CN107644921A - 一种新型雪崩二级管光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种新型雪崩二级管光电探测器，包括由下往上依次层叠的N型电极、N型重掺杂层、单晶衬底、金属多功能层、InGaAs吸收层、P型重掺杂InGaAs层和P型电极。本发明适用范围广，可以在多种衬底上实现新型雪崩二级管光电探测器(APD)的可控生长，衬底可以采用多种材料，通过更换不同的衬底可实现可见光APD和红外APD，有利于降低生产成本；单晶衬底具有非常好的晶格完整性，更容易产生晶格碰撞，激发出更多的雪崩电子，提高APD的效率；新型APD的结构更加简单，金属多功能层可以同时起到外延缓冲层、电荷控制层、反射层和降低电子进入倍增层势垒的作用，其中反射层可将吸收层没有吸收完全的光再次反射到吸收层中，提高吸收效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种雪崩光电探测器，具体涉及一种具有新型结构的雪崩二极管光电探测器及其制备方法。
背景技术
随着社会和科技的发展进步，人工智能和智能家居已经成为社会发展的主流趋势，而这些技术的发展都离不开先进的各式各样的传感器。光电探测器，作为传感器的一个至为关键的单元，受到了研究人员的广泛关注。
雪崩二极管光电探测器(APD)具有高内部增益、高量子效率、高灵敏度等优点，是目前主流的光电探测器之一。然而，目前的APD中的倍增层大多是通过外延的方法获得的，其晶体质量还需要进一步提高(通常X-ray Rocking Curve的半峰宽大于150arcsec，要远远大于提拉法制备的50arcsec)，才能达到较为理想的倍增效果。为了改善APD的器件性能，在吸收层InGaAs与InP之间往往需要***InP电荷控制层和InGaAsP过渡层。此外，为了获得较好质量的吸收层InGaAs，在InP衬底上还需要先生长一层较厚的InP缓冲层。
因此，为了获得高质量APD，简化APD的结构、提高吸收层InGaAs和倍增层的质量成为了研究人员努力方向。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明提供了一种结构简单、暗电流小的新型雪崩二级管光电探测器，其适用于传感器、智能控制、智能家居产品等领域。
本发明的另一个目的是提供上述新型雪崩二级管光电探测器的制备方法。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：一种新型雪崩二级管光电探测器，包括由下往上依次层叠的N型电极、N型重掺杂层、单晶衬底、金属多功能层、InGaAs吸收层、P型重掺杂InGaAs层和P型电极。
优选的，所述N型重掺杂层是通过对单晶衬底的背面进行离子注入掺杂实现的。
优选的，所述单晶衬底的材料是Si、InP或InAlAs。
优选的，所述金属多功能层的材料是Al、Ag、Au或Ni。
优选的，所述N型电极、N型重掺杂层、单晶衬底、金属多功能层、InGaAs吸收层、P型重掺杂InGaAs层的周向轮廓相等。
优选的，所述金属多功能层的厚度是10-200nm，InGaAs吸收层的厚度是1500-3000nm，P型重掺杂InGaAs层的厚度是150-300nm。
本发明还提供了新型雪崩二级管光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
1)采用标准清洗工艺清洗干净单晶衬底，去除衬底表面粘污颗粒和表面有机物，并使用甩干机甩干；其中，单晶衬底可以为Si、InP、InAlAs等材料；
2)采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)、分子束外延法(MBE)或金属有机化合物化学气相沉淀法(MOCVD)在单晶衬底的正面外延生长一层10-200nm厚的金属多功能层，其中外延生长温度为750-1150℃，其中金属多功能层的材料可为Al、Ag、Au、Ni等金属；
