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低噪声雪崩光电探测器及其制备方法

阅读：1017发布：2020-10-04

专利汇可以提供低噪声雪崩光电探测器及其制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种低噪声雪崩光电探测器及其制备方法，该低噪声雪崩光电探测器包括通过扩散、离子注入依次形成不同掺杂类型的N型欧姆接触层/P型欧姆接触层、倍增层、电荷层、P型欧姆接触层/N型欧姆接触层，且电荷层与P型欧姆接触层/N型欧姆接触层之间的底部形成有衬底；所述电荷层、P型欧姆接触层/N型欧姆接触层与衬底之间形成一个倒梯形凹槽；所述倒梯形凹槽内形成有吸收层。所述P型欧姆接触层和N型欧姆接触层上分别设有P型电极和N型电极。本发明的特点是改进一维纵向雪崩光电探测器为二维横向结构，通过降低倍增层的有效厚度到纳米尺寸，利用纳米倍增区的死区效应降低k值。，下面是低噪声雪崩光电探测器及其制备方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种低噪声雪崩光电探测器，其特征在于：包括通过扩散、离子注入依次形成不同掺杂类型的N型欧姆接触层/P型欧姆接触层、倍增层、电荷层、P型欧姆接触层/N型欧姆接触层，且电荷层与P型欧姆接触层/N型欧姆接触层之间的底部形成有衬底；所述电荷层、P型欧姆接触层/N型欧姆接触层与衬底之间形成一个倒梯形凹槽；所述倒梯形凹槽内形成有吸收层。
2.如权利要求1所述的低噪声雪崩光电探测器，其特征在于：所述倍增层采用材料为Si、InP、InAlAs、AlGaAs、InAs、AlGaAsSb或HgCdTe；所述吸收层采用材料为Ge、GeSn、InGaAs、GaAs、InAs；所述衬底为Si或InP。
3.如权利要求1或2所述的低噪声雪崩光电探测器，其特征在于：所述P型欧姆接触层和N型欧姆接触层上分别制作有P型电极和N型电极。
4.一种如权利要求1所述雪崩光电探测器的制备方法，其特征在于，包括：
S1.制作不同掺杂材料区域：通过扩散、离子注入的工艺依次形成不同掺杂类型的N型欧姆接触层/P型欧姆接触层、倍增层、电荷层、P型欧姆接触层/N型欧姆接触层，且电荷层与P型欧姆接触层/N型欧姆接触层之间的底部形成有衬底；
S2.通过刻蚀掺杂材料区域，在电荷层、P型欧姆接触层/N型欧姆接触层与衬底之间形成一个倒梯形凹槽；
S3.在刻蚀的倒梯形凹槽上制备吸收层；
S4.将P型电极和N型电极分别制作在SiP型和N型欧姆接触层上。
5.如权利要求4所述雪崩光电探测器的制备方法，其特征在于：所述掺杂材料区域为掺杂Si材料区域或掺杂InP材料区域。
6.如权利要求5所述雪崩光电探测器的制备方法，其特征在于：所述倍增层为Si、InP、InAlAs、AlGaAs、InAs、AlGaAsSb或HgCdTe；所述吸收层采用材料为Ge、GeSn、InGaAs、GaAs、InAs。
7.如权利要求6所述雪崩光电探测器的制备方法，其特征在于：在Ge吸收层形成之前，制备了SiGe过渡层。
8.如权利要求6所述雪崩光电探测器的制备方法，其特征在于:在InGaAs吸收层与N型欧姆接触层的界面，制备了InGaAsP过渡层。
9.如权利要求4所述雪崩光电探测器的制备方法，其特征在于:采用波导结构和光子晶体、等离子体提高量子效率。
10.如权利要求4所述雪崩光电探测器的制备方法，其特征在于:将制得的雪崩光电探测器构成一维或者二维阵列。

说明书全文

低噪声雪崩光电探测器及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于光电技术领域，特别涉及到一种低噪声二维结构雪崩光电探测器及其制造方法。

