本發(fā)明屬于半導體技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種單行載流子光電探測器及其制作方法。

背景技術(shù)：

光電探測器是光纖通信系統(tǒng)中不可缺少的組成部分，也是決定整個系統(tǒng)性能優(yōu)劣的關(guān)鍵元件之一。在大容量的超高速光通信系統(tǒng)中，人們在選取光電探測器時通?？紤]三個重要的參量，即：寬帶寬、高效率和高飽和輸出功率。對于傳統(tǒng)的PIN光探測器，由于受到空間電荷效應的限制，很難在高電流密度條件下保持高速響應。為了克服這一困難，1997年NTT光子實驗室T.Ishibashi等人成功研制了一種新的光探測器——單行載流子光探測器(UTC-PD)，只讓遷移率大的電子作為有緣載流子流過結(jié)區(qū)，大大提高了探測器的響應速度。

單行載流子光電二極管(UTC-PD)是一種高速、高飽和輸出的新型光電探測器，其結(jié)構(gòu)特點是由p型中性光吸收層和n型寬帶隙集結(jié)層構(gòu)成，并且只用電子作為有源載流子。由于電子漂移速度遠高于空穴，因此需要更強的入射激光激發(fā)產(chǎn)生更大量的電子才能引起電子的囤積，所以與PIN-PD相比，UTC-PD有效地抑制了空間電荷效應。電子的擴散時間要比電子的漂移時間長,UTC-PD的速度性能可以通過利用具有內(nèi)建場的光吸收層加以改善。吸收層中的內(nèi)建場引起電子輸運的漂移成分,有利于電子更快地向集結(jié)層運動。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種單行載流子光電探測器及其制作方法，用于提升單行載流子光電二極管的響應帶寬以及高的飽和電流。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

本發(fā)明實施例公開了一種單行載流子光電探測器，包括襯底、外延層和電極，所述外延層包括吸收層，該吸收層采用In_1-x-yGa_xAl_yAs材料生長，其中0<y<1，0<1-x-y<1，組分參數(shù)x、y呈線性或梯度變化，使得吸收層內(nèi)的禁帶寬度實現(xiàn)線性或梯度變化。

優(yōu)選的，在上述的單行載流子光電探測器中，所述組分參數(shù)x、y的選取使得In_1-x-yGa_xAl_yAs材料的晶格常數(shù)與InP匹配，同時，其禁帶寬度不大于波長為1.3μm的激光的光子能量。

優(yōu)選的，在上述的單行載流子光電探測器中，所述吸收層In_1-x-yGa_xAl_yAs材料的帶隙滿足：0.74eV<E_g(In_1-x-yGa_xAl_yAs)<0.94eV。

優(yōu)選的，在上述的單行載流子光電探測器中，所述吸收層包括依次層疊的In_0.53Ga_0.44Al_0.03As、In_0.53Ga_0.40Al_0.07As和In_0.53Ga_0.35Al_0.12As吸收層。

優(yōu)選的，在上述的單行載流子光電探測器中，所述電極包括形成于外延層表面的正面電極，該正面電極采用二硫化鉬薄膜/金屬。

優(yōu)選的，在上述的單行載流子光電探測器中，所述外延層包括依次形成于所述襯底和吸收層之間的緩沖層、次收集層、第一接觸層、雙集結(jié)層、崖層和傳導層，所述外延層還包括依次形成于吸收層上的阻擋層和第二接觸層。

優(yōu)選的，在上述的單行載流子光電探測器中，所述傳導層InGaAs/InP偶極子異質(zhì)結(jié)。

優(yōu)選的，在上述的單行載流子光電探測器中，所述雙集結(jié)層包括依次層疊的InP收集層、P型InP崖層和InP收集層。

相應的，本發(fā)明還公開了一種單行載流子光電探測器的制作方法，包括：

(1)在襯底上生長外延層；

(2)在外延層表面形成MoS₂薄膜作為正面電極；

(3)蝕刻分別形成p型和n型電極臺面

(4)利用等離子體增強化學氣相沉積法沉積鈍化層；

(5)沉積電極材料，并用剝離技術(shù)剝離多余的電極形成p型電極和n型電極；

(6)利用光刻技術(shù)和暴露出單行載流子光電探測器單元的增透膜的圖形；然后利用等離子體增強化學氣相沉積法沉積增透膜層；

(7)蝕刻出單行載流子光電探測器的光敏面。

優(yōu)選的，在上述的單行載流子光電探測器的制作方法中，所述步驟(2)中，正面電極的制作方法包括：

s1、采用化學氣相沉積法，并用SiO₂/Si為生長基體制備二硫化鉬薄膜；

s2、在二硫化鉬薄膜上涂覆轉(zhuǎn)移介質(zhì)；

s3、用去離子水分離轉(zhuǎn)移介質(zhì)/MoS₂薄膜與SiO₂/Si襯底；

s4、將轉(zhuǎn)移介質(zhì)/MoS₂薄膜粘貼到外延層表面；

s5、除去轉(zhuǎn)移介質(zhì)，得到粘貼MoS₂薄膜的單行載流子光電探測器外延層。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：本發(fā)明提出一種新吸收區(qū)結(jié)構(gòu)，對吸收區(qū)組分采用線性或梯度摻雜，形成內(nèi)建電場，加速電子的傳導，從而縮短了電子在吸收區(qū)的渡越時間，保證了單行載流子光電探測器的頻率響應。采用本發(fā)明旨在進一步提升器件的響應度和帶寬，對發(fā)展超寬帶光纖通信及太赫茲無線通信系統(tǒng)具有重大意義。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明中記載的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1所示為本發(fā)明具體實施例中單行載流子光電探測器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2所示為本發(fā)明具體實施例中外延層的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3所示為本發(fā)明具體實施例中吸收層采用線性漸變的能帶結(jié)構(gòu)圖；

圖4所示為本發(fā)明具體實施例中吸收層采用梯度變化的能帶結(jié)構(gòu)圖；

圖5所示為本發(fā)明具體實施例中單行載流子光電探測器的制備流程圖；

圖6所示為本發(fā)明具體實施例中二硫化鉬薄膜的工藝制備流程圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行詳細的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

結(jié)合圖1和圖2所示，單行載流子光電探測器包括半絕緣單晶InP襯底1、外延層、正面電極11、氮化硅鈍化層12、p型電極13、n型電極14、氮化硅增透層15和光敏面16。外延層包括依次形成于襯底1上的InP緩沖層2、InP次收集層3、InGaAs n型接觸層4、InP雙集結(jié)層5、InP崖層6、InGaAs/InP傳導層7、InGaAlAs吸收層8、InAlAs阻擋層9、InGaAs p型接觸層10。

InGaAlAs吸收層8采用In_1-x-yGa_xAl_yAs材料生長，其中x、y代表Al和In組分，0<y<1，0<1-x-y<1，組分參數(shù)x、y呈線性或梯度變化，使得吸收區(qū)內(nèi)的禁帶寬度實現(xiàn)線性或梯度變化，且組分參數(shù)x、y的選取使得In_1-x-yGa_xAl_yAs材料的晶格常數(shù)與InP匹配，同時，其禁帶寬度不大于波長為1.3μm的激光的光子能量。

結(jié)合圖3所示，在一實施例中，吸收層In_1-x-yGa_xAl_yAs材料的組分從靠近p型接觸層的一端朝靠近n型接觸層的一端呈線性漸變，使得吸收區(qū)內(nèi)的禁帶寬度實現(xiàn)線性變化310。

結(jié)合圖4所示，在另一實施例中，吸收層In_1-x-yGa_xAl_yAs材料的組分從靠近p型接觸層的一端朝靠近n型接觸層的一端呈梯度漸變，使得吸收區(qū)內(nèi)的禁帶寬度實現(xiàn)梯度變化311。其具體設計方案如下：

進一步地，吸收層In_1-x-yGa_xAl_yAs材料中，靠近p型接觸層一端的組分為In_0.53Ga_0.35Al_0.12As，靠近n型接觸層的一端的組分為In_0.53Ga_0.47As，中間組分呈線性漸變或呈階躍式梯度變化。

在優(yōu)選的實施例中，靠近p型接觸層一端為寬帶隙材料，靠近n型接觸層的一端為窄帶隙材料，吸收層8的結(jié)構(gòu)包括：In_0.53Ga_0.35Al_0.12As吸收層83、In_0.53Ga_0.40Al_0.07As吸收層82和In_0.53Ga_0.44Al_0.03As吸收層81，使能帶呈現(xiàn)呈階躍式梯度變化311。

進一步地，吸收區(qū)In_1-x-yGa_yAl_xAs材料的晶格常數(shù)應與InP相匹配，x、y滿足：0.4681<x+y<0.4787。

進一步地，In_1-x-yGa_xAl_yAs材料的帶隙為：

E_g(In_1-x-yGa_xAl_yAs)＝0.360+0.629x+2.093y+0.436x²+0.577y²+1.013xy。

其中0.74eV<Eg(In_1-x-yGa_xAl_yAs)<0.94eV。

該技術(shù)方案中，采用的梯度能帶結(jié)構(gòu)引入的內(nèi)建電場顯著增強了吸收區(qū)內(nèi)的電場強度，增強的電場將有效加速電子的漂移，可有效降低單行載流子光電二極管吸收區(qū)內(nèi)電子的渡越時間，保證了單行載流子光電探測器高的頻率響應。

