[發明專利]光探測器集成器件及制備方法

有效

• 申請號: 201110306839.4
• 申請日: 2011-10-11
• 公開（公告）號: CN102332456A
• 公開（公告）日: 2012-01-25
• 發明（設計）人: 熊兵;石拓;孫長征;羅毅
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H01L27/144
• 分類號: H01L27/144;H01L31/18
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 王瑩

技術領域

本發明涉及光信號探測技術領域，特別涉及一種光探測器集成器件及制備方法。

背景技術

移動性、無線化、數字化和寬帶化是當今信息業的發展趨勢，超高速、超大容量成為信息傳送追求的主要目標。隨著社會信息化程度的深入，城域以太網、IPTV、高清電視、移動多媒體、視頻流媒體等新業務的不斷涌現，人類社會對于信息傳輸帶寬的需求一直在以驚人的速度增長。與此同時，人們對于無線通信的需求也急劇增長，尤其隨著3G、4G時代的到來使人們實現“任何時間、任何地點以任何方式”獲得各種多媒體信息的夢想成為現實的同時，帶來的是對更大的傳輸容量和更快的傳輸速率的需求與挑戰。因此，對整個系統中光信號探測部分——光電探測器提出了更大帶寬的挑戰。

為此，NTT公司的T.Ishibashi等人提出了單載流子傳輸探測器(Uni-Traveling-Carrier?Photodiode，UTC-PD)，替代傳統的PIN型光電二極管，實現了響應速率的大幅提升。傳統的PIN型光電二極管，其吸收區在耗盡區，產生的光生電子-空穴載流子對在電場的作用下分別向N型收集區和P型收集區漂移，直至被收集并形成電流。但是由于空穴載流子的漂移速率很慢，比電子的漂移速率慢得多，因此探測器的電流響應速率主要受限于空穴的渡越時間。而UTC探測器，采用了將吸收區放在P型區的做法，電子-空穴對在P型區產生，由于空穴是多子，直接通過大量空穴的集體運動就能在其弛豫時間內被收集，雖然電子需要經過P區吸收區和I型耗盡區后到達N區才能被收集，但是由于電子本身的漂移速率要比空穴快得多，因此相比傳統的PIN型探測器，UTC探測器獲得了更高的響應速率。

近年來，隨著微波光子學領域的發展，不僅要求探測器具有大帶寬的特性，同時也要求探測器具有很好的響應度，即光電轉換效率，以提高系統的增益特性，以及較高的飽和電流。探測器的光電轉換效率，一方面受限于吸收材料的吸收系數，另一方面受限于吸收材料的厚度。對于面向光通信波段的半導體光電探測器來說，通常都采用InGaAs等窄禁帶半導體材料作為吸收材料，以In_0.53Ga_0.47As材料為例，其光吸收系數約為0.7μm^-1。

對于波導結構的探測器來說，沿光傳輸方向的吸收區厚度通常都達到幾十微米量級，長度足以將波導中的光完全吸收，光電轉換效率很容易做的很高。但是波導結構探測器的響應度主要是受到光纖耦合損耗的限制。雖然國內外科研工作者設計了不同的波導結構來提高光纖耦合效率，比如采用消逝場耦合的稀釋波導技術，能夠獲得很高的耦合效率。但是此類結構設計復雜，制作工藝難度大，器件的成本相對也高。同時，波導結構光探測器難以實現很高的飽和電流。對于臺面結構探測器來說，更容易實現較高的飽和特性，然而由于光入射的方向垂直與器件表面，要提高吸收效率，則需要提高吸收區的厚度。但是不論是對于傳統的PIN結構探測器，還是單載流子傳輸探測器，增加吸收區的厚度都會導致載流子的渡越時間相應增加，從而導致探測器帶寬惡化。

發明內容

(一)要解決的技術問題

本發明要解決的技術問題是：如何在保持UTC探測器響應帶寬和飽和功率的前提下提高探測器的光電轉換效率。

(二)技術方案

為解決上述技術問題，本發明提供了一種光探測器集成器件，包括：半導體襯底、由下到上層疊在所述半導體襯底之上的至少兩個單載流子傳輸探測器，所述每個單載流子傳輸探測器均包括：P型寬禁帶阻擋層、P型窄禁帶吸收層、非高摻雜寬禁帶載流子耗盡層、N型寬禁帶載流子收集層及至少一層重摻雜歐姆接觸層；位于最底部的單載流子傳輸探測器底部的重摻雜歐姆接觸層上設置有第一電極，位于最頂部的單載流子傳輸探測器頂層的重摻雜歐姆接觸層上設置有第三電極。

其中，包括兩個單載流子傳輸探測器，位于所述半導體襯底上的第一單載流子傳輸探測器和位于所述第一單載流子傳輸探測器上的第二單載流子傳輸探測器，

所述第一單載流子傳輸探測器包括：位于所述第一單載流子傳輸探測器底層的P型重摻雜歐姆接觸層，依次往上層疊的P型寬禁帶電荷阻擋層，P型窄禁帶吸收層，非高摻雜寬禁帶載流子耗盡層，N型寬禁帶載流子收集層，N型重摻雜歐姆接觸層；

所述第二單載流子傳輸探測器包括：位于所述第二單載流子傳輸探測器頂層的P型重摻雜歐姆接觸層，依次往下層疊的P型寬禁帶電荷阻擋層，P型窄禁帶吸收層，非高摻雜寬禁帶載流子耗盡層，N型寬禁帶載流子收集層，所述N型重摻雜歐姆接觸層。