[发明专利]吸收层变掺杂InGaAs雪崩光电二极管及制备方法

说明书

本发明公开了一种吸收层变掺杂InGaAs雪崩光电二极管及制备方法，结构包括：N⁺InP衬底，在所述N⁺InP衬底上从下到上依次设置有N‑InP缓冲层、多层不同掺杂浓度的N‑In_(1‑x)Ga_xAs吸收层、N‑In_(1‑x)Ga_xAs_yP_(1‑y)渐变层、N‑InP电荷层、本征掺杂的InP倍增层及P⁺‑InP接触层。方法包括：利用金属有机物化学气相沉积在N型重掺杂的InP衬底上依次外延生长上述层；利用等离子体增强化学气相沉积技术、以光刻胶为掩膜，向下刻蚀二氧化硅，最后去除光刻胶；以二氧化硅为掩膜，使用反应离子刻蚀技术对InGaAs外延结构进行刻蚀；利用电子束蒸发并使用快速热退火技术使金属和半导体材料形成欧姆接触，降低接触势垒。

技术领域

本发明涉及光电检测以及图像传感器领域，尤其涉及一种吸收层变掺杂InGaAs雪崩光电二极管及制备方法。

背景技术

单光子探测作为一种重要的微弱信号检测技术，在量子信息技术、高分辨率光谱检测、DNA分析、激光测距、三维成像及光时域反射等方面都有十分广泛的应用。目前，广泛应用的单光子探测器主要有光电倍增管(PMT)和雪崩光电二极管(APD)。PMT通常是在高真空玻璃内封装光电阴极、聚焦电极、数个二次打拿极和光电阳极。当入射光子照射到光电阴极时，因外光电效应而产生光电子，在倍增管内强电场的加速作用下，这些光电子顺序碰撞二次打拿极，产生大量的二次电子，从而发生倍增放大，最后阳极收集放大后的电子作为信号输出。虽然光电倍增管具有响应速度快、增益高、噪声低等优点，但是体积大、工作电压高、对磁场敏感等缺点限制了其在诸多场合的应用。而雪崩光电二极管是利用内光电效应，通过雪崩倍增机制进行光信号放大，具有全固态、体积小、动态范围大、分辨率高、可与信号处理芯片单片集成等特点，因而成为单光子探测领域的研究热点之一。

近年来，随着量子保密通信的迅猛发展，尤其是远距离量子密钥分发的研究取得极大进展，这使得工作在红外波段的单光子探测器越来越受到人们的重视。与InP衬底晶格匹配的InGaAs探测器的长波限为1.7μm，其响应范围覆盖了长波光纤通信的1.31μm和1.55μm波段，在光纤通信需求的推动下得到了飞速发展，是短波红外领域应用最广泛的材料体系。InGaAs雪崩光电二极管(APD)的吸收层采用InGaAs材料，而倍增层为InP。因此，InGaAs雪崩光电二极管多采用吸收层和倍增层分离(Separate Absorption Grading ChargeMultiplication,SAGCM)结构。贯穿电压是SAGCM结构雪崩光电二极管所独有的特性参数，只有当器件达到贯穿电压，吸收层产生的光生载流子进入倍增层，器件才能正常工作。贯穿电压和击穿电压间的电压范围，就是器件的工作电压范围。尽管目前已对InGaAs雪崩光电二极管进行了大量研究，但这些工作的着眼点大多是通过优化器件的制备工艺，降低器件的暗电流和暗计数。例如，Lee Kiwon等人^[1]采用锌(Zn)扩散工艺制备出InGaAs/InP雪崩光电二极管，其在240K时的暗计数低至每个脉冲2.8×10^-3；Alberto Tosi等人^[2]通过优化InGaAs/InP雪崩光电二极管的锌(Zn)扩散工艺和反应参数，在225K，5V过偏压条件下的探测效率可达30％@1550nm，半高全宽低至90ps。

为了降低InGaAs雪崩光电二极管的暗电流，通常器件工作在200～250K低温条件下。Sara Pellegrini等人^[3]指出，载流子的离化系数随着温度的降低而升高，进而导致击穿电压降低，变化速率约为0.17V/K，而贯穿电压随温度的变化不明显。因此，随着工作温度的降低，器件工作电压范围随之减小。然而，目前还没有一套较为系统的拓宽InGaAs雪崩光电二极管(APD)工作电压范围，以及降低器件功耗的方法。

参考文献