基于AlInAsSb体材料作倍增区的雪崩光电二极管及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种基于AlInAsSb体材料作倍增区的雪崩光电二极管，包括：衬底；缓冲层，外延于衬底之上；N型欧姆接触层，外延于缓冲层之上且横截面为“凸”的形状，其下半部分与衬底的形状一致，其上半部分为圆柱状；雪崩倍增层，外延于N型欧姆接触层的上半部分上表面之上，由AlxIn1‑xAsySb1‑y体材料制备，掺杂浓度小于10

Avalanche photodiode based on AlInAsSb bulk material as multiplication area and preparation method thereof

The present invention provides an avalanche photodiode, photomultiplier region of AlInAsSb based on material includes: a substrate; a buffer layer, extending to the substrate; N type ohmic contact layer epitaxy on the buffer layer and cross section is convex shape, the lower part of the same shape of the substrate, the upper half part is cylindrical; avalanche multiplication layer epitaxy on N type ohmic contact layer on the part surface, by AlxIn1 xAsySb1 y material preparation, doping concentration is less than 10

【技术实现步骤摘要】
基于AlInAsSb体材料作倍增区的雪崩光电二极管及其制备方法
本专利技术属于半导体器件领域，尤其是涉及一种基于AlInAsSb体材料作倍增区的雪崩光电二极管及其制备方法。
技术介绍
光电探测器在军事和国民经济的各个领域有着广泛的用途，在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。近些年来，由于光通信系统快速发展，对接收机的响应度和响应速度要求越来越高，也对光电探测器的灵敏度提出了更高的要求。现有的光电探测器中，PIN光电二极管具有结构简单、制备工艺容易实现、可以承受较高反偏压、线性输出范围较宽等优点，其典型器件硅PIN大面积光电探测器广泛应用于激光探测系统、快速脉冲探测仪等，但是由于PIN光电二极管的本征I层电阻很大、输出电流小，在进行微弱光探测时，其探测灵敏度相对偏低，需要借助前置放大器对信号进行前置放大然后再检测，这就使得探测灵敏度受外部放大器的热噪声限制，使得通信系统的中继距离变短，所需中继站数目增多，提高了整个系统的运行成本；而雪崩光电二极管(AvalanchePhoto-diode，APD)可以提供比PIN光电二极管高5dB～10dB的灵敏度，在微弱光探测方面相较PIN光电二极管有着较大的优势。然而，针对目前对光电探测器的高灵敏度需求来说，现有的雪崩光电二极管APD仍需要进一步提高其探测灵敏度。雪崩光电二极管APD由于其内部产生增益而具有较高的灵敏度，但同时其增益的随机性会伴随着额外的噪声，且传统的APD采用Si、InP、InAlAs等材料作倍增区，存在增益-带宽积的限制，即高增益时，由于雪崩建立时间增加，带宽会降低，从而限制了接收机的响应速度，因此，需要提出一种低噪声、高增益-带宽积、低暗电流、高响应的APD，以满足光电探测器的高灵敏度需求。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术提供了一种基于AlInAsSb体材料作倍增区的雪崩光电二极管及其制备方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。