具有稀释氮化物层的光电子装置制造方法及图纸

公开了一种具有GaInNAsSb、GaInNAsBi或GaInNAsSbBi有源层的光电子装置。该光电子装置具有有源层或吸收层，带隙在0.7eV至1.2eV的范围内。有源层耦接至倍增层。该倍增层被设计成在波长高达1.8μm的低光水平下提供具有高信噪比的大光学增益。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有稀释氮化物层的光电子装置本申请要求于2018年6月14日提交的美国临时申请第62/685,039号根据35U.S.C.§119(e)的权益，其通过引用整体并入本文。
本公开涉及在0.9μm至1.8μm的波长范围内操作的短波红外(SWIR)光电子装置，包括光电探测器、光电探测器阵列和雪崩光电探测器。
技术介绍
在0.9μm至1.8μm范围之间的红外波长范围内操作的光电子装置具有广泛的应用范围，包括光纤通信、感测和成像。传统上，化合物III-V半导体材料用于制造这样的装置。通常在磷化铟(InP)基板上生长砷化铟镓(InGaAs)材料。选择GaN层的组成和厚度以提供所需的功能(诸如在所需的光波长下的光发射或吸收)，并且还与InP基板晶格匹配或非常接近地晶格匹配以产生具有低水平晶体缺陷和高水平性能的高质量材料。关于光电探测器，可以生产的装置包括用于电信应用的高速光电探测器以及可以用作用于军事、生物医学、工业、环境和科学应用的传感器和成像器的光电探测器的阵列。在这些应用中，需要具有高响应度、低暗电流和低噪声的光电探测器。尽管目前InP材料上的InGaAs在SWIR光电探测器市场占主导地位，但是该材料系统具有若干限制，包括InP基板的高成本、由于InP基板的脆性导致的低产率以及有限的InP晶圆直径(以及在较大直径时的相关质量问题)。从制造的角度以及从经济的角度来看，砷化镓(GaAs)代表了更好的基板选择。然而，红外装置所需的GaAs和InGaAs合金之间的大晶格失配产生损害电学和光学性能的质量差的材料。已经尝试基于稀释氮化物材料(诸如GaInNAs和GaInNAsSb)来生产用于GaAs上的光电探测器的长波长(大于1.2μm)材料。然而，在报道了装置性能的情况下，它比InGaAs/InP装置差得多，例如，非常低的响应度，这使得材料不适合于实际感测和检测应用。对于光电探测器的其它考虑包括暗电流和特定响应度。例如，Cheah等人的“GaAs-BasedHeterojunctionp-i-nPhotodetectorsUsingPentenaryInGaAsNSbastheIntrinsicLayer”，IEEEPhoton.Technol.Letts.，17(9)，第1932-1934页(2005)，以及Loke等人的“ImprovementofGaInNAsp-i-nphotodetectorresponsivitybyantimonyincorporation”，J.Appl.Phys，101，033122(2007)，报道了在1300nm的波长下仅具有0.097A/W响应度的光电探测器。Tan等人的“GaInNAsSb/GaAsPhotodiodesforLongWavelengthApplications”，IEEEElectron.Dev.Letts.，32(7)，第919-921页(2011)描述了在1300nm的波长下仅具有0.18A/W响应度的光电二极管。在美国申请公开第2016/0372624号中，Yanka等人公开了具有稀释氮化物层(InGaNAsSb)的光电探测器。尽管描述了涉及半导体材料质量的某些参数，但是没有教导在所公开的宽组成范围内具有实用效率的工作探测器。共同待决的美国申请公开第2019/0013430A1号描述了在1300nm的波长下具有大于0.6A/W响应度的稀释氮化物探测器，其通过引用整体并入本文。在诸如环境监测和夜视的感测和成像应用中，光信号电平可能低，因此需要由雪崩光电二极管(APD)提供的内部增益。Tan等人建议采用Al0.8Ga0.2As雪崩层，可以用GaInNAsSb材料作为GaAs基APD中的吸收层。除了APD的倍增因子之外，探测器的噪声性能也是重要的。乘法可导致与雪崩(或碰撞电离)过程的随机或统计性质相关的过量噪声。过量噪声因子是载流子电离率k的函数，其中k通常被定义为空穴与电子电离概率的比(k≤1)。Tan等人在“ExperimentalevaluationofimpactionizationindilutenitrideGaInNAsdiodes”，Appl.Phys.Lett.，102，102101(2013)描述了在稀释氮化物GaInNAs二极管中的碰撞电离过程。对于低氮组成＜2％的合金，电离系数的不对称性不足，并且与针对GaAs报道的值相似。然而，尽管对于氮含量大于约2％的组成，k可以提高4倍，但是抑制的碰撞电离系数限制了那些材料在雪崩光电探测器中提供足够倍增行为的能力。因此，为了利用GaAs基板的制造可扩展性和成本优势，持续关注开发在GaAs上具有改进的光电性能、具有改进的倍增特性和低噪声特性的长波长材料。
技术实现思路
根据本专利技术，一种半导体光电子装置包括：基板；上覆(overlying)所述基板的第一阻挡层；上覆所述第一阻挡层的倍增层；其中所述倍增层包含Ga1-xInxNyAs1-y-z(Sb,Bi)z，其中0≤x≤0.4，0≤y≤0.07并且0≤z≤0.2；上覆所述倍增层的有源层，其中，所述有源层包含晶格匹配的或假晶的稀释氮化物材料；并且所述稀释氮化物材料具有在0.7eV至1.2eV的范围内的带隙；以及上覆所述有源层的第二阻挡层。根据本专利技术，一种形成半导体光电子装置的方法包括形成上覆基板的第一阻挡层；形成上覆所述第一阻挡层的倍增层，其中所述倍增层包含Ga1-xInxNyAs1-y-z(Sb,Bi)z，其中0≤x≤0.4，0≤y≤0.07并且0＜z≤0.2；形成上覆所述倍增层的有源层，其中所述有源层包含假晶的稀释氮化物材料；并且所述稀释氮化物材料具有在0.7eV至1.2eV的范围内的带隙；以及形成上覆所述有源层的第二阻挡层。附图说明这里描述的附图仅用于说明目的。附图并非旨在限制本公开的范围。图1示出了根据本专利技术的半导体光电子装置的侧视图。图2示出了根据本专利技术的另一半导体光电子装置的侧视图。图3示出了根据本专利技术的另一半导体光电子装置的侧视图。图4示出了根据本专利技术的雪崩光电探测器的侧视图。图5示出了根据本专利技术的具有分开的吸收层、电荷层和倍增层的雪崩光电二极管的示意性带边图。图6A和图6B示出了分别在零偏压和在反向偏压下具有两个线性渐变中间层的倍增区的示意性带边图。图6C和图6D示出了在零偏压下具有单个非线性渐变层的倍增区的示意性带边图。图7示出了四周期超晶格倍增区的示意性带边图。图8示出了具有台阶渐变中间层的两周期超晶格倍增区的示意性带边图。具体实施方式下面的详细描述参考附图，附图以说明的方式示出了可以实施本专利技术的具体细节和实施例。充分详细地描述这些实施例以使本领域技术人员能够实施本专利技术。可利用其它实施例，并且可在不脱离本专利技术的范围的情况下作出结构改变、逻辑改变和电改变。本文公开的各种实施例不必相互排斥，因为一些公开的实施例可以与一个或多个其它公开的实施例组合以形成新的实施例。因此，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种半导体光电子装置，包括：/n基板；/n上覆所述基板的第一阻挡层；/n上覆所述第一阻挡层的倍增层；/n其中所述倍增层包含Ga

