[發(fā)明專利]一種寬光譜響應(yīng)的InGaAs單光子雪崩光電二極管及其制造方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910280919.3
• 申請日: 2019-04-09
• 公開（公告）號: CN110071194B
• 公開（公告）日: 2021-11-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王璽;黎淼;李傳波;陳偉;高新江;張承;黃超意;何豐;馬勇
• 申請（專利權(quán)）人: 重慶郵電大學(xué)
• 主分類號: H01L31/107
• 分類號: H01L31/107;H01L31/0304;H01L31/02;H01L31/0216;H01L31/18
• 代理公司: 重慶市恒信知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 50102
• 代理人: 劉小紅;陳棟梁

本發(fā)明請求保護一種寬光譜響應(yīng)的InGaAs單光子雪崩光電二極管，包括襯底，在所述襯底上設(shè)有短波透光窗口，在所述襯底一側(cè)設(shè)有n電極,另一側(cè)設(shè)有腐蝕截止層,在所述腐蝕截止層上依次設(shè)有InGaAs標(biāo)準(zhǔn)波長吸收層、長波吸收層、漸變層、電荷層、倍增層以及鈍化層。在所述倍增層內(nèi)設(shè)有階梯型PN結(jié),而在所述倍增層另一側(cè)設(shè)有p電極和鈍化層。所述p電極和階梯型PN結(jié)、以及透光窗口三者處于同一軸線上。本發(fā)明采用長波吸收層對1700nm?1800nm波長的光子進行吸收，同時通過襯底上的透光窗口，防止760nm?900nm波段光子在襯底材料中被吸收。將InGaAs單光子雪崩光電二極管的響應(yīng)波長范圍從900nm?1700nm拓展到760nm?1800nm，為該波段范圍內(nèi)提供了單個光子的探測靈敏度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光探測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種寬光譜響應(yīng)的InGaAs單光子雪崩光電二極管。

背景技術(shù)

銦鎵砷(InGaAs)單光子雪崩光電二極管是一種基于半導(dǎo)體材料的單光子探測器件，能實現(xiàn)對單個光子能量的檢測，已廣泛應(yīng)用于量子通信、真隨機數(shù)發(fā)生器、激光雷達、光時域反射計等領(lǐng)域。單光子雪崩光電二極管的工作原理是：當(dāng)一個光子在二極管吸收區(qū)被吸收后，會產(chǎn)生初始電子空穴對，然后在電場的作用下，電子或空穴被輸運到倍增區(qū)產(chǎn)生持續(xù)放大，從而產(chǎn)生可以被觀測到的宏觀電信號。

在光譜響應(yīng)方面，通常InGaAs單光子雪崩光電二極管基于晶格匹配的In_0.53Ga_0.47As/InP結(jié)構(gòu)，可以滿足900nm-1700nm波段高效光響應(yīng)要求。然而，受晶格匹配的In_0.53Ga_0.47As材料帶隙的限制，該結(jié)構(gòu)無法實現(xiàn)長波長波段(1700nm-1800nm)的光響應(yīng)，需要引入高銦組分的InGaAs材料，減小吸收區(qū)材料的帶隙，從而可以將光譜響應(yīng)拓展到1800nm。不過，In組分增加后，高銦組分InGaAs材料的晶格常數(shù)不再與襯底匹配，這樣的缺陷將會增加噪聲，以至于無法達到單光子的靈敏度。另一方面，由于襯底對900nm以下光波的吸收作用，光生載流子在襯底材料中很快就會被復(fù)合，從而難以實現(xiàn)有效的電荷收集，所以這種結(jié)構(gòu)的器件難以探測到900nm以下的光子。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明旨在解決以上現(xiàn)有技術(shù)的問題。提出了一種可以在760nm-1800nm波段的實現(xiàn)單光子靈敏度的寬光譜響應(yīng)的InGaAs單光子雪崩光電二極管及其制備方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種寬光譜響應(yīng)的InGaAs單光子雪崩光電二極管，其包括：襯底(1)，在所述襯底(1)的中軸線位置上設(shè)有短波透光窗口(2)，短波透光窗口(2)用于增加，在所述襯底(1)的一側(cè)設(shè)有n電極(3)，n電極(3)用于與外部電源的一極相接觸，襯底(1)的另一側(cè)依次設(shè)有腐蝕截止層(4)、InGaAs標(biāo)準(zhǔn)波長吸收層(5)、長波吸收層(6)、漸變層(7)、電荷層(8)、倍增層(9)以及鈍化層(13)，腐蝕截止層(4)用于在腐蝕透光窗口時對InGaAs標(biāo)準(zhǔn)波長吸收層(5)進行保護，防止腐蝕劑對其產(chǎn)損傷，InGaAs標(biāo)準(zhǔn)波長吸收層(5)用于對900nm-1700nm波段光子的吸收，長波吸收層(6)用于對1700nm-1800nm波段光子的吸收，漸變層(7)用于減少長波吸收層(6)與電荷層(8)之間晶格的不連續(xù)，電荷層(8)用于調(diào)整倍增層(9)的電場強度，倍增層(9)用于載流子的雪崩碰撞離化，以及鈍化層(13)用于保護器件表面，在所述倍增層(9)內(nèi)設(shè)有階梯型PN結(jié)(10),階梯型PN結(jié)(10)用于產(chǎn)生耗盡區(qū)，在所述倍增層(9)另一側(cè)設(shè)有p電極(12)和鈍化層(13)，p電極(12)用于與外部電源的另一極相接觸。

進一步的，所述p電極(12)、階梯型PN結(jié)(10)以及透光窗口(2)三者處于同一中心軸線上，且徑向尺寸基本一致，直徑為10μm～100μm。

進一步的，所述短波透射窗口(2)，直徑為10μm～100μm，用于避免襯底(1)對760nm-900nm波段光子的吸收，并使之在穿透腐蝕截止層(4)之后，直接入射到InGaAs標(biāo)準(zhǔn)波長吸收層(5)，從而產(chǎn)生光生載流子，然后在電場的作用下發(fā)生雪崩并被收集。