背景技术

[0002] 光探测器是将光信号转变为电信号的器件。在半导体光探测器中，入射光子激发出的光生载流子在外加偏压下进入外电路后，形成可测量的光电流。雪崩光电探测器对光电流的放大作用基于电离碰撞效应,在一定的条件下,被加速的电子和空穴获得足够的能量,能够与晶格碰撞产生一对新的电子-空穴对,这种过程是一种连锁反应,从而由光吸收产生的一对电子-空穴对通过碰撞离化可以产生大量的电子-空穴对而形成较大的二次光电流。因此在光通信系统中，基于雪崩光电探测器的光接收机与普通光电探测器接收机相比，灵敏度可以提高5dB以上。但同时我们注意到，由于雪崩建立时间的限制，雪崩光电探测器的工作带宽比普通光电探测器低得多。因此，改善雪崩光电探测器的频率响应特性对其在高速光通信系统中的应用非常重要。针对不同的实际需求，需要对雪崩光电探测器倍增层乃至整个分别吸收、渐变、电荷和增益结构进行分别优化。对于雪崩光电探测器来说，过剩噪声因子是表征其噪声性能的一个重要参数，过剩噪声因子通常由雪崩光电探测器的k值决定，在此，k定义为不同类型载流子(电子或者空穴)的碰撞离化系数之比。k值越小，对改善雪崩光电探测器的频响特性越有利。因此，如何降低雪崩光电探测器的k值是非常关键的。

[0003] 目前光通信领域常用雪崩光电探测器的倍增材料(体倍增材料)，包括III-V族InP和InAlAs，其k值分别在0.4-0.5及0.2-0.3的范围内；IV族Si，其k值小于0.1。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，而提供一种低噪声雪崩光电探测器及其制备方法，以降低已有雪崩光电探测器的有效k值。

[0005] 为了解决上述技术问题，本发明公开一种低噪声雪崩光电探测器，其包括通过扩散、离子注入依次形成不同掺杂类型的N型欧姆接触层/P型欧姆接触层、倍增层、电荷层、P型欧姆接触层/N型欧姆接触层，且电荷层与P型欧姆接触层/N型欧姆接触层之间的底部形成有衬底；所述电荷层、P型欧姆接触层/N型欧姆接触层与衬底之间形成一个倒梯形凹槽；所述倒梯形凹槽内形成有吸收层；。

[0006] 此外，本发明还公开上述雪崩光电探测器的制备方法，该方法包括：

[0007] S1.制作不同掺杂材料区域：通过扩散、离子注入的工艺依次形成不同掺杂类型的N型欧姆接触层/P型欧姆接触层、倍增层、电荷层、P型欧姆接触层/N型欧姆接触层，且电荷层与P型欧姆接触层/N型欧姆接触层之间的底部形成有衬底；

[0008] S2.通过刻蚀掺杂材料区域，在电荷层、P型欧姆接触层/N型欧姆接触层与衬底之间形成一个倒梯形凹槽；

[0009] S3.在刻蚀的倒梯形凹槽上制备吸收层；

[0010] S4.将P型电极和N型电极分别制作在Si P型和N型欧姆接触层上。

[0011] 在上述技术方案中，所述掺杂材料区域为掺杂Si材料区域或掺杂InP材料区域。

[0012] 在上述技术方案中，所述倍增层为Si、InP、InAlAs、AlGaAs、InAs、AlGaAsSb或HgCdTe；所述吸收层采用材料为Ge、GeSn、InGaAs、GaAs、InAs。

[0013] 进一步地，作为性能优化，优选地，在Ge吸收层形成之前，制备了SiGe过渡层；

[0014] 进一步地，作为性能优化，优选地，在InGaAs吸收层与N型欧姆接触层的界面，制备了InGaAsP过渡层。

[0015] 在上述技术方案中，采用波导结构和光子晶体、等离子体提高量子效率。

[0016] 更进一步地，作为性能优化，将上述制得的雪崩光电探测器构成一维或者二维阵列。

[0017] 本发明低噪声雪崩光电探测器的这种结构的是改进一维纵向雪崩光电探测器为二维横向结构，通过降低倍增层的有效厚度到纳米尺寸，利用纳米倍增区的死区效应降低k值。附图说明

[0018] 图1为实施例1中Si/Ge雪崩光电探测器的结构示意图；

[0019] 图2为实施例1中雪崩光电探测器的电场示意图；

[0020] 图3为实施例2中InP/InGaAs雪崩光电探测器的结构示意图。

具体实施方式

[0021] 实施例1

[0022] 作为实施例1，本发明公开一种Si/Ge雪崩光电探测器，其结构如附图1所示。这种探测器在结构上包括但不限于：P型欧姆接触层1，吸收层2、电荷层3、倍增层4、重掺杂N型欧姆接触层5及Si衬底6，其中具体结构参数如表1所示。

