一种光探测器及其制备方法

技术领域

本发明涉及光探测器技术领域，尤其涉及一种光探测器及其制备方法。

背景技术

光探测器是进行光电转换的器件，光探测器可应用于光通信、光学测量、光谱分析、图像传感、光电自动控制等诸多领域。光探测器的性能指标包括带宽、响应度、量子效率等。随着科技发展，人们对于探测器的要求也进一步提高。

传统的大直径半导体光探测器是在掺杂浓度很高的P型和N型之间，加进一个接近本征材料的I区，形成PIN结构，具有有源区面积大与光程小的特点，因此其带宽与量子效率普遍偏低。为了解决上述问题，通常采用谐振腔、微孔等来控制探测器中的载流子和光子，可以缓解带宽与量子效率之间的矛盾，使两者同时得到提高，谐振腔、微孔等结构的引入可以对入射光场进行调控，增加了光子与材料的相互作用，实现吸收层中的光吸收增强，但采用谐振腔、微孔等结构，对于带宽和量子效率的影响是非常有限的。

发明内容

本发明提供一种光探测器及其制备方法，用以解决现有大直径半导体光探测器因为其有源区面积大与光程小的特点，而致使带宽与量子效率普遍偏低的缺陷。

本发明提供一种光探测器，包括：

衬底；

生长于所述衬底上的外延片结构，所述外延片结构由上而下依次包括欧姆接触层、P型掺杂层、本征吸收层、N型掺杂层和绝缘层，以在欧姆接触层上形成有源区台面，所述有源区台面上刻蚀有倒锥形槽和V型槽；所述倒锥形槽和所述V型槽依次贯穿所述欧姆接触层、所述P型掺杂层和所述本征吸收层，所述倒锥形槽和所述V型槽的底部位于所述N型掺杂层；

接触电极，所述接触电极包括P电极和N电极，所述P电极布置于所述外延片结构的有源区台面上，所述外延片结构的N型掺杂层周向区域大于本征吸收层周向区域，以在所述N型掺杂层大于所述本征吸收层的周向区域布置所述N电极。

根据本发明提供的一种光探测器，所述倒锥形槽位于所述有源区台面中心，所述V型槽围绕所述倒锥形槽呈环形周向布置。

根据本发明提供的一种光探测器，所述欧姆接触层为铟砷化镓接触层，所述P型掺杂层和所述N型掺杂层为高掺杂磷化铟掺杂层，所述本征吸收层为铟砷化镓吸收层。

根据本发明提供的一种光探测器，所述P电极包括围绕所述倒锥形槽的第一电极部和围绕所述V型槽的第二电极部，所述第一电极部和所述第二电极部通过连接电极部形成连接。

根据本发明提供的一种光探测器，所述衬底为磷化铟衬底，所述P电极和所述N电极均采用金材质或铝材质。

本发明还提供一种光探测器的制备方法，适用于上述任意一项所述的光探测器的制备，包括：

在衬底上生长出外延片；

在外延片顶层制作P电极；

吸收区台面的刻蚀；

在外延片结构上制作N电极；

隔离台面刻蚀；

外延片结构表面钝化与预固化；

开电极孔与固化以及微结构的刻蚀；

制作共面波导大电极，完成光探测器的制备。

根据本发明提供的一种光探测器的制备方法，所述吸收区台面的刻蚀包括外延片结构各个层的刻蚀，所述外延片结构各个层的刻蚀采用湿法腐蚀，其中，所述本征吸收层的腐蚀液是H

所述微结构的刻蚀是采用干法刻蚀方法在外延片结构的有源区台面上构造倒锥形槽和V型槽。

根据本发明提供的一种光探测器的制备方法，所述P电极的制作通过以下方式进行：

采用负胶工艺将P接触电极图案转移到有源区台面的光刻胶上，并按照铂-钛-铂-金的顺序将金属溅射到有源区台面，最后利用丙酮剥离光刻胶，完成P电极的制备；

所述N电极是在外延片N型掺杂层上利用负胶工艺及磁控溅射金属制作而成。

根据本发明提供的一种光探测器的制备方法，在光探测器制备电极之前，需要优化电极结构，包括：

建立电极的三维仿真模型：添加金属电极和电极衬底，设定电极衬底的厚度为h

设置边界条件：建立电极的三维模型之后，在电极的三维模型外侧创建一个电极三维模型的空气盒子作为辐射边界，空气盒子的大小至少为工作波长的1/4，使电磁波可以通过辐射边界辐射出电极的三维模型；

