[发明专利]一种高响应度雪崩光电二极管制备方法

说明书

技术领域

本发明属于高灵敏度红外探测器领域，特别是一种高响应度雪崩光电二极管制备方法。

背景技术

雪崩光电二极管在许多微弱光探测领域具有广阔的应用前景，如军事和民用等。相比于PlN探测器，雪崩光电二极管是一种具有内部光电流增益的半导体光电子器件，它应用光生载流子在耗尽层内的碰撞电离效应而获得光电流的雪崩倍增。随着光通信系统速率的提高，器件的量子效率与带宽之间的矛盾更加严重。为了提高雪崩光电二极管的频率响应，需要减小吸收层的外延厚度，然而减小吸收层厚度会降低雪崩光电二极管探测器的外量子效率，即降低了探测器的响应度，从而影响雪崩光电二极管的探测灵敏度。因此，制备高响应度的雪崩光电二极管显得尤为重要。

制备高响应度的雪崩光电二极管主要有以下方法：(1)将有源器件结构置于两个1/4波长薄膜堆栈构成的分布布拉格反射镜中间，符合谐振条件的光线在腔内可以多次反射，增加吸收长度，这样就能在减薄吸收层厚度的同时得到较高的响应度，但是此谐振腔增强型的雪崩光电二极管制作过程比较复杂，可重复性差。(2)采用侧面进光的波导雪崩光电二极管，光从侧面耦合到雪崩光电二极管边缘，进入雪崩光电二极管的吸收层，在吸收层中横向传播，提高了光吸收长度。但由于其工艺的复杂性，不仅生长成本高，而且需要精确控制每一步步骤。(3)通过衬底剥离技术，实现功能层与衬底的分离，削减了衬底对入射光的吸收，提高入射光的利用率；采用增透膜和高反射率金属层相结合的方法，不仅制作成本低，而且制作工艺简单，可重复性高，能够有效提高雪崩光电二极管的响应度。

发明内容

本发明旨在提供一种高响应度雪崩光电二极管制备方法，用于解决雪崩光电二极管响应度与带宽的矛盾问题，同时利用衬底剥离技术，将器件功能外延层与InP衬底剥离，降低衬底内杂质对入射光的吸收，同时衬底的重复利用大大降低了器件制作成本。

为了实现上述目的，本发明提供了一种雪崩光电二极管，其中，所述雪崩光电二极管的外延结构由底层向上具体包括：半绝缘InP衬底、In_0.53Ga_0.47As牺牲层、N型InP欧姆接触层、In_0.53Ga_0.47As吸收层、InGaAsP组分渐变层、厚度为150nm、掺杂浓度为1.5×10¹⁷cm^-3的InP电荷控制层、InP倍增层、InP帽层、重掺杂P型In_0.53Ga_0.47As欧姆接触层，其中，所述雪崩光电二极管为通过腐蚀所述牺牲层而剥离衬底形成的垂直型背入射雪崩光电二极管。

本发明还提供了一种雪崩光电二极管的制备方法，其包括以下步骤：

步骤一：生长外延片，所述外延片由底层向上具体包括：半绝缘InP衬底、牺牲层、N型InP欧姆接触层、吸收层、InGaAsP组分渐变层、InP电荷控制层、InP倍增层、InP帽层、重掺杂P型欧姆接触层；

步骤二：刻蚀台面至牺牲层；

步骤三：在外延片表面及侧壁形成钝化层；

步骤四：光刻刻蚀出牺牲层上表面，利用腐蚀液腐蚀掉牺牲层，实现InP衬底与外延片的分离；

步骤五：在剥离后的外延片的N型欧姆接触层上制备光学增透膜并图形化，为电极制备做准备；

步骤六：将P型欧姆接触层上表面的钝化层刻蚀掉；

步骤七：在N型和P型欧姆接触层上形成金属层，并制备电极并退火形成良好的欧姆接触；

步骤八：在P型欧姆接触层上的金属层上再蒸镀一层平坦高反射率的金属层。

对于本发明所采用的牺牲层材料是In_0.53Ga_0.47As，In_0.53Ga_0.47As与InP衬底晶格匹配，在其表面生长外延功能层时，不会产生晶格失配，而雪崩光电二极管的性能与外延层层内的位错及表面粗糙度密切相关，外延层的位错及表面粗糙度严重影响器件的暗电流特性。所以采用In0.53Ga0.47As材料作为牺牲层，不会对功能外延层的晶体质量产生影响。

另外，器件采用底入射式进光，并借助P型金属层的高反射特性，大大提高了器件的光吸收长度，相比于普通正入射含衬底的台面雪崩光电二极管结构，所述器件的响应度至少提高1.5倍。并且剥离后的衬底经处理后可重复利用，大大降低了器件制备成本。