[0023]

[0024]

[0025] 表1

[0026] 本发明的特点是改进一维雪崩光电探测器为二维结构，利用死区效应降低k值。所述N型和P型欧姆接触层是通过在低掺杂的硅层侧向两端进行高掺杂形成，掺杂浓度高于1.0×1018/cm3。所述的电荷层是在P型和N型欧姆接触层之间采用精确控制的P型或N型掺杂形成，掺杂浓度范围为1×1017/cm3-9×1017/cm3，电荷层的厚度和掺杂浓度要相互制约来控制吸收层和倍增层的电场，使得倍增层的电场要足够高以引起雪崩倍增效应。而吸收层的电场要足够低以抑制漏电流，并能使雪崩光电探测器的耗尽区完全耗尽。倍增层是由本征或者非故意掺杂半导体材料构成，其厚度选择要考虑APD的增益-带宽积和灵敏度；所述吸收层厚度的选择要保证探测器的量子效率，同时考虑雪崩光电探测器的电学带宽。

[0027] 本实施例提供的上述Si/Ge雪崩光电探测器的制作方法，包括以下步骤：

[0028] S1.制作不同掺杂InP材料区域，通过扩散、离子注入等工艺依次在InP上形成不同掺杂类型的P型欧姆接触层7、倍增层8、电荷层9、重掺杂N型欧姆接触层11；且电荷层9与重掺杂N型欧姆接触层11之间的底部形成有InP衬底12；

[0029] S2.通过刻蚀在InP材料区域上形成一个倒梯形凹槽，即在电荷层9、重掺杂N型欧姆接触层11与InP衬底12之间形成一个倒梯形凹槽；

[0030] S3.在刻蚀的倒梯形凹槽上产生InGaAs吸收层区域。

[0031] Si/Ge雪崩光电探测器的P型电极和N型电极分别制作在Si P型和N型欧姆接触层上，通过刻蚀凹槽，Ge吸收层可以生长于Si衬底上，Ge外延层上没有进一步生长Si外延层，因此有利于降低暗电流。同时，采用此结构可以方便控制Ge吸收层的光子吸收和电子的运动，更容易进行光耦合，从而获得高量子效率的同时保证器件的电学带宽。当光进入到雪崩光电探测器的本征Ge吸收层后，在电场作用下，参见附图2，因梯形接触界面，其产生的光生电子会在电场作用下到达Si倍增层，随后发生一系列的倍增过程。

[0032] 实施例2

[0033] 作为实施例2，本发明公开一种InP/InGaAs雪崩光电探测器，其结构见附图3。这种探测器在结构上包括但不限于：P型欧姆接触层7、倍增层8、电荷层9、吸收层10、重掺杂N型欧姆接触层11及InP衬底12，其中具体结构参数如表2所示。

[0034]

[0035] 表2

[0036] 本实施例2提供上述InP/InGaAs雪崩光电探测器的制作方法，包括以下步骤：

[0037] S1.制作不同掺杂InP材料区域，通过扩散、离子注入等工艺依次在InP上形成不同掺杂类型的P型欧姆接触层7、倍增层8、电荷层9、重掺杂N型欧姆接触层11；且电荷层9与重掺杂N型欧姆接触层11之间的底部形成有InP衬底12；

[0038] S2.通过刻蚀在InP材料区域上形成一个倒梯形凹槽，即在电荷层9、重掺杂N型欧姆接触层11与InP衬底12之间形成一个倒梯形凹槽；

[0039] S3.在刻蚀的倒梯形凹槽上产生InGaAs吸收层区域。

[0040] InP/InGaAs雪崩光电探测器的P型电极和N型电极分别制作在InP的P型和N型欧姆接触层上，通过刻蚀凹槽，InGaAs吸收层可以生长于InP衬底上。当光进入到雪崩光电探测器的本征InGaAs吸收层后，在电场作用下，其产生的光生电子会在电场作用下到达InP倍增层，随后发生一系列的倍增过程。

[0041] 最后应说明的是，以上具体实施方式仅以Si和InP材料为例，以说明本发明的技术方案而非限制，其它倍增材料，比如以上提到的包括但不限于Si、InP、InAlAs、AlGaAs、InAs、AlGaAsSb、HgCdTe等，而吸收层采用材料为Ge、GeSn、InGaAs、GaAs、InAs都可以根据本发明实施例的精神完全给出相似的结构和制备技术。尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应理解并可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换。但只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

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