一种光电探测器结构及其制备方法与流程

1.本技术涉及光纤通信技术领域，特别是涉及一种光电探测器结构及其制备方法。


背景技术：

2.随着光纤通信技术的发展，带宽越来越大，传输距离越来越远，对探测器的响应度和灵敏度要求越来越高。在光电探测器的结构中，吸收层较薄，可以减少光生载流子的渡越时间，提高探测器的响应效率，然而，薄的吸收层不利于将光限制在吸收区中转换为电信号，会降低探测器的量子效率(指某一特定波长下单位时间内产生的平均光电子数与入射光子数之比)，即吸收层的厚度对器件速率和量子效率是一个矛盾的因素。
3.当前在探测器内部采用谐振腔结构，即在器件的底部和顶部设计dbr(distributed bragg reflector，分布式布拉格反射镜)。这种dbr采用低折射率和高折射率两种材料交替生长，各材料层的厚度满足在半导体中入射光波长的1/4。由于dbr的高反射率可以将光限制在吸收区，满足量子效率的要求，因此可以制备薄的吸收层，保证探测器的响应效率。
4.然而，dbr对于光通信窗口1310nm或1550nm的折射率差较小，为了保证高的反射率，需要增大dbr反射镜的对数。然而，对数的增加会增大探测器的电阻和热阻，影响探测器的正常工作。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够保证dbr具有高反射率的同时降低热阻的探测器结构及其制备方法。
6.一种光电探测器结构，包括从下到上依次层叠设置衬底、缓冲层、第一反射层、第二反射层、吸收层、窗口层；
7.在一些实施例中，第一反射层包括交替层叠的(al
x1
ga
y1
)inas层和alinas层；第二反射层包括交替层叠的(al
x2
ga
y2
)inas层和alinas层；其中，x1《x2。
8.在一些实施例中，第一反射层中alinas层的层数大于或者等于第二反射层中alinas层的层数。
9.在一些实施例中，第一反射层中alinas层和第二反射层中alinas层的总大于40。
10.在一些实施例中，(al
x1
ga
y1
)inas层、(al
x2
ga
y2
)inas层和alinas层的厚度满足如下公式：
[0011][0012]
其中，d为厚度，k为大于1的整数，λ为入射光的波长，ne为(al
x1
ga
y1
)inas层、(al
x2
ga
y2
)inas层和alinas层的折射率。
[0013]
在一些实施例中，(al
x1
ga
y1
)inas层和(al
x2
ga
y2
)inas层中满足条件：0＜x1＜0.5，0＜x2＜0.5。
[0014]
在一些实施例中，(al
x1
ga
y1
)inas层和alinas层的交界面、(al
x2
ga
y2
)inas层和alinas层的交界面采用delta掺杂。
[0015]
本技术进一步提供了一种光电探测器结构的制备方法，包括以下步骤：
[0016]
在衬底上外延生长一层缓冲层；
[0017]
在缓冲层上外延生长第一反射层，第一反射层包括交替层叠的(al
x1
ga
y1
)inas层和alinas层；
[0018]
在第一反射层上外延生长第二反射层，第二反射层包括交替层叠的(al
x2
ga
y2
)inas层和alinas层；其中，x1《x2；
[0019]
在第二反射层上依次外延生长吸收层、窗口层。
[0020]
在一些实施例中，在缓冲层上外延生长第一反射层时，还包括：在(al
x1
ga
y1
)inas层生成后的预设时长内，停止外延生长，并向生长(al
x1
ga
y1
)inas层的反应室内通入n型杂质，反应室的温度先降低再升高；在(al
x1
ga
y1
)inas层生成后的预设时长外，生长alinas层；在alinas层生成后的预设时长内，停止外延生长，并向生长反应室内通入n型杂质，反应室的温度先降低再升高；在alinas层生成后的预设时长外，生长(al
x1
ga
y1
)inas层。
[0021]
在一些实施例中，在第一反射层上外延生长第二反射层时，还包括：在(al
x2
ga
y2
