[发明专利]两级台面铟镓砷/铟磷雪崩光电二极管及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光电检测以及图像传感器领域，涉及一种两级台面的铟镓砷/铟磷InGaAs/InP雪崩光电二极管及其制备方法。

背景技术

近年来，随着物联网、云计算及移动互联网等大数据载体的崛起，信息传输量雪崩式地增长，这使得电路板间、芯片间以及芯片内部的信息通信对带宽提出更高的要求，也对数据中心网络架构形成挑战。传统的电互连发展迟缓，难以满足高性能处理器互连通信的要求。与此相比，光互连以光子作为信息载体，具有损耗低、速度快和延迟小等优点，且能大幅提升通信带宽密度，有效解决互连瓶颈，因而是未来互连的必然趋势。

光接收机作为光互连解决方案的重要组成部分，其核心部件之一就是光探测器件。目前，PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)是目前应用最为广泛的两种光探测器。由于PIN光电二极管没有内部增益，在入射光功率较小时，响应度偏低，因而应用场合受限。雪崩光电二极管(APD)利用光生载流子碰撞离化引发雪崩倍增进行光信号的探测，因而可提供比PIN光电二极管更高的光电流增益。随着光纤通信技术的不断发展，10Gbit/s的APD已成为高速、长距离光纤传输中的关键器件。因此，研制高响应速度、高可靠性、高响应度、低噪声的雪崩光电二极管(APD)具有重要的应用前景。

与InP(铟磷)衬底晶格匹配的InGaAs(铟镓砷)探测器的长波限为1.7μm，其响应范围覆盖了光纤通信的1.31μm和1.55μm波段，而且InGaAs材料在此波段附近的吸收系数高达10⁴cm^-1。因此，InGaAs材料制备的雪崩光电二极管(APD)在光纤通信系统中得到广泛应用。尽管台面型InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)具有制备工艺简单、重复性高等优点，但同样存在边缘电场和表面漏电流高等问题，这些因素严重影响器件的可靠性。为了解决上述问题，Mark A.Itzler等人采用平面型工艺制备了带有浮动保护环的平面型InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)，抑制了边缘击穿，降低了暗电流。但这种平面型器件不仅制备工艺复杂，而且热扩散或离子注入的引入严重影响器件的均匀性。而台面型器件制备工艺简单，性能可靠，本发明提出一种两级台面的InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)，将器件内部的高电场限制在中心区域，减小器件边缘电场，从而达到降低暗电流的目的。

发明内容

为克服现有技术的不足，降低台面型InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)的边缘电场，抑制边缘击穿，降低暗电流，提高器件性能，本发明旨在提出一种两级台面的InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)及其制备方法，在保证器件中心区域高电场的同时，抑制边缘电场，降低器件暗电流，为产业应用提供参考依据。为此，本发明采用的技术方案是，两级台面铟镓砷/铟磷雪崩光电二极管，结构包括N⁺-InP衬底、N-InP缓冲层、N^--铟镓砷In_0.53Ga_0.47As吸收层、N-铟镓砷磷In_(1-x)Ga_xAs_yP_(1-y)组分渐变层、N-InP电荷层、i-InP倍增层、P-InP电场缓冲层以及P⁺-InP接触层；其中，P-InP电场缓冲层经刻蚀形成了浅台面，N-InP缓冲层经刻蚀形成了深台面，In_0.53Ga_0.47As吸收层接收入射光子能量，产生电子空穴对，组分渐变层降低因InP与InGaAs材料的价带差异而引入的空穴势垒，电荷层调节倍增层和吸收层之间的电场分布，保证倍增层有较高的电场，光生载流子在倍增层内不断碰撞电离，引发雪崩倍增。

在一个实例中：

(1)衬底材料选用N型重掺杂的InP材料，厚度为300μm，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3；

(2)缓冲层选用N型掺杂的InP，厚度为1μm，掺杂浓度为6.6×10¹⁶cm^-3；

(3)吸收层选用与InP材料的晶格匹配的In_0.53Ga_0.47As，厚度为2μm；