(二)技术方案根据本专利技术的一个方面，提供了一种基于AlInAsSb体材料作倍增区的雪崩光电二极管，包括：衬底100；缓冲层200，外延于衬底100之上；N型欧姆接触层300，外延于缓冲层200之上且横截面为“凸”的形状，其下半部分与衬底100的形状一致，其上半部分为圆柱状；雪崩倍增层400，外延于N型欧姆接触层300上半部分上表面之上，由AlxIn1-xAsySb1-y体材料制备，掺杂浓度小于1016cm-3，x的取值范围为：0≤x≤1，y的取值范围为：0.08≤y≤1；P型电荷层500，外延于雪崩倍增层400之上；光吸收层600，外延于P型电荷层500之上；以及P型欧姆接触层700，外延于光吸收层600之上。在本专利技术的一个实施例中，基于AlInAsSb体材料作倍增区的雪崩光电二极管还包括：钝化层800，沉积于N型欧姆接触层300下半部分的上表面之上以及雪崩倍增层400、P型电荷层500、光吸收层600和P型欧姆接触层700的外侧；P型电极910，沉积于P型欧姆接触层700之上，呈环形，其外侧与钝化层800接触；N型电极920，沉积于N型欧姆接触层300下半部分之上，呈环形，其内、外侧均与钝化层800接触；以及通光孔1000，为P型欧姆接触层700上表面未覆盖P型电极910的空间。在本专利技术的一个实施例中，雪崩倍增层400的制备材料AlxIn1-xAsySb1-y中的Al组分x以及As组分y满足如下关系式：对于InP衬底，x取值为：0.48≤x≤1，对于GaSb衬底，x取值为：0≤x≤1，在本专利技术的一个实施例中，衬底100选用如下材料中的一种制备：GaSb、InP和InAs；缓冲层200与衬底100的制备材料相同；N型欧姆接触层300选用掺Te的GaSb材料，掺杂浓度为3×1018cm-3，其厚度介于400nm～600nm之间；雪崩倍增层400的厚度介于200nm～5μm之间，P型电荷层500采用P型离子掺杂的AlxIn1-xAsySb1-y体材料，掺杂浓度介于5×1016cm-3～5×1017cm-3之间，其厚度介于20nm～200nm之间；光吸收层600选用以下材料中的一种或几种：GaSb、Inx’Ga1-x’As、Alx”In1-x”Asy”Sb1-y”、Inx”’Ga1-x”’Asy”’Sb1-y”’、InAs/GaSb超晶格和InAs/AlSb超晶格，以上材料的掺杂浓度小于1016cm-3，厚度介于200nm～5μm之间，其中，x’，x”，x”’，y”，y”’表示各元素的组分，取值范围介于0至1之间；P型欧姆接触层700选用Be掺杂的GaSb材料，掺杂浓度为5×1018cm-3，其厚度介于150nm～250nm之间；钝化层800包括：电镀层810和介质膜层820，其中，介质膜层820包覆于电镀层810的外侧。在本专利技术的一个实施例中，电镀层810选用的材料为硫，其厚度介于25nm～35nm之间；介质膜层820选用的材料为SiO2或ZnS，其厚度介于150nm～250nm之间；P型电极910与N型电极920均选用自下而上沉积的金属层Ti/Pt/Au制备。根据本专利技术的另一个方面，提供了一种基于AlInAsSb体材料作倍增区的雪崩光电二极管的制备方法，包括：在衬底100上方依次外延生长缓冲层200、N型欧姆接触层300、雪崩倍增层400、P型电荷层500、光吸收层600以及P型欧姆接触层700，得到外延片；在制备好的外延片上通过标准光刻技术以及湿法腐蚀或干法刻蚀制作台面，刻蚀深度到达N型欧姆接触层300，使N型欧姆接触层300的横截面为“凸”的形状；其中，台面包括：N型欧姆接触层300下半部分的上表面、上半部分的侧面；依次外延的雪崩倍增层400、P型电荷层500、光吸收层600和P型欧姆接触层700的外侧；以及P型欧姆接触层700的上表面。在本专利技术的一个实施例中，基于AlInAsSb体材料作倍增区的雪崩光电二极管的制备方法还包括：在台面上沉积钝化层800，利用光刻进行刻蚀，刻蚀台面上方的钝化层形成刻蚀孔1001，用于制作P型电极和通光孔；在台面四周刻蚀环形电极窗口1100，刻蚀深度至N型欧姆接触层300下半部分上表面，用于制作N型电极；沉积环形的P型电极910与N型电极920，其中，P型电极910沉积于刻蚀孔1001边缘，内侧未覆盖电极的空间即为通光孔1000，N型电极920沉积于电极窗口1100上；以及剥离去除P型电极910和N型电极920以外的金属，完成雪崩光电二极管的制备。在本专利技术的一个实施例中，沉积钝化层800的方法包括：在台面上通过电镀沉积一层电镀层810，然后继续沉积介质膜层820，包覆于电镀层的外侧。