)inas层生成后的预设时长内，停止外延生长，并向生长(al
x2
ga
y2
)inas层的反应室内通入n型杂质，反应室的温度先降低再升高；在(al
x2
ga
y2
)inas层生成后的预设时长外，生长alinas层；在alinas层生成后的预设时长内，停止外延生长，并向生长反应室内通入n型杂质，反应室的温度先降低再升高；在alinas层生成后的预设时长外，生长(al
x2
ga
y2
)inas层。
[0022]
在一些实施例中，还包括：第二反射层中最靠近吸收层的层是alinas层，最靠近吸收层的alinas层的生长温度比第二反射层中的其它层材料的生长温度低20℃以上。
[0023]
上述光电探测器结构，在缓冲层和吸收层之间分别设置第一反射层和第二反射层，第一反射层包括交替层叠的(al
x1
ga
y1
)inas层和alinas层，第二反射层包括交替层叠的(al
x2
ga
y2
)inas层和alinas层，x1《x2，即靠近吸收层的(al
x
gay)inas中al组分含量要高于远离吸收层的(al
x
gay)inas中al组分含量。远离吸收层的(al
x
gay)inas中al组分含量较低，(al
x
gay)inas与alinas的折射率差值大，形成的反射层的反射率高，保证高的反射率，避免增大dbr反射镜的对数。与此同时，远离吸收层的(al
x
gay)inas中al组分含量较低，(al
x
gay)inas所吸收的光的波长更长，可能会因为半导体的带尾效应吸收从吸收区外溢的光，减弱反射层的反射效果，并且al组分含量越接近0.5，材料产生的热阻值越高。靠近吸收层的(al
x
gay)inas中al组分含量较高，可以减少对吸收区的外溢的光的吸收，并且降低探测器的热阻值。综上，两个不同a组分的反射层相互配合，整体的复合的反射层可以达到提高反射效果同时减少热阻的效果。
附图说明
[0024]
为了更清楚地说明本技术实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0025]
附图标记说明：
[0026]
图1为一个实施例中光电探测器的结构示意图；
[0027]
图2为一个实施例中光电探测器的结构示意图；
[0028]
图3为一个实施例中光电探测器的结构示意图；
[0029]
图4为一个实施例中光电探测器结构的制备流程示意图；
[0030]
图5为一个实施例中光电探测器结构的制备流程示意图。
具体实施方式
[0031]
为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
[0032]
正如背景技术所述，为了兼顾光电探测器中高响应效率和高量子效率，现有技术在探测器内部结构中设置了用于反射入射光的dbr。但针对光通信窗口1310nm或1550nm，所需dbr的对数较多，同时会引起电阻和热阻的上升，不利探测器的正常工作。
[0033]
基于上述原因，在一个实施例中，如图1所示，提供了一种光电探测器结构，依次包括衬底10、缓冲层20、第一反射层30、第二反射层40、吸收层50、窗口层60。其中，第一反射层30包括交替层叠的(al
x1
ga
y1
)inas层31和alinas层32，第二反射层包括交替层叠的(al
x2
ga
y2
)inas层41和alinas层42，x1《x2。
[0034]
上述光电探测器结构，在缓冲层和吸收层之间分别设置第一反射层和第二反射层，第一反射层包括交替层叠的(al
x1
ga
y1
)inas层和alinas层，第二反射层包括交替层叠的(al
x2
ga
y2
)inas层和alinas层，x1《x2，即靠近吸收层的(al
x
gay)inas中al组分含量要高于远离吸收层的(al
x
gay)inas中al组分含量。远离吸收层的(al
x
gay)inas中al组分含量较低，(al
x
gay)inas与alinas的折射率差值大，形成的反射层的反射率高，保证高的反射率，避免增大dbr反射镜的对数。与此同时，远离吸收层的(al
x
gay)inas中al组分含量较低，(al
x
