专利名称：光探测器集成器件及制备方法
技术领域：
本发明涉及光信号探测技术领域，特别涉及一种光探测器集成器件及制备方法。
背景技术：
移动性、无线化、数字化和宽带化是当今信息业的发展趋势，超高速、超大容量成为信息传送追求的主要目标。随着社会信息化程度的深入，城域以太网、IPTV、高清电视、移动多媒体、视频流媒体等新业务的不断涌现，人类社会对于信息传输带宽的需求一直在以惊人的速度增长。与此同时，人们对于无线通信的需求也急剧增长，尤其随着3G、4G时代的到来使人们实现“任何时间、任何地点以任何方式”获得各种多媒体信息的梦想成为现实的同时，带来的是对更大的传输容量和更快的传输速率的需求与挑战。因此，对整个系统中光信号探测部分——光电探测器提出了更大带宽的挑战。为此，NTT公司的T. Ishibashi等人提出了单载流子传输探测器 (Uni-Traveling-Carrier Photodiode, UTC-PD)，替代传统的 PIN 型光电二极管，实现了响应速率的大幅提升。传统的PIN型光电二极管，其吸收区在耗尽区，产生的光生电子-空穴载流子对在电场的作用下分别向N型收集区和P型收集区漂移，直至被收集并形成电流。 但是由于空穴载流子的漂移速率很慢，比电子的漂移速率慢得多，因此探测器的电流响应速率主要受限于空穴的渡越时间。而UTC探测器，采用了将吸收区放在P型区的做法，电子-空穴对在P型区产生，由于空穴是多子，直接通过大量空穴的集体运动就能在其弛豫时间内被收集，虽然电子需要经过P区吸收区和I型耗尽区后到达N区才能被收集，但是由于电子本身的漂移速率要比空穴快得多，因此相比传统的PIN型探测器，UTC探测器获得了更高的响应速率。近年来，随着微波光子学领域的发展，不仅要求探测器具有大带宽的特性，同时也要求探测器具有很好的响应度，即光电转换效率，以提高系统的增益特性，以及较高的饱和电流。探测器的光电转换效率，一方面受限于吸收材料的吸收系数，另一方面受限于吸收材料的厚度。对于面向光通信波段的半导体光电探测器来说，通常都采用InGaAs等窄禁带半导体材料作为吸收材料，以Ina53Giia47As材料为例，其光吸收系数约为0. 7 μ πΓ1。对于波导结构的探测器来说，沿光传输方向的吸收区厚度通常都达到几十微米量级，长度足以将波导中的光完全吸收，光电转换效率很容易做的很高。但是波导结构探测器的响应度主要是受到光纤耦合损耗的限制。虽然国内外科研工作者设计了不同的波导结构来提高光纤耦合效率，比如采用消逝场耦合的稀释波导技术，能够获得很高的耦合效率。但是此类结构设计复杂，制作工艺难度大，器件的成本相对也高。同时，波导结构光探测器难以实现很高的饱和电流。对于台面结构探测器来说，更容易实现较高的饱和特性，然而由于光入射的方向垂直与器件表面，要提高吸收效率，则需要提高吸收区的厚度。但是不论是对于传统的PIN结构探测器，还是单载流子传输探测器，增加吸收区的厚度都会导致载流子的渡越时间相应增加，从而导致探测器带宽恶化。
发明内容
(一)要解决的技术问题本发明要解决的技术问题是如何在保持UTC探测器响应带宽和饱和功率的前提下提高探测器的光电转换效率。( 二 )技术方案为解决上述技术问题，本发明提供了一种光探测器集成器件，包括半导体衬底、 由下到上层叠在所述半导体衬底之上的至少两个单载流子传输探测器，所述每个单载流子传输探测器均包括p型宽禁带阻挡层、P型窄禁带吸收层、非高掺杂宽禁带载流子耗尽层、 N型宽禁带载流子收集层及至少一层重掺杂欧姆接触层；位于最底部的单载流子传输探测器底部的重掺杂欧姆接触层上设置有第一电极，位于最顶部的单载流子传输探测器顶层的重掺杂欧姆接触层上设置有第三电极。其中，包括两个单载流子传输探测器，位于所述半导体衬底上的第一单载流子传输探测器和位于所述第一单载流子传输探测器上的第二单载流子传输探测器，所述第一单载流子传输探测器包括位于所述第一单载流子传输探测器底层的P 型重掺杂欧姆接触层，依次往上层叠的P型宽禁带电荷阻挡层，P型窄禁带吸收层，非高掺杂宽禁带载流子耗尽层，N型宽禁带载流子收集层，N型重掺杂欧姆接触层；所述第二单载流子传输探测器包括位于所述第二单载流子传输探测器顶层的P 型重掺杂欧姆接触层，依次往下层叠的P型宽禁带电荷阻挡层，P型窄禁带吸收层，非高掺杂宽禁带载流子耗尽层，N型宽禁带载流子收集层，所述N型重掺杂欧姆接触层。