3)采用金属有机化合物化学气相沉淀法(MOCVD)在金属多功能层上外延生长一层1500-3000nm厚的InGaAs吸收层，其中外延生长温度控制为900-1200℃；
4)采用金属有机化合物化学气相沉淀法在InGaAs吸收层外延生长一层150-300nm厚的P型重掺杂InGaAs层，其中外延生长温度控制为900-1200℃；
5)采用离子注入机在单晶衬底的背面(即衬底未进行外延的面)均匀注入离子，从而在单晶衬底的背面获得N型重掺杂层，剂量为5×103/cm2-5×105/cm2，注入能量为50-150KeV，注入元素为砷、磷、锑等五价元素；离子注入后，采用瞬态高温退火，提高晶格完整性；
6)在P型重掺杂InGaAs层上蒸镀P型电极；
7)在N型重掺杂层上蒸镀N型电极；
8)裂片，封装，即可得到新型雪崩二级管光电探测器。
优选的，步骤4)中，外延生长一层P型重掺杂InGaAs层时，掺杂的元素为B或Si。
优选的，所述金属多功能层的厚度是10-200nm，InGaAs吸收层的厚度是1500-3000nm，P型重掺杂InGaAs层的厚度是150-300nm。
本发明还提供的新型雪崩二级管光电探测器，其可以在在传感器、智能控制产品和智能家居产品等产品领域中。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明适用范围广，可以在多种衬底上实现新型雪崩二级管光电探测器(APD)的可控生长，衬底可以采用多种材料，包括Si、InP、InAlAs等，通过更换不同的衬底可实现可见光APD和红外APD，有利于降低生产成本；
(2)单晶衬底具有非常好的晶格完整性，更容易产生晶格碰撞，激发出更多的雪崩电子，提高APD的效率；
(3)新型APD的结构更加简单，金属多功能层可以同时起到外延缓冲层、电荷控制层、反射层和降低电子进入倍增层势垒的作用，其中反射层可将吸收层没有吸收完全的光再次反射到吸收层中，提高吸收效率；当衬底是Si单晶衬底，金属多功能层为Al时，二者之间的界面处会形成1-2nm AlSi层，能够显著降低电子进入倍增层的势垒。
附图说明
图1是本发明新型雪崩二级管光电探测器(APD)的截面示意图。
其中，图中各个标记所对应的名称分别为：11-N型电极，12-N型重掺杂层，13-单晶衬底，14-金属多功能层，15-InGaAs吸收层，16-P型重掺杂InGaAs层，17-P型电极。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
参照图1，新型雪崩二级管光电探测器包括由下往上依次层叠的N型电极11、N型重掺杂层12、单晶衬底13、金属多功能层14、InGaAs吸收层15、P型重掺杂InGaAs层16和P型电极17。
N型重掺杂层12是通过对单晶衬底13的背面进行离子注入掺杂来实现的，单晶衬底13的材料是Si、InP或InAlAs，金属多功能层14的材料是Al、Ag、Au或Ni。
N型电极11、N型重掺杂层12、单晶衬底13、金属多功能层14、InGaAs吸收层15、P型重掺杂InGaAs层16的周向轮廓相等。其中，金属多功能层14的厚度是10-200nm，InGaAs吸收层15的厚度是1500-3000nm，P型重掺杂InGaAs层的厚度16是150-300nm。
新型雪崩二级管光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
1)清洗单晶衬底13，去除单晶衬底13表面粘污颗粒和表面有机物，并使用甩干机甩干；
2)采用等离子体增强化学气相沉积法、分子束外延法或金属有机化合物化学气相沉淀法在单晶衬底13的正面外延生长一层10-200nm厚的金属多功能层14，其中外延生长温度为750-1150℃；
3)采用金属有机化合物化学气相沉淀法在金属多功能层14上外延生长一层1500-3000nm厚的InGaAs吸收层15，其中外延生长温度控制为900-1200℃；
4)采用金属有机化合物化学气相沉淀法在InGaAs吸收层15上外延生长一层150-300nm厚的P型重掺杂InGaAs层16，其中外延生长温度控制为900-1200℃；