gay)inas所吸收的光的波长更长，可能会因为半导体的带尾效应吸收从吸收区外溢的光，减弱反射层的反射效果，并且al组分含量越接近0.5，材料产生的热阻值越高。靠近吸收层的(al
x
gay)inas中al组分含量较高，可以减少对吸收区的外溢的光的吸收，并且降低探测器的热阻值。综上，两个不同al组分的反射层相互配合，整体的复合的反射层可以达到提高反射效果同时减少热阻的效果。
[0035]
具体地，衬底10为inp衬底。衬底10为n型掺杂，衬底10的掺杂浓度为3*10
18
cm-3
～7*10
18
cm-3
，如3*10
18
cm-3
、4*10
18
cm-3
、5*10
18
cm-3
、6*10
18
cm-3
、7*10
18
cm-3
等。
[0036]
缓冲层20为inp缓冲层。缓冲层20为n型掺杂，缓冲层20的掺杂浓度为10
18
cm-3
～3*10
18
cm-3
，如10
18
cm-3
、1.5*10
18
cm-3
、2*10
18
cm-3
、2.5*10
18
cm-3
、3*10
18
cm-3
等。缓冲层20选择与衬底10相同材料进行外延生长，可以避免衬底与在衬底上生长的外延层之间晶格常数和热膨胀系数的失配，缓冲衬底和外延层之间因直接接触而产生的应力作用，从而提高外延层的质量。
[0037]
第一反射层30和第二反射层40为n型掺杂。第一反射层30和第二反射层40是一种分布式布拉格反射镜(distributed bragg reflector，简称dbr)。dbr是由一种低折射率材料和一种高折射率材料交替层叠排列组成的周期结构，由于频率落在半导体材料能隙范围内的电磁波无法穿透，布拉格反射镜的反射率可高达99％。在本实施例中，第一反射层30和
第二反射层40可用于反射入射波段的光子，限制进入吸收层30的入射光的外溢，可以实现更高效的光吸收效率。
[0038]
吸收层50为gainas吸收层，吸收层50为非掺杂层。吸收层50可以实现光信号到电信号的转换，这主要是利用了半导体材料的光电导效应，即在光线作用下，半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加。
[0039]
窗口层60为inp窗口层，窗口层60为p型掺杂。窗口层60用于首先接收进入光电探测器的入射光波。
[0040]
上述实施例中，各个外延层上掺杂杂质是为了改善材料的电导性，降低电阻值，有助于载流子扩散或漂移形成电流。
[0041]
在一个实施例中，0＜x1＜0.5，0＜x2＜0.5。例如，(al
x1
ga
y1
)inas层31的al组分为0.172，ga组分为0.301，in组分为0.53，(al
x2
ga
y2
)inas层41的al组分为0.221，ga组分为0.252，in组分为0.53。
[0042]
在一个实施例中，(al
x1
ga
y1
)inas层31和alinas层32的交界面、(al
x2
ga
y2
)inas层41和alinas层42的交界面采用delta掺杂。
[0043]
其中，delta掺杂即掺杂的杂质在生长方向上的浓度呈现出delta函数(冲激函数)的规律，具体表现为掺杂的杂质只分布于(al
x1
ga
y1
)inas层31和alinas层32的交界面和(al
x2
ga
y2
)inas层41和alinas层42的交界面，其他区域内掺杂浓度为0。
[0044]
上述实施例中，在第一反射层30和第二反射层40的两种半导体材料界面之间进行高浓度杂质的掺杂，在半导体材料内部的载流子浓度升高，有利于改善材料界面之间的电导性，有效地减小了由多对第一反射层30和第二反射层40组成的复合结构带来的器件内阻增大，减小大电流下的器件发热，形成高性能且可靠性好的apd探测器。
[0045]
在一个实施例中，第一反射层中alinas层32的层数大于或者等于第二反射层中alinas层42的层数。例如，第一反射层30的alinas层32的层数为34，即第一反射层的对数为34，第二反射层40的alinas层42的层数为10，即第一反射层的对数为10。