定义好辐射边界条件后，在金属电极的P电极和N电极之间设置集总端口激励来模拟模型内部的能量交换；在金属电极和电极衬底的侧面设置波端口激励作为电极的三维模型与外界交换能量的窗口；

设定扫频方式为插值扫频方式；

开始对电极的三维模型进行仿真，遍历h

根据本发明提供的一种光探测器的制备方法，所述共面波导大电极包括与P电极连接的P电极片和与N电极连接的N电极片；

所述N电极接出的所述N电极片有两片，所述P电极片在竖直方向的投影位于两片所述N电极片之间，以通过所述P电极片和所述N电极片检测制备好的光探测器的性能。

本发明提供的一种光探测器及其制备方法，通过对光探测器进行微结构设计，在光探测器有源区台面中心加入倒锥形槽结构，在倒锥形槽结构周围加入V型槽结构，通过减小有源区面积和增加光程，使得带宽和量子效率都得到了有效提升。在HFSS中模拟构建设计好的探测器结构，对其电极性能进行仿真，在HFSS中通过遍历部分参数对电极进行优化，使得特征阻抗参数和传输损耗参数达到了探测器电极的参数需求。根据优化后的参数进行光探测器的制备，打破原有大直径PIN-PD的基础结构，有效提升了器件带宽与量子效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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。

图1示意性地示出了本发明提供的光探测器的立体结构；

图2示意性地示出了本发明提供的光探测器的切面结构(不同于图1切面的另一角度切面)；

图3示意性地示出了在HFSS中电极优化结构；

图4示意性地示出了在HFSS中电极优化结束后的特征阻抗参数；

图5示意性地示出了在HFSS中电极优化结束后的传输耗能参数。

附图标记：

1、衬底；2、欧姆接触层；3、P型掺杂层；4、本征吸收层；5、N型掺杂层；6、绝缘层；7、倒锥形槽；8、V型槽；9、接触电极；91、P电极；911、第一电极部；912、第二电极部；913、连接电极部；92、N电极。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

下面结合图1～图5描述本发明的光探测器及其制备方法。

本发明的一个具体实施例提供一种光探测器，结合图1和图2所示，包括衬底1和生长于衬底1上的外延片结构以及接触电极9，其中，外延片结构由上而下依次包括欧姆接触层2、P型掺杂层3、本征吸收层4、N型掺杂层5和绝缘层6，以在欧姆接触层2上形成有源区台面，所述有源区台面上刻蚀有倒锥形槽7和V型槽8，所述倒锥形槽7和所述V型槽8的依次贯穿所述欧姆接触层2、所述P型掺杂层3和所述本征吸收层4，所述倒锥形槽7和所述V型槽8的底部位于所述N型掺杂层5。接触电极9包括P电极91和N电极92，所述P电极91布置于所述外延片结构的有源区台面上，所述外延片结构的N型掺杂层5周向区域大于本征吸收层4周向区域，以在所述N型掺杂层5大于所述本征吸收层4的周向区域布置所述N电极92。

