專利名稱：一種近紅外單光子探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，具體涉及一種對近紅外微弱光信號進(jìn) 行探測的近紅外單光子探測器。
背景技術(shù)：
單光子探測技術(shù)在高分辨率的光譜測量、非破壞性物質(zhì)分析、高速現(xiàn) 象檢測、精密分析、大氣測污、生物發(fā)光、放射探測、高能物理、天文 測光、光時域反射、量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。特別是 近年來量子通信技術(shù)、量子密碼術(shù)的研究不斷引起各國的重視，對紅外 通信波段單光子探測器的研究也就顯得尤為迫切。
現(xiàn)有的單光子探測器，對光信號的放大采用的是利用空穴引起雪崩倍
增放大光信號，其倍增層材料為1nP，然而空穴的遷移率較低，抑制探 測器的探測頻帶，另外，InP材料的空穴與電子的離化率較接近，使得 探測器有較大的噪聲因素；利用InGaAs的厚度增加來提高探測器的量 子效率，這同樣也限制了探測頻率。另外，由于制造工藝的要求較高， 目前市場上的紅外單光子探測器的探測效率低，噪聲大且工藝復(fù)雜，可 重復(fù)性低等缺點。為了克服這些缺點，我們提出了本發(fā)明。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種近紅外單光子探測器結(jié)構(gòu)，其具有量子 效率高、增益帶寬積大、噪聲低的特點。特別是工藝要求低，可重復(fù)性 好。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一種近紅外單光子探測器結(jié)構(gòu)，其特
征在于，包括
(1)襯底，該襯底用于在其上進(jìn)行探測器各層材料外延生長；(2) 緩沖層，該緩沖層制作在襯底上；
(3) N型歐姆接觸層，該N型歐姆接觸層制作在緩沖層上；
(4) 超晶格倍增層，該超晶格倍增層制作在N型歐姆接觸層上；
(5) 電場控制層，該電場控制層制作在超晶格倍增層上；
(6) 帶隙漸變層，該帶隙漸變層制作在電場控制層上；
(7) 光吸收層，該光吸收層制作在帶隙漸變層上；
(8) 緩沖層，該緩沖層制作在光吸收層上；
(9) P型歐姆接觸層，該P(yáng)型歐姆接觸層制作在緩沖層上； 其中該襯底為InP襯底； 其中該緩沖層為非摻雜的InP材料；
其中該N型歐姆接觸層為N型InAlAs材料；
其中該超晶格倍增層為InAlAs/InAlGaAs材料；
其中該電場控制層為N型InAlAs材料；
其中該帶隙漸變層為InAIGaAs四元化合物材料；
其中該吸收層為InGaAs材料；
其中該緩沖層為InP材料；
其中該P(yáng)型歐姆接觸層為InGaAs材料；
其中所描述的超晶格倍增層為InAlAs/lnAlGaAs周期結(jié)構(gòu)，其超晶格 倍增層厚度為230nm到300nm之間，在每一周期中，InAlAs厚度為13nm， InAIGaAs厚度為8nm。由于超晶格的能帶不連續(xù)性以及可以人為控制導(dǎo) 帶和價帶值間的非對稱性帶邊不連續(xù)性(AEc AEv)，使電子離化率的 增加量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空穴能量對空穴離化率的貢獻(xiàn)，從而獲得大的增益-帶寬 積和低噪聲性能。
其中所描述的光吸收層為輕摻雜的P型InGaAs，該層設(shè)計采用摻雜 濃度漸變的兩層結(jié)構(gòu)，首先在帶隙漸變層上外延生長150nm厚的IriGaAs， 濃度為4.0xl016cm-3，然后在繼續(xù)外延生長650nm，濃度為1.0xlO"cm-3，
其作用是使得吸收層電場向異質(zhì)結(jié)界面處緩慢增加，可以減少載流子的 渡越時間以及降低隧穿暗電流；光接收采用側(cè)面邊入射方式，利用器件 的橫向結(jié)構(gòu)作為光吸收的路徑，使得在不改變吸收層厚度時，器件有較 高的量子效率。


圖1是根據(jù)本發(fā)明提出的近紅外帶單光子探測器的剖面圖圖2是根據(jù)本發(fā)明提出的近紅外單光子探測器材料結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合圖1詳細(xì)說明依據(jù)本發(fā)明實施例的近紅外單光子探測器細(xì)
襯底11，該襯底用于在其上進(jìn)行探測器各層材料的外延生長；
緩沖層12，該緩沖層制作在襯底11上，為非摻雜的n型InP材料。其目的是形成高質(zhì)量的外延表面，減小襯底與其它各層之間的應(yīng)力，消除襯底的缺陷向其它各層的傳播，以利于器件其它各層的生長；
N型歐姆接觸層13，該N型歐姆接觸層制作在緩沖層12上，為重?fù)诫s的N型InAlAs，其目的是為了實現(xiàn)良好的歐姆接觸，采用重?fù)诫s是為了減小串聯(lián)電阻，提高器件的轉(zhuǎn)化效率；
超晶格倍增層14，該超晶格倍增層制作在N型歐姆接觸層13上，其作用是利用超晶格的能帶不連續(xù)以及可以人為控制導(dǎo)帶和價帶值間的非對稱性帶邊不連續(xù)性(AEc AEv)，來提高探測器的增益帶寬積以及降低噪聲；
電場控制層15，該電場控制層制作在超晶格倍增層14，其作用是控制超晶格倍增層與吸收層的電場分布，避免吸收層發(fā)生雪崩擊穿、減少隧穿暗電流，提高倍增層電場分布。該層為高摻雜的P型InAlAs材料，厚度為低于50nm，濃度為3.0xlO"cm-3;
帶隙漸變層16，該帶隙漸變層制作在電場控制層15上，為InGaAlAs四元化合物，其作用為平緩化吸收層與電場控制層之間的能帶帶隙，減少載流子的在異質(zhì)結(jié)界面處的堆積，降低隧穿暗電流；
吸收層17，該層制作在帶隙漸變層16上，其作用是接受器件外部入射光，并產(chǎn)生電子-空穴對，其材料為輕摻雜的P型InGaAs材料，該層設(shè)計采用摻雜濃度漸變的兩層結(jié)構(gòu)，首先在帶隙漸變層上外延生長150nm厚的InGaAs，濃度為4.0xl016cm-3，然后在繼續(xù)外延生長650nm，濃度為1.0xl016cm-3，其作用是使得吸收層電場向異質(zhì)結(jié)界面處緩慢增加，可以減少載流子的渡越時間以及降低隧穿暗電流；