[0046]
上述实施例中，由于在第一反射层30中(al
x1
ga
y1
)inas层31的al组分较低，因此第一反射层30产生的电阻和热阻较低，并且(al
x1
ga
y1
)inas层31与alinas层32的折射率差值较大，因此第一反射层30的反射率较高。在探测器反射层中，由于上述第一反射层30的对数比第二反射层40的对数多，因此由第一反射层30和第二反射层40复合而成的反射层主要表现为与第一反射层30相同的性能，光电探测器可以实现高反射率，低热阻的效果。
[0047]
在一个实施例中，第一反射层中alinas层32和第二反射层中alinas层42的总层数大于40，如40、45、50、55、60等。
[0048]
上述实施例中，规定第一反射层中alinas层32和第二反射层中alinas层42的总层数，可以确保第一反射层30和第二反射层40具有满足探测器性能要求的高反射率。
[0049]
在一个实施例中，(al
x1
ga
y1
)inas层31、(al
x2
ga
y2
)inas层41、alinas层32和alinas层42的厚度满足如下公式：
[0050][0051]
其中，d为厚度，k为大于1的整数，λ为入射光的波长，ne为(al
x1
ga
y1
)inas层31、
(al
x2
ga
y2
)inas层41、alinas层32和alinas层42的折射率。
[0052]
上述实施例中，根据公式(1)，当第一反射层30和第二反射层40的反射中心峰改变，可以对应调整各层材料的厚度。
[0053]
示例性地，(al
x1
ga
y1
)inas层31的带隙波长为1287nm，(al
x2
ga
y2
)inas层41的带隙波长为1204nm。根据上述公式(1)，调整第一反射层30和第二反射层40的厚度，使第一反射层30和第二反射层40复合形成的整体反射层的中心反射峰为1300nm。本实施中可具体调整为，alinas层32和alinas层42的厚度皆为100.5nm，(al
x1
ga
y1
)inas层31的厚度为93nm，(al
x2
ga
y2
)inas层41的厚度为95nm。
[0054]
在一个实施例中，如图2所示，该光电探测器结构还包括欧姆接触层70，欧姆接触层70是用于与金属电极之间的接触连接，利于电流的输出。示例性地，欧姆接触层70为p型掺杂的gainasp层。
[0055]
在上述光电探测器结构中，入射光首先被窗口层60接收，入射光进入吸收层50进行光电信号的转换。其中，从吸收层50外溢的入射光会被具有高反射率的第一反射层30和第二反射层40反射到吸收层50内继续完成光电转换。经过入射光的激发而在吸收层30激发的光生载流子在探测器内部结构迁移之后，穿过欧姆接触层70，最后到达探测器两端电极，完成探测器对光信号的响应。其中，金属电极和结构最上层的欧姆接触层70连接，由于欧姆接触层70与金属电极的接触电阻与其他半导体外延层相比很小，因此当有电流流过时，欧姆接触层70上的电压降远小于半导体器件本身的压降，不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著的改变。
[0056]
在一个实施例中，如图3所示，该光电探测器结构还可以包括电荷层80和倍增层90。示例性地，电荷层80为n型掺杂的inp层，倍增层为非掺杂层的inp层。电荷层80在窗口层60之后生长，倍增层90在电荷层80之后生长。
[0057]
上述实施例中，电荷层80用于控制吸收层50和倍增层90的电场，使得倍增层的电场要足够高，以引起雪崩倍增效应。而吸收层的电场要足够低，以抑制漏电流，并能使雪崩光电探测器的耗尽区完全耗尽。倍增层90用于使进入层区内部的光生载流子发生雪崩倍增效应，即从吸收层50转换产生的载流子提供一个强电场，使获得能量的光生载流子撞击原子并发生电离，进一步产生更多光生载流子，实现放大电流的效果，从而本实施例的光电探测器的灵敏度和响应度更高。
[0058]
在一个实施例中，一种光电探测器结构，依次包括n型掺杂的浓度为5*10
18
cm-3