在本专利技术的一个实施例中，通过电镀沉积一层电镀层810的方法包括：电镀层选用的材料为硫，在无水硫化钠的乙二醇溶液中进行电镀的操作；电镀层的厚度介于25nm～35nm之间。在本专利技术的一个实施例中，外延生长的方式采用分子束外延MBE；沉积介质膜层的方式采用磁控溅射；湿法腐蚀采用磷酸、柠檬酸、双氧水配制成的湿法腐蚀液进行腐蚀；干法刻蚀采用感应耦合等离子体刻蚀ICP技术。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于AlInAsSb体材料作倍增区的雪崩光电二极管，包括：衬底(100)；缓冲层(200)，外延于所述衬底(100)之上；N型欧姆接触层(300)，外延于所述缓冲层(200)之上且横截面为“凸”的形状，其下半部分与衬底(100)的形状一致，其上半部分为圆柱状；雪崩倍增层(400)，外延于所述N型欧姆接触层(300)上半部分上表面之上，由AlxIn1‑xAsySb1‑y体材料制备，掺杂浓度小于10

【技术特征摘要】
1.一种基于AlInAsSb体材料作倍增区的雪崩光电二极管，包括：衬底(100)；缓冲层(200)，外延于所述衬底(100)之上；N型欧姆接触层(300)，外延于所述缓冲层(200)之上且横截面为“凸”的形状，其下半部分与衬底(100)的形状一致，其上半部分为圆柱状；雪崩倍增层(400)，外延于所述N型欧姆接触层(300)上半部分上表面之上，由AlxIn1-xAsySb1-y体材料制备，掺杂浓度小于1016cm-3，x的取值范围为：0≤x≤1，y的取值范围为：0.08≤y≤1；P型电荷层(500)，外延于所述雪崩倍增层(400)之上；光吸收层(600)，外延于所述P型电荷层(500)之上；以及P型欧姆接触层(700)，外延于所述光吸收层(600)之上。2.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，还包括：钝化层(800)，沉积于所述N型欧姆接触层(300)下半部分的上表面之上以及所述雪崩倍增层(400)、P型电荷层(500)、光吸收层(600)和P型欧姆接触层(700)的外侧；P型电极(910)，沉积于所述P型欧姆接触层(700)之上，呈环形，其外侧与钝化层(800)接触；N型电极(920)，沉积于所述N型欧姆接触层(300)下半部分之上，呈环形，其内、外侧均与所述钝化层(800)接触；以及通光孔(1000)，为所述P型欧姆接触层(700)上表面未覆盖P型电极(910)的空间。3.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，其中，所述雪崩倍增层(400)的制备材料AlxIn1-xAsySb1-y中的Al组分x以及As组分y满足如下关系式：对于InP衬底，x取值为：0.48≤x≤1，对于GaSb衬底，x取值为：0≤x≤1，4.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，其中，所述衬底(100)选用如下材料中的一种制备：GaSb、InP和InAs；所述缓冲层(200)与衬底(100)的制备材料相同；所述N型欧姆接触层(300)选用掺Te的GaSb材料，掺杂浓度为3×1018cm-3，其厚度介于400nm～600nm之间；所述雪崩倍增层(400)的厚度介于200nm～5μm之间；所述P型电荷层(500)采用P型离子掺杂的AlxInl-xAsySbl-y体材料，掺杂浓度介于5×1016cm-3～5×1017cm-3之间，其厚度介于20nm～200nm之间；所述光吸收层(600)选用以下材料中的一种或几种：GaSb、Inx’Ga1-x’As、Alx”Inl-x”Asy”Sbl-y”、Inx”’Gal-x”’Asy”’Sb1-y”’、InAs/GaSb超晶格和InAs/AlSb超晶格，上述材料的掺杂浓度小于1016cm-3，厚度介于200nm～5μm之间，其中，x’，x”，x”’，y”，y”’表示各元素的组分，取值范围介于...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕粤希，孙姚耀，郭春妍，王国伟，徐应强，牛智川，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11