延伸波长台面型雪崩光电二极管及其制备方法技术

本发明专利技术属于光电检测以及图像传感器领域，为在降低器件暗电流的同时保证器件具有较高的光电流，为产业应用提供参考依据。本发明专利技术，延伸波长台面型雪崩光电二极管，自下而上结构依次为N

Extended wavelength mesa type avalanche photodiode and its preparation method

The invention belongs to the field of photoelectric detection and image sensor, in order to ensure that the device has high photocurrent while reducing the dark current of the device, and provides a reference for industrial application. The invention has an extended wavelength mesa type avalanche photodiode, and the bottom-up structure is N in sequence.

【技术实现步骤摘要】
延伸波长台面型雪崩光电二极管及其制备方法
本专利技术属于光电检测以及图像传感器领域，具体讲,涉及降低台面型InGaAs/InP(铟镓砷/铟磷)雪崩光电二极管暗电流的方法。
技术介绍
单光子探测是将单个光子信号加以放大，并通过脉冲甄别和数字计数等技术进行识别，从而达到光电探测的极限灵敏度。单光子探测在高分辨率的光谱测量、微弱光成像、高速成像以及量子通信等领域都有广泛的应用，设计出高效、可靠的单光子探测器是单光子探测技术的关键问题之一。目前，常用的单光子探测器主要有光电倍增管(PMT)、单光子雪崩二极管(SPAD)、真空雪崩光电二极管(VAPD)和超导单光子探测器(SSPD)等。其中，光电倍增管(PMT)需要较高的工作电压，抗外磁场性能差，且体积笨重，无法进行大规模集成；单光子雪崩二极管(SPAD)，即工作在盖革模式的雪崩光电二极管(GM-APD)，具有灵敏度高、响应速度快、体积小、结构紧凑、集成度高等优点；真空雪崩光电二极管(VAPD)是将PMT和APD结合而产生的一种单光子探测器件，制作工艺复杂、价格昂贵且难以集成；超导光电子探测器(SSPD)对工作环境要求极其苛刻，需要冷却至低温(<4K)才能工作，故至今无法实际应用。综上所述，单光子雪崩二极管(SPAD)是目前最有应用前景的一种单光子探测器，已经成为当前的研究热点之一。近年来，量子保密通信得到迅猛发展，尤其是远距离量子密钥分发的研究取得极大进展，这使得工作在红外波段的单光子探测器越来越受到人们的重视。与InP(铟磷)衬底晶格匹配的InGaAs(铟镓砷)探测器的长波限为1.7μm，故不能满足短波红外(1～3μm)的应用需求。因此，发展高铟组分的InGaAs探测器具有重要的研究价值。然而，随着铟组分的增加，InGaAs与InP衬底之间的晶格失配加剧，容易使材料中产生缺陷和位错，从而使InGaAs探测器的暗电流迅速增大。近年来，研究人员为提高延伸波长InGaAs探测器的器件性能，进行了多方面的研究。例如，吉林大学马军等人分别采用InP、InAsP(铟砷磷)以及InAlAs(铟铝砷)作为盖帽层制备了延伸波长的PIN型InGaAs探测器，结果表明，InAlAs盖帽层制备的器件有更低的暗电流和更高的量子效率，反偏电压为0.5V时的暗电流可降至173μA/cm2。南京大学纪晓丽等人分析了感应耦合等离子体刻蚀(ICP)技术和等离子增强化学气相沉积(PECVD)技术对延伸波长PIN型InGaAs探测器的性能影响，采用ICP技术制备器件的暗电流仅为PECVD技术制备器件的1/4。上述研究结果表明，目前降低延伸波长InGaAs探测器暗电流的主要方法是提高外延材料的生长质量，并采用先进工艺设备降低器件的缺陷，而从器件内部结构出发，通过优化器件结构降低暗电流的方式还鲜有研究。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，降低延伸波长台面型InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)的暗电流，提高器件性能，本专利技术旨在提出一种吸收区加入铟镓砷In0.66Ga0.34As/铟砷InAs超晶格势垒的台面型InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)及其制备方法，在降低器件暗电流的同时保证器件具有较高的光电流，为产业应用提供了参考依据。