的inp衬底10、n型掺杂的浓度为2*10
18
inp的缓冲层20、n型掺杂的第一反射层30、n型掺杂的第二反射层40、非掺杂的gainas吸收层50、n型掺杂的inp电荷层80、非掺杂的inp倍增层90、p型掺杂的inp窗口层60和p型掺杂的gainasp欧姆接触层70。
[0059]
其中，第一反射层30包括交替层叠的(al
0.172
ga
0.301
)inas层31和alinas层32，第二反射层包括交替层叠的(al
0.221
ga
0.252
)inas层41和alinas层42。
[0060]
(al
0.172
ga
0.301
)inas层31和alinas层32的交界面、(al
0.221
ga
0.252
)inas层41和alinas层42的交界面采用delta掺杂。
[0061]
第一反射层30的alinas层32的层数为34，即第一反射层的对数为34，第二反射层40的alinas层42的层数为10，即第一反射层的对数为10。
[0062]
alinas层32和alinas层42的厚度皆为100.5nm，(al
0.172
ga
0.301
)inas层31的厚度为
93nm，(al
0.221
ga
0.252
)inas层41的厚度为95nm。
[0063]
基于同样的发明构思，本技术实施例还提供了一种用于实现上述结构所涉及的制备方法。以下给出上述结构的制备方法的具体实施方式。所列参数仅为参考,在实际操作过程中应当根据设备的实际情况作出调整，以获得最佳结果。
[0064]
在一个实施例中，如图4所示，该制备方法包括如下步骤：
[0065]
s401，提供一衬底。
[0066]
示例性地，以浓度为5*10
18
cm-3
的inp作为衬底，将衬底放入到第一金属有机化合物化学气相沉积设备的反应室中。设定反应条件，具体为：反应室压力为50mbar，生长温度为670℃，以h2作为载气，反应源气体包括三甲基铟(tmin)、三甲基镓(tmga)、三甲基铝(tmal)、二乙基锌(dezn)、硅烷(sih4)、砷烷(ash3)和磷烷(ph3)。
[0067]
s402，在衬底上外延生长一层缓冲层。
[0068]
示例性地，缓冲层为inp缓冲层，并对缓冲层进行n型掺杂；
[0069]
s403，在缓冲层上外延生长第一反射层，第一反射层包括交替层叠的(al
x1
ga
y1
)inas层和alinas层，并对第一反射层进行n型掺杂。
[0070]
s404，在第一反射层上外延生长第二反射层，第二反射层包括交替层叠的(al
x2
ga
y2
)inas层和alinas层，并对第二反射层进行n型掺杂，其中，x1《x2。
[0071]
示例性地，第一反射层包括(al
0.172
ga
0.301
)inas层和alinas层，第二反射层包括(al
0.221
ga
0.252
)inas层和alinas层。
[0072]
s405，在第二反射层上依次外延生长吸收层。
[0073]
示例性地，在第二反射层上外延生长非掺杂的gainas吸收层。
[0074]
s406，在吸收层上外延生长窗口层和欧姆接触层。
[0075]
示例性地,在吸收层上外延生长窗口层和欧姆接触层包括如下步骤：在gainas吸收层上继续外延生长n型掺杂的inp窗口层、n型掺杂的gainasp欧姆接触层；在结束欧姆接触层的外延生长之后，取出外延片，将外延片放置到第二金属有机化合物化学气相沉积设备的反应室中；对外延片上的窗口层和欧姆接触层进行p型掺杂。
[0076]
具体地，反应室中的反应源气体包括二乙基锌(dezn)和磷烷(ph3)。对外延片上的窗口层和欧姆接触层进行p型掺杂包括：升高反应室温度使dezn裂解并与已生长的外延片里的硅掺杂质进行替换，形成p型掺杂的inp窗口层和p型掺杂的gainasp欧姆接触层。
[0077]
在一实施例中，如图5所示，该制备方法包括如下步骤：
[0078]
s501，提供一衬底。
[0079]
s502，在衬底上外延生长一层缓冲层。
[0080]
s503，在缓冲层上外延生长第一反射层，第一反射层包括交替层叠的(al