可以理解的是，本实施例的外延片结构，在有源区台面刻蚀有倒锥形槽7和V型槽8的微结构，使得有源区台面面积减小、光程增加，使得带宽和量子效率都得到了有效提升。

具体地，量子效率的计算可以通过下述公式一进行：

其中，η为本征量子效率，A为探测器有源区面积，hv为光子能量，R

光探测器的带宽由载流子渡越时间和RC时间常数决定，载流子渡越时间带宽可通过公式二和公式三进行计算：

其中

则RC时间常数限制的3dB带宽可通过下列公式进行计算：

其中，ε为介电常数，A为结区面积，R

PIN光探测器的3dB带宽可近似表示为：

本实施例的外延片结构，在有源区台面刻蚀有倒锥形槽7和V型槽8的微结构，来控制探测器中的载流子和光子，可以缓解带宽与量子效率之间的矛盾，使两者同时得到提高。微结构的引入可以对入射光场进行调控，增加了光子与材料的相互作用，实现吸收层中的光吸收增强，最终增大了量子效率与带宽。

在一些具体实施例中，所述倒锥形槽7位于所述有源区台面中心，所述V型槽8围绕所述倒锥形槽7呈环形周向布置。合理的结构和位置设计，能使最终形成的光探测器带宽更高。

欧姆接触层2为铟砷化镓接触层(InGaAs)，P型掺杂层3和N型掺杂层5为高掺杂磷化铟掺杂层(InP)，其中，P型掺杂层3的参杂浓度为5.0×10

常规情况下，接触电极9可以是圆环形的单电极，但是在本发明的光探测器的外延片结构中，单电极的结构会造成只获得部分带宽和只有部分光生载流子被导出，从而会影响带宽与响应度，在本发明的一些实施例中，所述P电极91包括围绕所述倒锥形槽7的第一电极部911和围绕所述V型槽8的第二电极部912，所述第一电极部911和所述第二电极部912通过连接电极部913形成连接。再次结合图1和图2所示，倒锥形槽7位于有源区台面中心，第一电极部911呈环形围绕着倒锥形槽7，V型槽8围绕着倒锥形槽7布置成环形围绕结构，则第二电极部912也呈环形布置，第一电极部911和第二电极部912最后通过连接电极部913进行连接，电极部913下方对应为外延片实体，将V型槽8分成两个半环形，最终形成“双电极”结构，保证带宽与响应度。

衬底1的材料为半导体材料，可以使用磷化铟衬底(InP)，P电极91和N电极92需要良好的导电性，一般可采用金(Au)、铝(Al)等金属材质，在本实施例中，采用Au作为所需的金属电极。

本发明还提供一种光探测器的制备方法，适用于上述光探测器的制备，包括：

在衬底1上生长出外延片(晶片)；

清洗外延片、去除表面杂质：在后工艺开始之前要对外延片进行清洗烘干，清洗过程为使用丙酮-无水乙醇-去离子水反复清洗三至五次，之后使用氮气吹掉外延片表面的水分并烘干外延片；

制备P电极91：采用负胶工艺将P电极91图案转移到晶片表面的光刻胶上，并将厚度为20nm的铂、20nm的钛、20nm的铂、300nm的金按照顺序溅射到晶片表面，接着使用丙酮剥离光刻胶，完成P电极91的制备；

吸收区台面的刻蚀：利用腐蚀液刻蚀出有源区的台面，首先在有源区上方用正胶工艺覆盖上一层光刻胶作为保护层，之后根据外延片结构选用不同的腐蚀液将晶片除台面外的部分刻蚀至N型掺杂层5。

制备N电极92：采用负胶工艺将N电极92图案转移到N型掺杂层5大于本征吸收层4的周向区域的光刻胶上，并将厚度为20nm的铂、20nm的钛、20nm的铂、300nm的金按照顺序溅射到晶片表面，接着使用丙酮剥离光刻胶，完成N电极92的制备。

隔离台面刻蚀：因为在一篇外延片上会制作很多光探测器或阵列，且N型掺杂层5为高接杂的半导体材料，因此各器件之间会产生电串扰，需要将各器件进行电隔离。这一步需要在N电极92制作完成后将除N型掺杂层5台面之外的外延片部分刻蚀至半绝缘的衬底处。