本专利技术采用的技术方案是，延伸波长台面型雪崩光电二极管，自下而上结构依次为N+-InP衬底、N-InP缓冲层、N-铟铝砷In(1-x)AlxAs渐变层、N-In0.83Ga0.17As吸收层、N-In0.66Ga0.34As/InAs超晶格、N-In0.83Ga0.17As吸收层、N-铟镓砷磷In(1-x)GaxAsyP(1-y)组分渐变层、N-InP电荷层、i-InP倍增层以及P+-InP接触层；其中，In(1-x)AlxAs缓冲层释放晶格常数失配带来的位错缺陷和应力，In0.83Ga0.17As吸收层接收入射的光子能量，产生电子空穴对；在N-In(1-x)AlxAs渐变层与其相邻的N-In0.83Ga0.17As吸收层之间设置负极，在顶部设置正极，形成反偏电压；在反偏电压的作用下，超晶格势垒层阻挡光生电子的输运，而对光生空穴输运的影响较小，组分渐变层降低了因InP与InGaAs材料价带差而引入的空穴势垒，电荷层用于调节倍增层和吸收层之间的电场分布，保证倍增层有较高的电场，光生载流子在倍增层不断碰撞电离，引发雪崩倍增。在一个实例中具体地，(1)衬底材料选用N型重掺杂的InP，厚度为300μm，掺杂浓度为1×1019cm-3；(2)缓冲层选用N型掺杂的InP，厚度为1μm，掺杂浓度为2×1018cm-3；(3)N型掺杂的线性渐变In(1-x)AlxAs缓冲层，用来释放晶格常数失配带来的位错缺陷和应力，提高器件性能，缓冲层厚度为2μm，掺杂浓度为6.6×1016cm-3，铟In组分由0.52线性增加至0.87；(4)吸收层选用高铟组分的In0.83Ga0.17As，将探测器的截止波长扩展至2.6μm，厚度均为0.7μm，掺杂浓度为1×1016cm-3；(5)超晶格选用N型掺杂的In0.66Ga0.34As/InAs材料，导带带阶△Ec＝0.35eV，价带带阶△Ev＝0.08eV，每层材料的厚度为10nm，生长5个周期，总厚度100nm，掺杂浓度为1×1016cm-3；(6)N型掺杂的、组分渐变的In(1-x)GaxAsyP(1-y)缓冲层，其作用是实现从In0.87Ga0.13As吸收层到InP电荷层的带隙过渡，避免因带隙差而引起异质结处的空穴积累，In(1-x)GaxAsyP(1-y)缓冲层的厚度为0.05μm，掺杂浓度为1×1016cm-3，镓Ga的组分从0.47变为0，砷As的组分从1变为0；(7)电荷层选用N型重掺杂的InP，厚度为0.25μm，掺杂浓度为1×1017cm-3；(8)倍增层为本征掺杂的InP，厚度为0.5μm，光生载流子在此区域发生碰撞电离引发雪崩效应；(9)P型重掺杂的InP，厚度为2.0μm，掺杂浓度1×1019cm-3。延伸波长台面型雪崩光电二极管制备方法，步骤如下：(1)材料结构生长：利用气态源分子束外延GSMBE在N型重掺杂的InP衬底上依次外延生长N-InP缓冲层、N-In(1-x)AlxAs缓冲层、N-In0.83Ga0.17As吸收层、N-In0.66Ga0.34As/InAs超晶格、N-In0.83Ga0.17As吸收层、N-In(1-x)GaxAsyP(1-y)组分渐变层、N-InP电荷层、本征掺杂的InP倍增层以及P型重掺杂InP接触层；(2)淀积二氧化硅二氧化硅SiO2掩模：利用等离子体增强化学气相沉积PECVD技术在器件表面淀积一层SiO2，作为反应离子刻蚀RIE的掩膜；(3)光刻图形转移，将光刻版上的图形通过涂胶、曝光、显影等工艺步骤转移至光刻胶，然后以光刻胶为掩膜，向下刻蚀二氧化硅，最后去除光刻胶；(4)台面刻蚀，以二氧化硅为掩膜，使用反应离子刻蚀技术对InGaAs/InP外延结构进行刻蚀，刻蚀至N-In(1-x)AlxAs缓冲层；(5)钝化保护，利用等离子增强化学气相沉积PECVD生长SiO2钝化层，对器件侧壁和表面进行保护，然后通过光刻、刻蚀技术分别在P+-InP接触层和N-In(1-x本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种延伸波长台面型雪崩光电二极管，其特征是，自下而上结构依次为N