x1
ga
y1
)inas层和alinas层，并对第一反射层进行n型掺杂。
[0081]
s504，在第一反射层上外延生长第二反射层，第二反射层包括交替层叠的(al
x2
ga
y2
)inas层和alinas层，并对第二反射层进行n型掺杂，其中，x1《x2。
[0082]
s505，在第二反射层上依次外延生长吸收层。
[0083]
示例性地，在第二反射层上外延生长非掺杂的gainas吸收层。
[0084]
s506，在吸收层上继续外延生长n型掺杂的inp电荷层和非掺杂的inp倍增层。
[0085]
s507，在倍增层上外延生长窗口层和欧姆接触层。
[0086]
上述实施例中，电荷层用于控制吸收层和倍增层的电场，使得倍增层的电场要足够高，以引起雪崩倍增效应。而吸收层的电场要足够低，以抑制漏电流，并能使雪崩光电探测器的耗尽区完全耗尽。倍增层用于使进入层区内部的光生载流子发生雪崩倍增效应，即从吸收层转换产生的载流子提供一个强电场，使获得能量的光生载流子撞击原子并发生电离，进一步产生更多光生载流子，实现放大电流的效果，从而本实施例的光电探测器的灵敏度和响应度更高。
[0087]
在一个实施例中，在缓冲层上外延生长第一反射层包括：在(al
x1
ga
y1
)inas层生成后的预设时长内，停止外延生长，并向生长(al
x1
ga
y1
)inas层的反应室内通入n型杂质，反应室的温度先降低再升高；在(al
x1
ga
y1
)inas层生成后的预设时长外，生长alinas层；在alinas层生成后的预设时长内，停止外延生长，并向生长反应室内通入n型杂质，反应室的温度先降低再升高；在alinas层生成后的预设时长外，生长(al
x1
ga
y1
)inas层。
[0088]
在一个实施例中，在第一反射层上外延生长第二反射层包括：在(al
x2
ga
y2
)inas层生成后的预设时长内，停止外延生长，并向生长(al
x2
ga
y2
)inas层的反应室内通入n型杂质，反应室的温度先降低再升高；在(al
x2
ga
y2
)inas层生成后的预设时长外，生长alinas层；在alinas层生成后的预设时长内，停止外延生长，并向生长反应室内通入n型杂质，反应室的温度先降低再升高；在alinas层生成后的预设时长外，生长(al
x2
ga
y2
)inas层。
[0089]
示例性地，上述预设时长为1～10s，如1s、2s、3s、4s、5s、6s、7s、8s、9s、10s等。预设时长越长，通入的n型杂质越多，外延层界面之间掺杂浓度越高，界面电阻越低，从而探测器通过大电流时产生的热量越少。
[0090]
反应室温度降低温差不超过80℃，如10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃等。
[0091]
在一个实施例中，第二反射层中最靠近吸收层的层是alinas层，最靠近吸收层的alinas层的生长温度比第二反射层中的其它层材料的生长温度低20℃以上。
[0092]
具体地，最靠近吸收层的alinas层的生长温度比第二反射层中的其它层材料的生长温度低如20℃、30℃、40℃等。
[0093]
上述实施例中采用外延方法制备光电探测器的结构，有利于生长不同材料及不同厚度的外延层。
[0094]
应该理解的是，虽然如上所述的各实施例所涉及的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，如上所述的各实施例所涉及的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
[0095]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0096]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员
来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术的保护范围应以所附权利要求为准。