緩沖層18，該緩沖層制作在吸收曾17上，其目的是防止吸收層材料受高摻雜的歐姆接觸層影響，其材料為輕摻雜的P型InP材料，厚度為200腿；
P型歐姆接觸層19，該P(yáng)型歐姆接觸層制作在緩沖層18上，為重?fù)诫s的P型InGaAs，其目的是為了實現(xiàn)良好的歐姆接觸，采用重?fù)诫s是為了減小串聯(lián)電阻，提高器件的轉(zhuǎn)化效率；
金屬電極21，該金屬電極實在器件光刻腐蝕以后，在歐姆接觸層13或19上淀積而成。
本發(fā)明提出一種近紅外單光子探測器，采用了超晶格結(jié)構(gòu)作為倍增層，利用能帶工程調(diào)整能帶的不連續(xù)性，使得器件有較好的增益帶寬積，可以達(dá)到lOOGHz以上以及較底噪聲系數(shù)；采用了分層結(jié)構(gòu)的光吸收層可以有效地減少載流子的渡越時間，降低隧穿暗電流。
本發(fā)明所涉及到的近紅外單光子探測器結(jié)構(gòu)能夠容易的采用現(xiàn)有的外延設(shè)備MBE生長，器件的成品率高，可重復(fù)性好。
其制備工藝如下
首先光刻，定義出器件的N型歐姆接觸區(qū)，利用濕法刻蝕，將器件兩側(cè)面腐蝕至如圖2所示的InAlAs N型歐姆接觸層，中心臺面為P型歐姆接觸區(qū)，這里采用的腐蝕液體積配比為H2SO4:H2O2:H2O=l:l:40。
至此已經(jīng)結(jié)合優(yōu)選實施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述。應(yīng)該理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進(jìn)行各種其它的改變、替換和添加。因此，本發(fā)明的范圍不局限于上述特定實施例，而應(yīng)由所附權(quán)利要求所限定。
權(quán)利要求
1. 一種近紅外單光子探測器，其特征在于，包括襯底，該襯底用于在其上進(jìn)行探測器各層材料外延生長；緩沖層，該緩沖層制作在襯底上；N型歐姆接觸層，該N型歐姆接觸層制作在緩沖層上；超晶格倍增層，該超晶格倍增層制作在N型歐姆接觸層上；電場控制層，該電場控制層制作在超晶格倍增層上；帶隙漸變層，該帶隙漸變層制作在電場控制層上；光吸收層，該光吸收層制作在帶隙漸變層上；緩沖層，該緩沖層制作在光吸收層上；P型歐姆接觸層，該P(yáng)型歐姆接觸層制作在緩沖層上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的探測器，其特征在于，所述襯底為InP襯底。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的探測器，其特征在于，述緩沖層為非 摻雜的InP材料。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的探測器，其特征在于，所述N型歐姆 接觸層為N型InAlAs材料。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的探測器， 增層為InAlAs/ItiAlGaAs材料。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的探測器， 層為N型InAlAs材料。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的探測器， 層為InAlGaAs四元化合物材料。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的探測器， InGaAs材料。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的探測器，其特征在于，所述緩沖層為InP 材料。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l或2所述的探測器，其特征在于，所述P型歐姆 接觸層為InGaAs材料。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的探測器，其特征在于，所述超晶格結(jié)其特征在于，所述超晶格倍 其特征在于，所述電場控制 其特征在于，所述帶隙漸變 其特征在于，所述吸收層為倍增層，通過人為控制導(dǎo)帶和價帶值間的非對稱性帶邊不連續(xù)性(△Ec〉>AEv)，使電子離化率的增加量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空穴能量對空穴離化率的貢獻(xiàn)，從而獲得大的增益-帶寬積和低噪聲性能。
12.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的探測器，其特征在于，所述吸收層采 用器件與光纖耦合處位于器件的側(cè)面光注入模式，且光吸收層采用兩層 濃度漸變結(jié)構(gòu)，從而有效的提高量子效率與增益-帶寬積。
全文摘要
本發(fā)明是一種近紅外單光子探測器。所述探測器包括襯底，緩沖層，N型歐姆接觸層，超晶格倍增層，電場控制層，帶隙漸變層和光吸收層。通過引入超晶格結(jié)構(gòu)，以及吸收層漸變結(jié)構(gòu)達(dá)到提高探測器的性能，特別在探測器的探測頻率、噪聲影響都有極大的改善，能夠有效地提高探測器的增益帶寬積。另外，本發(fā)明所涉及的探測器制備，工藝簡單，可重復(fù)性高。
文檔編號H01L31/101GK101465389SQ20071017989
公開日2009年6月24日 申請日期2007年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月19日
發(fā)明者孟 吳, 曹延名, 楊富華 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所