs衬底1晶格匹配且对850nm波段的光的吸收系数高于GaAs。
实施例2
用于850nm波段光的GaInAsP光吸收层-AlGaAs衬底的UTC-PD芯片
本实施例使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)在半绝缘AlxGa1-xAs(0.1<x<1)衬底上外延生长。该AlxGa1-xAs衬底1对850nm光透明，因此可以采用光背面入射的方式。依次外延生长AlGaAs缓冲层2、n型AlGaAs欧姆接触层3、非故意掺杂AlGaAs电子收集层4、非故意掺杂GaInAsP吸收层5、p型GaInAs吸收层6、p型GaInAsP电子势垒层7、p型GaInAs欧姆接触层8。
在本实施例中，本实用新型通过调整n型AlGaAs欧姆接触层3、非故意掺杂AlGaAs电子收集层4和p型GaInAsP电子势垒层7的Al、Ga和In的合金组分x、y、1-x-y，其中0<x<1，0<y<1，0<x+y<1，使得这些层与AlGaAs衬底1晶格匹配且对850nm波段的光透明。非故意掺杂GaInAsP吸收层5和p型GaInAsP吸收层6为光吸收层，本实用新型通过调整非故意掺杂GaInAsP吸收层5、p型GaInAsP吸收层6的Ga、In和As、P的合金组分x、1-x和y、1-y，其中0<x<1，0<y<1，使得这些层与AlGaAs衬底1晶格匹配且对850nm波段的光的吸收系数高于GaAs。
化学气相沉积(CVD)SiO2薄膜。光刻，反应离子刻蚀(RIE)形成p台面掩膜图案。通过电感应耦合等离子体刻蚀形成第一个台面结构，停止在n+掺杂的AlGaAs接触层。缓冲氢氟酸去除残余的SiO2掩膜。光刻，在第一个台面的GaInAs表面露出p型电极图案。磁控溅射Ag、Au，超声剥离形成p电极图案。Ag对于850nm的入射光具有高反射率，可以大大增加对光吸收的等效厚度。
CVD沉积SiO2薄膜。光刻，RIE刻蚀形成n台面掩膜图案。通过化学溶液刻蚀形成第二个台面结构，停止在半绝缘AlGaAs衬底，从而提供器件之间的隔离。光刻，在第二个台面的n+掺杂的AlGaAs接触层表面露出n型电极图案。磁控溅射Ni、Au和SiO2，超声剥离形成n电极图案。
二次外延非掺杂的GaInAs层，对刻蚀台面侧壁进行钝化，以减少UTC-PD漏电流。旋转涂覆BCB形成近平面化的绝缘层，光刻去除p电极和n电极顶部的BCB，刻蚀去除p、n电极上方的GaInAs层。
光刻，在表面露出共面波导(CPW)电极的图案，磁控溅射Ag、Au，超声剥离形成CPW电极。通过快速热退火工艺形成良好的欧姆接触。
衬底减薄抛光，衬底背面沉积厚度为四分之一波长的氮化硅(SiNx)薄膜作为抗反射(AR)涂层。
划裂衬底，形成UTC-PD芯片。
由此可见，本实施例提供的UTC-PD芯片具体包括由下至上依次设置的：AlGaAs衬底1、AlGaAs缓冲层2、n型AlGaAs欧姆接触层3、非故意掺杂AlGaAs电子收集层4、非故意掺杂GaInAsP吸收层5、p型GaInAs吸收层6、p型GaInAsP电子势垒层7、p型GaInAs欧姆接触层8。AlGaAs衬底1对850nm波段的光透明。n型AlGaAs欧姆接触层3、非故意掺杂AlGaAs电子收集层4和p型GaInAsP电子势垒层7与AlGaAs衬底1晶格匹配且对850nm波段的光透明。非故意掺杂GaInAsP吸收层5和p型GaInAsP吸收层6与AlGaAs衬底1晶格匹配且对850nm波段的光的吸收系数高于GaAs。
由以上实施例可以看出，本实用新型彻底解决了850nm波段UTC-PD电接触和光吸收之间的相互矛盾，显著增加了光吸收的等效光程，增加了UTC-PD光吸收层的设计自由度，大大缓解了850nm UTC-PD响应度和带宽的矛盾。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种响应850nm波段的单行载流子光探测器芯片，包括：衬底、外延层、电极以及绝缘层，其特征在于，所述衬底对850nm波段光透明，所述外延层包括：缓冲层、第一欧姆接触层、电子收集层、光吸收层以及第二欧姆接触层。
2.根据权利要求1所述的响应850nm波段的单行载流子光探测器芯片，其特征在于，所述衬底采用AlAs以及AlGaAs中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的响应850nm波段的单行载流子光探测器芯片，其特征在于，所述光吸收层采用与所述衬底晶格匹配并且吸收系数大于GaAs的半导体材料。
4.根据权利要求3所述的响应850nm波段的单行载流子光探测器芯片，其特征在于，所述光吸收层采用四元化合物半导体。
5.根据权利要求4所述的响应850nm波段的单行载流子光探测器芯片，其特征在于，所述四元化合物半导体采用AlGaInAs半导体以及GaInAsP半导体中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的响应850nm波段的单行载流子光探测器芯片，其特征在于，所述芯片采用多台面结构。
7.根据权利要求1所述的响应850nm波段的单行载流子光探测器芯片，其特征在于，所述芯片的侧壁钝化层含有化合物半导体。
8.根据权利要求7所述的响应850nm波段的单行载流子光探测器芯片，其特征在于，所述化合物半导体采用GaAs、GaInAs以及GaInAsP中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的响应850nm波段的单行载流子光探测器芯片，其特征在于，所述芯片从所述衬底的背面接收光。
10.根据权利要求1所述的响应850nm波段的单行载流子光探测器芯片，其特征在于，所述电极兼做光的高反射层。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |