[發明專利]吸收層變摻雜InGaAs雪崩光電二極管及制備方法

有效

• 申請號: 201710656577.1
• 申請日: 2017-08-03
• 公開（公告）號: CN107611195B
• 公開（公告）日: 2019-09-17
• 發明（設計）人: 謝生;朱帥宇;毛陸虹
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H01L31/0304
• 分類號: H01L31/0304;H01L31/107;H01L31/18
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 李林娟

本發明公開了一種吸收層變摻雜InGaAs雪崩光電二極管及制備方法，結構包括：N⁺InP襯底，在所述N⁺InP襯底上從下到上依次設置有N?InP緩沖層、多層不同摻雜濃度的N?In_(1?x)Ga_xAs吸收層、N?In_(1?x)Ga_xAs_yP_(1?y)漸變層、N?InP電荷層、本征摻雜的InP倍增層及P⁺?InP接觸層。方法包括：利用金屬有機物化學氣相沉積在N型重摻雜的InP襯底上依次外延生長上述層；利用等離子體增強化學氣相沉積技術、以光刻膠為掩膜，向下刻蝕二氧化硅，最后去除光刻膠；以二氧化硅為掩膜，使用反應離子刻蝕技術對InGaAs外延結構進行刻蝕；利用電子束蒸發并使用快速熱退火技術使金屬和半導體材料形成歐姆接觸，降低接觸勢壘。

技術領域

本發明涉及光電檢測以及圖像傳感器領域，尤其涉及一種吸收層變摻雜InGaAs雪崩光電二極管及制備方法。

背景技術

單光子探測作為一種重要的微弱信號檢測技術，在量子信息技術、高分辨率光譜檢測、DNA分析、激光測距、三維成像及光時域反射等方面都有十分廣泛的應用。目前，廣泛應用的單光子探測器主要有光電倍增管(PMT)和雪崩光電二極管(APD)。PMT通常是在高真空玻璃內封裝光電陰極、聚焦電極、數個二次打拿極和光電陽極。當入射光子照射到光電陰極時，因外光電效應而產生光電子，在倍增管內強電場的加速作用下，這些光電子順序碰撞二次打拿極，產生大量的二次電子，從而發生倍增放大，最后陽極收集放大后的電子作為信號輸出。雖然光電倍增管具有響應速度快、增益高、噪聲低等優點，但是體積大、工作電壓高、對磁場敏感等缺點限制了其在諸多場合的應用。而雪崩光電二極管是利用內光電效應，通過雪崩倍增機制進行光信號放大，具有全固態、體積小、動態范圍大、分辨率高、可與信號處理芯片單片集成等特點，因而成為單光子探測領域的研究熱點之一。

近年來，隨著量子保密通信的迅猛發展，尤其是遠距離量子密鑰分發的研究取得極大進展，這使得工作在紅外波段的單光子探測器越來越受到人們的重視。與InP襯底晶格匹配的InGaAs探測器的長波限為1.7μm，其響應范圍覆蓋了長波光纖通信的1.31μm和1.55μm波段，在光纖通信需求的推動下得到了飛速發展，是短波紅外領域應用最廣泛的材料體系。InGaAs雪崩光電二極管(APD)的吸收層采用InGaAs材料，而倍增層為InP。因此，InGaAs雪崩光電二極管多采用吸收層和倍增層分離(Separate Absorption Grading ChargeMultiplication,SAGCM)結構。貫穿電壓是SAGCM結構雪崩光電二極管所獨有的特性參數，只有當器件達到貫穿電壓，吸收層產生的光生載流子進入倍增層，器件才能正常工作。貫穿電壓和擊穿電壓間的電壓范圍，就是器件的工作電壓范圍。盡管目前已對InGaAs雪崩光電二極管進行了大量研究，但這些工作的著眼點大多是通過優化器件的制備工藝，降低器件的暗電流和暗計數。例如，Lee Kiwon等人^[1]采用鋅(Zn)擴散工藝制備出InGaAs/InP雪崩光電二極管，其在240K時的暗計數低至每個脈沖2.8×10^-3；Alberto Tosi等人^[2]通過優化InGaAs/InP雪崩光電二極管的鋅(Zn)擴散工藝和反應參數，在225K，5V過偏壓條件下的探測效率可達30％@1550nm，半高全寬低至90ps。

為了降低InGaAs雪崩光電二極管的暗電流，通常器件工作在200～250K低溫條件下。Sara Pellegrini等人^[3]指出，載流子的離化系數隨著溫度的降低而升高，進而導致擊穿電壓降低，變化速率約為0.17V/K，而貫穿電壓隨溫度的變化不明顯。因此，隨著工作溫度的降低，器件工作電壓范圍隨之減小。然而，目前還沒有一套較為系統的拓寬InGaAs雪崩光電二極管(APD)工作電壓范圍，以及降低器件功耗的方法。

參考文獻