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180614 US 62/685,0391.一种半导体光电子装置，包括：
基板；
上覆所述基板的第一阻挡层；
上覆所述第一阻挡层的倍增层；
其中所述倍增层包含Ga1-xInxNyAs1-y-z(Sb,Bi)z，其中0≤x≤0.4，0≤y≤0.07并且0≤z≤0.2；
上覆所述倍增层的有源层，其中，
所述有源层包含晶格匹配的或假晶的稀释氮化物材料；并且
所述稀释氮化物材料具有在0.7eV至1.2eV的范围内的带隙；以及
上覆所述有源层的第二阻挡层。


2.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一阻挡层和所述第二阻挡层中的每一个独立地包含掺杂的III-V材料。


3.根据权利要求1所述的装置，其中所述基板包含GaAs、AlGaAs、Ge、SiGeSn或缓冲Si。


4.根据权利要求1所述的装置，还包括上覆所述倍增层并且下覆所述有源层的电荷层。


5.根据权利要求1所述的装置，其中所述有源层包含GaInNAs、GaNAsSb、GaInNAsSb、GaInNAsBi、GaNAsSbBi、GaNAsBi或GaInNAsSbBi。


6.根据权利要求1所述的装置，其中所述有源层包含Ga1-xInxNyAs1-y-z(Sb,Bi)z，其中0≤x≤0.4，0＜y≤0.07并且0＜z≤0.2。


7.根据权利要求1所述的装置，其中所述倍增层包括跨越所述层的厚度而线性渐变的带隙，并且特征在于最小带隙和最大带隙。


8.根据权利要求7所述的装置，其中所述最小带隙在0.7eV至1.3eV的范围内，所述最大带隙在0.8eV至1.42eV的范围内。


9.根据权利要求7所述的装置，其中所述最小带隙与所述最大带隙之间的差值为从100meV至600meV。


10.根据权利要求1所述的装置，其中，
所述倍增层包括一个或多个中间层，其中每个所述中间层包含Ga1-xInxNyAs1-y-z(Sb,Bi)z；并且
所述倍增层的特征在于最小带隙和最大带隙。


11.根据权利要求10所述的装置，其中至少一个或多个中间层具有跨越中间层厚度而线性渐变的带隙。


12.根据权利要求10所述的装置，其中所述最小带隙在0.7eV至1.3eV的范围内，所述最大带隙在0.8eV至1.42eV的范围内。


13.根据权利要求10所述的装置，其中所述最小带隙与所述最大带隙之间的差值为从100meV至600meV。


14.根据权利要求10所述的装置，其中线性渐变的中间层的Ga1-xInxNyAs1-y-z...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·鲁卡，S·锡亚拉，A·马罗斯，
申请(专利权)人：阵列光子学公司，
类型：发明
国别省市：美国;US