CN112259617A - 一种850nm波段高响应度探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体光电子器件技术领域，尤其涉及一种850nm波段高响应度探测器，其不同之处在于：其包括位于探测器最底端的n型衬底，所述n型衬底上由下至上依次包括氧化铝层、n型接触层、n型DBR层、下限制层、吸收层、上限制层、p型接触层和增透膜层，还包括n型电极层和p型电极层，所述n型电极层位于所述n型接触层上且位于所述n型DBR层的一侧，所述p型电极层位于p型接触层上且位于所述增透膜层的一侧。本发明提高响应速率，有助于抗辐照低暗电流高响应度探测器的实现。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件技术领域，尤其涉及一种850nm波段高响应度探测器。
背景技术
半导体光电探测器由于体积小、灵敏度商、响应速度快、易于集成，是最理想的光电探测器，典型的包括PIN光电二极管、雪崩二极管以及硅光电倍增管。在光纤通信，传感***、高能物理、核医学等领域广泛应用。
PIN光电二极管是一个在pn二极管之间加入一个轻掺杂的本征区的探测器。跨越两端的内部电场随着离二极管表面距离的变化而变化。PIN光电二极管在本征区中的电场很强，当一个光子在这一区域被吸收时，光子能量转换给新的载流子(电子和空穴对)，这些新产生的载流子根据自身极性，在电场作用下，向不同方向漂移(电子朝向n区、空穴朝向P区)。如果外部电路再进行相连，此时就有光电流产生。由于PIN光电二极管有很宽的本征区域，因此有了一个较长的光波吸收区域和较快的时间响应。它有很多应用，如衰减器、射频交换机和光纤***中的探测器。其噪声主要是暗电流和光的离散光子产生的散粒噪声。PIN光电二极管具有很好的光电特性，结构简单，易于生产加工，具有较小的暗电流。PIN光电二极管长期工作稳定，而且只需加载较低的偏置电压。
通常的850nm波段的光探测器一般用硅探测器，但是硅探测器响应率不高。而常规光源材料都是III-V族材料系，二者难于单片集成，限制了大规模光电子集成的高集成度发展。硅材料的抗辐照能力也不如GaAs材料。5G的发展促进了GaAs基高速大功率电子器件的发展，加大了GaAs材料在未来光电子集成的应用领域。对于空间光通信以及激光电池等应用而言，GaAs基探测器非常适合，但GaAs半绝缘衬底的缺陷密度很高，达到10000个/cm2，比N型衬底至少高一个数量级，所以利用GaAs半绝缘衬底会导致探测器缺陷多，更不适合做探测器阵列，存在暗电流过大、响应不均匀、成品率低等一系列问题。而直接利用N型衬底，虽然缺陷低，但是其导电性有严重寄生效应，影响探测速度。
鉴于此，为克服上述技术缺陷，提供一种850nm波段高响应度探测器成为本领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种850nm波段高响应度探测器，提高响应速率，有助于抗辐照低暗电流高响应度探测器的实现。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：一种850nm波段高响应度探测器，其不同之处在于：其包括位于探测器最底端的n型衬底，所述n型衬底上由下至上依次包括氧化铝层、n型接触层、n型DBR层、下限制层、吸收层、上限制层、p型接触层和增透膜层，还包括n型电极层和p型电极层，所述n型电极层位于所述n型接触层上且位于所述n型DBR层的一侧，所述p型电极层位于p型接触层上且位于所述增透膜层的一侧。
按以上技术方案，所述n型衬底为超低缺陷密度的GaAs材料，厚度为80-150μm。
按以上技术方案，所述氧化铝层中Al含量大于98％，厚度为10-40nm。
按以上技术方案，所述n型接触层的n型掺杂浓度大于1x 1018/cm3，厚度为30-100nm。
按以上技术方案，所述n型DBR层为若干个高/低铝组份AlGaAs薄膜对，每个薄膜对分别由850/4nm光学厚度高铝AlGaAs和850/4nm光学厚度低铝AlGaAs构成，n型掺杂浓度为5x 1017/cm3至1x 1018/cm3。
按以上技术方案，所述高铝AlGaAs为Al0.7GaAs，低铝AlGaAs为Al0.1GaAs，所述薄膜对的总对数为10-20对。
按以上技术方案，所述下限制层为i型AlGaAs材料，Al组份为0.2-0.5，厚度为100-300nm；所述吸收层为i型GaAs材料，厚度大于1μm；所述上限制层为i型AlGaAs材料，Al组份为0.2-0.5，厚度为100-300nm。