表面钝化与预固化：在隔离台面刻蚀完成后，需要在外延片表面涂敷一层用于表面钝化的聚酰亚胺层。涂敷聚酰亚胺的方式与旋涂光刻胶的方式一致，但因为聚酰亚胺较粘稠，因此需要匀胶机转速更高。聚酰亚胺涂敷完成后,需要烘烤以预固化聚酰亚胺钝化层。

开电极孔与固化：在预固化完成后，采用负胶工艺与显影在钝化层上开出共面波导电极与接触电极的连接孔，开孔时间根据聚酰亚胺的厚度进行调整。开孔完成后，在电炉中将晶片加热至250摄氏度使得聚酰亚胺固化。热固性聚酰亚胺固化后蠕动变小、拉伸强度大，可以有效地保护制备好的光探测器台面结构。在这一步骤中还要在外延片结构的有源区台面上进行微结构的刻蚀，微结构的刻蚀是采用电感耦合等离子体(ICP)干法刻蚀方法在外延片结构的有源区台面上构造倒锥形槽7和V型槽8，ICP干法刻蚀步骤有装片、抽真空、刻蚀、取片等步骤。使用高选择比的刻蚀气体制备光探测器的台面，使用低选择比的刻蚀气体制作斜面微结构，构造出倒锥形槽7和V型槽8。

制作共面波导大电极：这一步与制作接触电极(P电极91和N电极92)相似，在固化完成后将与外部连接的共面波导电极溅射在钝化层表面，同时该电极通过开出的电极孔与接触电极相连从而完成光探测器的制备。

制备共面波导大电极与前面镀接触电极方法类似，所镀金属为120nm Ti和300nmAu，具体地，共面波导大电极包括与P电极91连接的P电极片和与N电极92连接的N电极片；N电极92接出的所述N电极片有两片，所述P电极片在竖直方向的投影位于两片所述N电极片之间，以通过所述P电极片和所述N电极片检测制备好的光探测器的性能。

上述过程中，吸收区台面的刻蚀包括外延片结构各个层的刻蚀，外延片结构各个层的刻蚀采用湿法腐蚀，本征吸收层4的腐蚀液是H

光探测的频率响应不仅与其内部结构参数有关，而且受电极电容等外部结构参数影响，因此，需要对光探测器的电极结构进行合理设计并进行建模仿真，因此，在光探测器制备电极之前，先优化电极结构，可以在HFSS(HFSS—High_Frequency StructureSimulator，是Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件)中建立电极结构的三维仿真建模，根据电极结构的三维仿真模型优化接触电极结构。

在HFFS中建立仿真模型，对电极进行优化设计，选择的是正入射电极，衬底电极结构选用共面波导结构，参见图3所示，图中P电极片的宽度用于表示信号线宽度S，P电极片和N电极片之间的距离表示接地线与信号线之间的槽宽W，且满足(S+W/2)＜100μm。

电极三维仿真模型的优化过程具体如下：

建立电极的三维仿真模型：添加金属电极和电极衬底，设定电极衬底的厚度为h

设置边界条件：建立电极的三维模型之后，采用辐射(Radiation)边界条件定义HFSS工具的求解空间，即在电极的三维模型外侧创建一个电极三维模型的空气盒子作为辐射边界，空气盒子的大小至少为工作波长的1/4，使电磁波可以通过辐射边界辐射出电极的三维模型；

设置端口激励：定义好辐射边界条件后，在金属电极的P电极和N电极之间设置集总端口激励来模拟模型内部的能量交换；在金属电极和电极衬底的侧面设置波端口激励作为电极的三维模型与外界交换能量的窗口；

选择扫频方式：HFSS中常用的扫频方式有三种：快速扫频、离散扫频和插值扫频。本实施例在0GHz～100GHz频带范围内进行分析，对于高速信号的频域仿真分析应选择插值扫频方式，因此设定扫频方式为插值扫频方式；

上述电极仿真结构设定结束后，开始对电极的三维模型进行仿真，遍历h

电极结构优化后，特征阻抗参数Z

在图4和图5所示例的实施例中，电极衬底的厚度h

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。