InGaAs/InP傳導層7采用偶極子結(jié)構(gòu)，包括InGaAs層72和InP層71，平滑帶隙，防止電子在In_1-x-yGa_xAl_yAs/InP界面處堆積，縮短電子的傳導時間。

正面電極11是二硫化鉬薄膜/金屬形成。二硫化鉬薄膜通過化學氣相沉積制備，轉(zhuǎn)移到P型接觸層上，與金屬形成歐姆接觸，這有效抑制電學損耗，大大提高光電探測器的響應度和量子效率。

InP雙集結(jié)層5作為耗盡層，以P型崖層作為犧牲層。具體地，InP雙集結(jié)層5包括InP收集層51、P型InP崖層52、InP收集層53。

該技術(shù)方案中，耗盡層采用雙集結(jié)層結(jié)構(gòu)，抑制空間電荷效應，充分利用速度過沖效應，有效地提高飽和輸出電流，避免在高入射功率和高電壓的條件下產(chǎn)生的電流飽和熱損耗。

結(jié)合圖5所示，單行載流子光電探測器的制作方法包括以下步驟：

(1)光電探測器外延層的生長

光電探測器是采用MBE的生長方式在半絕緣單晶InP襯底1上制備，即遠離襯底1的方向依次生長InP緩沖層2、InP次收集層3、InGaAs n型接觸層4、InP雙集結(jié)層5、InP崖層6、InGaAs/InP傳導層7、InGaAlAs吸收區(qū)8、InAlAs阻擋層9、InGaAs p型接觸層10。

(2)二硫化鉬薄膜的制備及轉(zhuǎn)移，結(jié)合圖6所示。

s1、首先采用化學氣相沉積法，并以SiO₂/Si為生長基體制備二硫化鉬薄膜。

s2、利用旋涂方法在二硫化鉬薄膜上涂覆轉(zhuǎn)移介質(zhì)聚苯乙烯。

s3、用去離子水分離SiO₂/Si襯底和轉(zhuǎn)移介質(zhì)/二硫化鉬薄膜。

s4、將轉(zhuǎn)移介質(zhì)/二硫化鉬薄膜轉(zhuǎn)移到In_1-x-yGa_xAl_yAs/InP外延層頂端，然后用有機溶劑丙酮等除去轉(zhuǎn)移介質(zhì)聚苯乙烯，并退火2h，完成二硫化鉬薄膜11與In_1-x-yGa_xAl_yAs/InP外延層的粘貼。

正面電極采用二硫化鉬薄膜與金屬形成歐姆接觸，有利于降低電損耗，提高光電探測器的響應率和光耦合效率。

(3)光電探測器制作

S1、采用光刻、干法、濕法技術(shù)得到光電探測器的P型臺面和N型臺面。

S2、采用光刻、干法、濕法技術(shù)得到獨立的光電探測器單元。

S3、光刻技術(shù)暴露單行載流子探測器單元鈍化層圖形，PECVD沉積氮化硅鈍化層12。

S4、利用光刻技術(shù)暴露出單行載流子光電探測器單元的電極圖形，磁控濺射技術(shù)或電子束蒸發(fā)技術(shù)沉積Ti/Pt/Au金屬，剝離后形成p型電極13和n型電極14。

S5、光刻技術(shù)和暴露出單行載流子光電探測器單元的增透膜的圖形，PECVD沉積氮化硅增透層15。

S6、利用光刻技術(shù)和干法刻蝕技術(shù)，蝕刻出單行載流子光電探測器的光敏面16。

綜上所述，本發(fā)明提出一種新吸收區(qū)結(jié)構(gòu)，對吸收區(qū)組分采用線性或梯度摻雜，形成內(nèi)建電場，加速電子的傳導，從而縮短了電子在吸收區(qū)的渡越時間，保證了單行載流子光電探測器高的頻率響應。所述的傳導層采用偶極子結(jié)構(gòu)，平滑帶隙，防止電子在In1-x-yGaxAlyAs/InP界面處堆積，縮短電子的傳導時間。所述的耗盡區(qū)采用雙集結(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)，抑制空間電荷效應，充分利用速度過沖效應，有效地提高飽和輸出電流，避免在高入射功率和高電壓的條件下產(chǎn)生的電流飽和熱損耗。所述的正面電極是二硫化鉬薄膜/金屬形成。二硫化鉬薄膜通過化學氣相沉積制備，轉(zhuǎn)移到P型接觸層上，與金屬形成歐姆接觸，這有效抑制電學損耗。本發(fā)明旨在進一步提升器件的響應度和帶寬，對發(fā)展超寬帶光纖通信及太赫茲無線通信系統(tǒng)具有重大意義。

需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關(guān)系術(shù)語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區(qū)分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關(guān)系或者順序。而且，術(shù)語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。

以上所述僅是本發(fā)明的具體實施方式，應當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。