按以上技术方案，所述p型接触层为p型渐变掺杂材料，总厚度为110nm；下部为AlGaAs渐变层，由AlGaAs材料由下至上渐变降低Al组份直至上部的GaAs接触面，最高Al组份含量为0.3，渐变降低至0.2，厚度为100nm，p型掺杂浓度由2x 1017/cm3至1x 1018/cm3；GaAs接触面的厚度为10nm，P型掺杂浓度为1x 1019/cm3。
按以上技术方案，所述增透膜层为双层混合结构，包括下部的氧化钛层及上部的氧化硅层，二者光学厚度和为850nm的四分之一。
按以上技术方案，所述n型电极层为AuGeNi/Au材料，总厚度为300-500nm；所述p型电极层为TiAu双金属层，总厚度为400-500nm。
由上述方案，本发明公开了一种850nm波段高响应度探测器，本发明通过新设计来降低850nm波段GaAs基光探测器衬底的寄生电容，通过在N型衬底上引入氧化铝层，利用湿氧工艺，制造一层绝缘层，配合其他各层的结构，可实现降低寄生电容，提高响应速率的效果。适用于中短距离高速光通信，有助于抗辐照低暗电流高响应度探测器的实现，本发明可应用于光通信、抗辐照探测、太空传能、光子集成及激光电池领域。
附图说明
图1为本发明实施例激光器的整体结构示意图；
图2为本发明实施例的外延材料结构图；
其中：10－n型衬底，20－氧化铝层，30－n型接触层，40－n型电极层，50－n型DBR层，60－下限制层，70－吸收层，80－上限制层，90－p型接触层，100-p型电极层，110－增透膜层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在下文中，将参考附图来更好地理解本发明的许多方面。附图中的部件未必按照比例绘制。替代地，重点在于清楚地说明本发明的部件。此外，在附图中的若干视图中，相同的附图标记指示相对应零件。
如本文所用的词语“示例性”或“说明性”表示用作示例、例子或说明。在本文中描述为“示例性”或“说明性”的任何实施方式未必理解为相对于其它实施方式是优选的或有利的。下文所描述的所有实施方式是示例性实施方式，提供这些示例性实施方式是为了使得本领域技术人员做出和使用本公开的实施例并且预期并不限制本公开的范围，本公开的范围由权利要求限定。在其它实施方式中，详细地描述了熟知的特征和方法以便不混淆本发明。出于本文描述的目的，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”和其衍生词将与如图1定向的发明有关。而且，并无意图受到前文的技术领域、背景技术、发明内容或下文的详细描述中给出的任何明示或暗示的理论限制。还应了解在附图中示出和在下文的说明书中描述的具体装置和过程是在所附权利要求中限定的发明构思的简单示例性实施例。因此，与本文所公开的实施例相关的具体尺寸和其他物理特征不应被理解为限制性的，除非权利要求书另作明确地陈述。
请参考图1和图2，本发明一种850nm波段高响应度探测器，其不同之处在于：其包括位于探测器最底端的n型衬底10，所述n型衬底10上由下至上依次包括氧化铝层20、n型接触层30、n型DBR层50、下限制层60、吸收层70、上限制层80、p型接触层90和增透膜层110，还包括n型电极层40和p型电极层100，所述n型电极层40位于所述n型接触层30上且位于所述n型DBR层50的一侧，所述p型电极层100位于p型接触层90上且位于所述增透膜层110的一侧。n型接触层30上左端为n型电极层40，右端为n型DBR层50。p型接触层90上左端为p型电极层100，右端为增透膜层110。
具体的，所述n型衬底10为一种超低缺陷密度的GaAs材料，厚度为80-150μm。n型材料GaAs较p型和半绝缘GaAs缺陷密度可降低1个数量级以上。
具体的，所述氧化铝层20中Al含量大于98％，厚度为10-40nm。该层材料不是在n型衬底10上直接生长出来的，而是在器件工艺阶段利用在n型衬底10上生长AlAs或AlGaAs高含铝材料，通过侧面湿氧工艺而形成的，其中III族元素中Al含量大于98％。
具体的，所述n型接触层30的n型掺杂浓度大于1x 1018/cm3，厚度为30-100nm。是利用MOCVD或者MBE设备在外延阶段，于上述n型衬底10上的AlAs或AlGaAs高含铝材料生长出来的。
优选的，所述n型DBR层50为若干个高/低铝组份AlGaAs薄膜对，每个薄膜对分别由850/4nm光学厚度高铝AlGaAs和850/4nm光学厚度低铝AlGaAs构成，n型掺杂浓度为5x1017/cm3至1x 1018/cm3。n型DBR层50位于n型接触层30之上右侧。
优选的，所述高铝AlGaAs为Al0.7GaAs，低铝AlGaAs为Al0.1GaAs，所述薄膜对的总对数为10-20对。