【技术特征摘要】
1.一种延伸波长台面型雪崩光电二极管，其特征是，自下而上结构依次为N+-InP衬底、N-InP缓冲层、N-铟铝砷In(1-x)AlxAs渐变层、N-In0.83Ga0.17As吸收层、N-In0.66Ga0.34As/InAs超晶格、N-In0.83Ga0.17As吸收层、N-铟镓砷磷In(1-x)GaxAsyP(1-y)组分渐变层、N-InP电荷层、i-InP倍增层以及P+-InP接触层；其中，In(1-x)AlxAs缓冲层释放晶格常数失配带来的位错缺陷和应力，In0.83Ga0.17As吸收层接收入射的光子能量，产生电子空穴对；在N-In(1-x)AlxAs渐变层与其相邻的N-In0.83Ga0.17As吸收层之间设置负极，在顶部设置正极，形成反偏电压；在反偏电压的作用下，超晶格势垒层阻挡光生电子的输运，而对光生空穴输运的影响较小，组分渐变层降低了因InP与InGaAs材料价带差而引入的空穴势垒，电荷层用于调节倍增层和吸收层之间的电场分布，保证倍增层有较高的电场，光生载流子在倍增层不断碰撞电离，引发雪崩倍增。2.如权利要求1所述的延伸波长台面型雪崩光电二极管，其特征是，在一个实例中具体地，(1)衬底材料选用N型重掺杂的InP，厚度为300μm，掺杂浓度为1×1019cm-3；(2)缓冲层选用N型掺杂的InP，厚度为1μm，掺杂浓度为2×1018cm-3；(3)N型掺杂的线性渐变In(1-x)AlxAs缓冲层，用来释放晶格常数失配带来的位错缺陷和应力，提高器件性能，缓冲层厚度为2μm，掺杂浓度为6.6×1016cm-3，铟In组分由0.52线性增加至0.87；(4)吸收层选用高铟组分的In0.83Ga0.17As，将探测器的截止波长扩展至2.6μm，厚度均为0.7μm，掺杂浓度为1×1016cm-3；(5)超晶格选用N型掺杂的In0.66Ga0.34As/InAs材料，导带带阶△Ec＝0.35eV，价带带阶△Ev＝0.08eV，每层材料的厚度为10nm，生长5个周期，总厚度100nm，掺杂浓度为1×1016cm-3；(6)N型掺杂的、组分渐变的In(1-x)GaxAsyP(1-y)缓冲层，其作用是实现从In0.87Ga0.13As吸收层到InP电荷层的带隙过渡，避免因带隙差而引起异质结处的空穴积累，In(1-x)GaxAsyP(1-y)缓冲层的厚度为0.05μm，掺杂浓度为1×1016cm-3，镓Ga的组分从0.47变为0，砷As的组分从1变为0；(7)电荷层选用N型重掺杂的InP，厚度为0.25μm，掺杂浓度为1×1017cm-3；(8)倍增层为本征掺杂的InP，厚度为0.5μm，光生载流子在此区域发生碰撞电离引发雪崩效应；(9)P型重掺杂的InP，厚度为2.0μm，掺杂浓度1×1019cm-3。3.一种延伸波长台面型雪崩光电二极管制备方法，其特征是，步骤如下：(1)材料结构生长：利用气态源分子束外延GSMBE在N型重掺杂的InP衬底上依次外延生长N-InP缓冲层、N-In(1-x)AlxAs缓冲层、N-In0.83Ga0.17As吸收层、N-In0.66Ga0.34As/InAs超晶格、N-In0.83Ga0.17As吸收层、N-In(1-x)GaxAsyP(1-y)组分渐变层、N-InP电荷层、本征掺杂的InP倍...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢生，朱帅宇，毛陆虹，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12