5)采用离子注入机在单晶衬底13的背面均匀注入离子，从而在单晶衬底13的背面获得N型重掺杂层12，剂量为5×103/cm2-5×105/cm2，注入能量为50-150KeV，注入元素为砷、磷、锑等五价元素；离子注入后，采用瞬态高温退火，提高晶格完整性；
6)在P型重掺杂InGaAs层16上蒸镀P型电极17；
7)在N型重掺杂层12上蒸镀N型电极11；
8)裂片，封装，即可得到新型雪崩二级管光电探测器。
实施例1
新型雪崩二级管光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
1)采用标准清洗工艺清洗干净Si单晶衬底，去除衬底表面粘污颗粒和表面有机物，并使用甩干机甩干；
2)采用MOCVD在Si单晶衬底的正面外延生长一层20nm厚的金属Al多功能层，外延生长温度为750℃；
3)采用MOCVD在金属Al多功能层上外延生长一层2000nm的InGaAs吸收层，生长温度控制在1050℃；
4)采用MOCVD在InGaAs吸收层上外延生长一层300nm的P型重掺杂InGaAs，生长温度控制在1050℃，掺杂元素为Si；
5)采用离子注入机在单晶衬底的背面，即衬底未进行外延的面，均匀注入离子，从而在单晶衬底的背面获得N型重掺杂层，剂量为9×103/cm2，注入能量为100KeV，注入元素为磷；离子注入后，采用瞬态高温退火，提高晶格完整性；
6)在P型重掺杂InGaAs层上蒸镀P型电极；
7)在N型重掺杂层上蒸镀N型电极；
8)裂片，封装，即可得到可见光波段的新型雪崩二级管光电探测器。
结合图1，本实施例制备的新型APD包括由下往上依次层叠的N电极11、N型重掺杂层12、单晶衬底13(Si单晶衬底)、金属多功能层14(Al多功能层)、InGaAs吸收层15、P型重掺杂InGaAs 16和P型电极17。所制备得到的新型APD的雪崩电压处暗电流为0.3nA，可将该新型雪崩二级管光电探测器应用于传感器、智能控制产品和智能家居产品中。
实施例2
新型雪崩二级管光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
1)采用标准清洗工艺清洗干净InP单晶衬底，去除衬底表面粘污颗粒和表面有机物，并使用甩干机甩干；
2)采用MOCVD在InP单晶衬底的正面外延生长一层20nm厚的金属Au多功能层，外延生长温度为750℃；
3)采用MOCVD在金属Au多功能层上外延生长一层2000nm的InGaAs吸收层，生长温度控制在1050℃；
4)采用MOCVD在InGaAs吸收层上外延生长一层300nm的P型重掺杂InGaAs，生长温度控制在1050℃，掺杂元素为Si；
5)采用离子注入机在单晶衬底的背面，即衬底未进行外延的面，均匀注入离子，从而在单晶衬底的背面获得N型重掺杂层，剂量为9×103/cm2，注入能量为100KeV，注入元素为磷；离子注入后，采用瞬态高温退火，提高晶格完整性；
6)在P型重掺杂InGaAs层上蒸镀P型电极；
7)在N型重掺杂层上蒸镀N型电极；
8)裂片，封装，即可得到红外光波段的新型雪崩二级管光电探测器。
结合图1，本实施例制备的新型APD包括由下往上依次层叠的N电极11、N型重掺杂层12、单晶衬底13(InP单晶衬底)、金属多功能层14(Au多功能层)、InGaAs吸收层15、P型重掺杂InGaAs 16和P型电极17。所制备得到的新型APD的雪崩电压处暗电流为0.3nA，可将该新型雪崩二级管光电探测器应用于传感器、智能控制产品和智能家居产品中。
实施例3
新型雪崩二级管光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
1)采用标准清洗工艺清洗干净InAlAs单晶衬底，去除衬底表面粘污颗粒和表面有机物，并使用甩干机甩干；
2)采用PECVD在InAlAs单晶衬底的正面外延生长一层50nm厚的金属Ag多功能层，外延生长温度为1000℃；
3)采用MOCVD在金属Ag多功能层上外延生长一层1500nm的InGaAs吸收层，生长温度控制在1000℃；