具体的，所述下限制层60为i型AlGaAs材料，为非故意掺杂材料，Al组份为0.2-0.5，厚度为100-300nm；所述吸收层70为i型GaAs材料，为非故意掺杂材料，厚度大于1μm；所述上限制层80为i型AlGaAs材料，为非故意掺杂材料，Al组份为0.2-0.5，厚度为100-300nm。
具体的，所述p型接触层90为p型渐变掺杂材料，总厚度为110nm；下部为AlGaAs渐变层，由AlGaAs材料由下至上渐变降低Al组份直至上部的GaAs接触面，最高Al组份含量为0.3，渐变降低至0.2，厚度为100nm，p型掺杂浓度由2x 1017/cm3至1x 1018/cm3；GaAs接触面的厚度为10nm，P型掺杂浓度为1x 1019/cm3。
优选的，所述增透膜层110为双层混合结构，包括下部的氧化钛层及上部的氧化硅层，二者光学厚度和为850nm的四分之一。位于p型接触层90上方右侧。
优选的，所述n型电极层40为AuGeNi/Au材料，总厚度为300-500nm，位于n型接触层30之上左侧；所述p型电极层100为TiAu双金属层，总厚度为400-500nm，位于p型接触层90上方左侧。
本发明实施例中，利用图2所示的外延材料制作所述850nm波段高响应度探测器的主要步骤如下：
步骤一、在如图1所述的外延材料上，光刻出隔离槽图形，并刻蚀外延层过氧化铝层20，至n型衬底10。
步骤二、湿氧氧化。横向氧化所述氧化铝层20至整个横向贯穿。此时氧化铝层20变成绝缘的氧化铝，折射率在1.75左右，对电流有限制作用，并使器件与n型衬底10隔离。
步骤三、生长绝缘层，并腐蚀出上电极窗口。
步骤四、光刻及金属剥离形成N型电极。
步骤五、光刻及金属剥离形成P型电极。
步骤六、镀增透膜。
步骤七、晶片减薄及退火。
经过以上工艺步骤获得本发明实施例所述的探测器。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种850nm波段高响应度探测器，其特征在于：其包括位于探测器最底端的n型衬底，所述n型衬底上由下至上依次包括氧化铝层、n型接触层、n型DBR层、下限制层、吸收层、上限制层、p型接触层和增透膜层，还包括n型电极层和p型电极层，所述n型电极层位于所述n型接触层上且位于所述n型DBR层的一侧，所述p型电极层位于p型接触层上且位于所述增透膜层的一侧。
2.根据权利要求1所述850nm波段高响应度探测器，其特征在于：所述n型衬底为超低缺陷密度的GaAs材料，厚度为80-150μm。
3.根据权利要求1所述850nm波段高响应度探测器，其特征在于：所述氧化铝层中Al含量大于98％，厚度为10-40nm。
4.根据权利要求1所述850nm波段高响应度探测器，其特征在于：所述n型接触层的n型掺杂浓度大于1x 1018/cm3，厚度为30-100nm。
5.根据权利要求1所述850nm波段高响应度探测器，其特征在于：所述n型DBR层为若干个高/低铝组份AlGaAs薄膜对，每个薄膜对分别由850/4nm光学厚度高铝AlGaAs和850/4nm光学厚度低铝AlGaAs构成，n型掺杂浓度为5x 1017/cm3至1x 1018/cm3。
6.根据权利要求5所述850nm波段高响应度探测器，其特征在于：所述高铝AlGaAs为Al0.7GaAs，低铝AlGaAs为Al0.1GaAs，所述薄膜对的总对数为10-20对。
7.根据权利要求1所述850nm波段高响应度探测器，其特征在于：所述下限制层为i型AlGaAs材料，Al组份为0.2-0.5，厚度为100-300nm；所述吸收层为i型GaAs材料，厚度大于1μm；所述上限制层为i型AlGaAs材料，Al组份为0.2-0.5，厚度为100-300nm。
8.根据权利要求1所述850nm波段高响应度探测器，其特征在于：所述p型接触层为p型渐变掺杂材料，总厚度为110nm；下部为AlGaAs渐变层，由AlGaAs材料由下至上渐变降低Al组份直至上部的GaAs接触面，最高Al组份含量为0.3，渐变降低至0.2，厚度为100nm，p型掺杂浓度由2x 1017/cm3至1x 1018/cm3；GaAs接触面的厚度为10nm，P型掺杂浓度为1x 1019/cm3。
9.根据权利要求1所述850nm波段高响应度探测器，其特征在于：所述增透膜层为双层混合结构，包括下部的氧化钛层及上部的氧化硅层，二者光学厚度和为850nm的四分之一。
10.根据权利要求1所述850nm波段高响应度探测器，其特征在于：所述n型电极层为AuGeNi/Au材料，总厚度为300-500nm；所述p型电极层为TiAu双金属层，总厚度为400-500nm。
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