4)采用MOCVD在InGaAs吸收层上外延生长一层200nm的P型重掺杂InGaAs，生长温度控制在900℃，掺杂元素为B；
5)采用离子注入机在单晶衬底的背面，即衬底未进行外延的面，均匀注入离子，从而在单晶衬底的背面获得N型重掺杂层，剂量为1×104/cm2，注入能量为120KeV，注入元素为磷；离子注入后，采用瞬态高温退火，提高晶格完整性；
6)在P型重掺杂InGaAs层上蒸镀P型电极；
7)在N型重掺杂层上蒸镀N型电极；
8)裂片，封装，即可得到850nm、980nm、1130nm波段的新型雪崩二级管光电探测器。
结合图1，本实施例制备的新型APD包括由下往上依次层叠的N电极11、N型重掺杂层12、单晶衬底13(InAlAs单晶衬底)、金属多功能层14(Ag多功能层)、InGaAs吸收层15、P型重掺杂InGaAs 16和P型电极17。所制备得到的新型APD的雪崩电压处暗电流为0.25nA，可将该新型雪崩二级管光电探测器应用于传感器、智能控制产品和智能家居产品中。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种新型雪崩二级管光电探测器，其特征在于，包括由下往上依次层叠的N型电极、N型重掺杂层、单晶衬底、金属多功能层、InGaAs吸收层、P型重掺杂InGaAs层和P型电极。
2.根据权利要求1所述的新型雪崩二级管光电探测器，其特征在于，所述N型重掺杂层是通过对单晶衬底的背面进行离子注入掺杂实现的。
3.根据权利要求1所述的新型雪崩二级管光电探测器，其特征在于，所述单晶衬底的材料是Si、InP或InAlAs。
4.根据权利要求1所述的新型雪崩二级管光电探测器，其特征在于，所述金属多功能层的材料是Al、Ag、Au或Ni。
5.根据权利要求1所述的新型雪崩二级管光电探测器，其特征在于，所述N型电极、N型重掺杂层、单晶衬底、金属多功能层、InGaAs吸收层、P型重掺杂InGaAs层的周向轮廓相等。
6.根据权利要求1所述的新型雪崩二级管光电探测器，其特征在于，所述金属多功能层的厚度是10-200nm，InGaAs吸收层的厚度是1500-3000nm，P型重掺杂InGaAs层的厚度是150-300nm。
7.权利要求1-6中任一项所述的新型雪崩二级管光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)清洗单晶衬底，去除单晶衬底表面粘污颗粒和表面有机物，并使用甩干机甩干；
2)采用等离子体增强化学气相沉积法、分子束外延法或金属有机化合物化学气相沉淀法在单晶衬底的正面外延生长一层金属多功能层，其中外延生长温度为750-1150℃；
3)采用金属有机化合物化学气相沉淀法在金属多功能层上外延生长一层InGaAs吸收层，其中外延生长温度控制为900-1200℃；
4)采用金属有机化合物化学气相沉淀法在InGaAs吸收层上外延生长一层P型重掺杂InGaAs层，其中外延生长温度控制为900-1200℃；
5)采用离子注入机在单晶衬底的背面均匀注入离子，从而在单晶衬底的背面获得N型重掺杂层，剂量为5×103/cm2-5×105/cm2，注入能量为50-150KeV，注入元素为砷、磷、锑等五价元素；离子注入后，采用瞬态高温退火，提高晶格完整性；
6)在P型重掺杂InGaAs层上蒸镀P型电极；
7)在N型重掺杂层上蒸镀N型电极；
8)裂片，封装，即可得到新型雪崩二级管光电探测器。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中，外延生长一层P型重掺杂InGaAs层时，掺杂的元素为B或Si。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述金属多功能层的厚度是10-200nm，InGaAs吸收层的厚度是1500-3000nm，P型重掺杂InGaAs层的厚度是150-300nm。
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