其中，包括两个单载流子传输探测器，位于所述半导体衬底上的第一单载流子传输探测器和位于所述第一单载流子传输探测器上的第二单载流子传输探测器，所述第一单载流子传输探测器包括位于所述第一单载流子传输探测器底层的N 型重掺杂欧姆接触层，依次往上层叠的N型宽禁带载流子收集层，非高掺杂宽禁带载流子耗尽层，P型窄禁带吸收层，P型宽禁带电荷阻挡层，P型重掺杂欧姆接触层；所述第二单载流子传输探测器包括位于所述第二单载流子传输探测器顶层的N 型重掺杂欧姆接触层，依次往下层叠的N型宽禁带载流子收集层，非高掺杂宽禁带载流子耗尽层，P型窄禁带吸收层，P型宽禁带电荷阻挡层，所述P型重掺杂欧姆接触层。其中，包括两个单载流子传输探测器，位于所述半导体衬底上的第一单载流子传输探测器和位于所述第一单载流子传输探测器上的第二单载流子传输探测器，所述第一单载流子传输探测器包括位于所述第一单载流子传输探测器底层的P 型重掺杂欧姆接触层，依次往上层叠的P型宽禁带电荷阻挡层，P型窄禁带吸收层，非高掺杂宽禁带载流子耗尽层，N型宽禁带载流子收集层，N型重掺杂欧姆接触层；所述第二单载流子传输探测器包括位于所述第二单载流子传输探测器顶层的N 型重掺杂欧姆接触层，依次往下层叠的N型宽禁带载流子收集层，非高掺杂宽禁带载流子耗尽层，P型窄禁带吸收层，P型宽禁带电荷阻挡层，P型重掺杂欧姆接触层；或第一单载流子传输探测器的N型重掺杂欧姆接触层和第二单载流子传输探测器的P型重掺杂欧姆接触层仅保留其中一层。其中，包括两个单载流子传输探测器，位于所述半导体衬底上的第一单载流子传输探测器和位于所述第一单载流子传输探测器上的第二单载流子传输探测器，
所述第一单载流子传输探测器包括位于所述第一单载流子传输探测器底层的N 型重掺杂欧姆接触层，依次往上层叠的N型宽禁带载流子收集层，非高掺杂宽禁带载流子耗尽层，P型窄禁带吸收层，P型宽禁带电荷阻挡层，P型重掺杂欧姆接触层；所述第二单载流子传输探测器包括位于所述第二单载流子传输探测器顶层的P 型重掺杂欧姆接触层，依次往下层叠的P型宽禁带电荷阻挡层，P型窄禁带吸收层，非高掺杂宽禁带载流子耗尽层，N型宽禁带载流子收集层，N型重掺杂欧姆接触层；或第一单载流子传输探测器的P型重掺杂欧姆接触层和第二单载流子传输探测器的N型重掺杂欧姆接触层仅保留其中一层。其中，所述的半导体衬底和所述最底部的单载流子传输探测器之间还包括缓冲层。其中，位于最底部和最顶部的单载流子传输探测器之间的重掺杂欧姆接触层上还设置有第二电极。其中，所述第一电极和第三电极连接。其中，所述的半导体衬底为半绝缘型半导体衬底。其中，在每个单载流子传输探测器的P型窄禁带吸收层和非高掺杂宽禁带载流子耗尽层之间均设有非高掺杂能带过渡层。其中，非高掺杂能带过渡层的材料包括组分梯度变化的InGaAsP材料或者基于 InGaAs/InP材料的啁啾超晶格结构材料。其中，每个单载流子传输探测器的非高掺杂宽禁带载流子耗尽层的材料掺杂类型为非故意掺杂、N型非高掺杂、P型非高掺杂中的任意一种，或者上述掺杂类型的多层组合。其中，每个单载流子传输探测器的P型窄禁带吸收层的材料为InGaAs、GaAsSb、 InGaAsP, GaInAsSb的任意一种或以上材料的多层组合。其中，每个单载流子传输探测器的P型宽禁带电荷阻挡层、N型宽禁带载流子收集层和非高掺杂宽禁带载流子耗尽层，三层的材料独立地满足以下的技术特征所述材料是 InP, InGaAs, InAlAs, InGaAsP, AlGaInAs, AlAsSb, GaInAsSb 中的任意一种，或以上材料的多层组合；而且所述材料的禁带宽度须不窄于所述P型窄禁带吸收层的材料的禁带宽度。
其中，每个单载流子传输探测器的P型重掺杂欧姆接触层、N型重掺杂欧姆接触层的材料，独立地满足以下的技术特征所述材料是hP、InGaAs, InAlAs, InGaAsP, AlGaInAs, AlAsSb, GaInAsSb中的任意一种，或以上材料的多层组合。其中，每个单载流子传输探测器的相应层的材料的组分均保持一致，且各层材料的晶格常数之间的差异不大于0. 1%。本发明还提供了一种光探测器集成器件的制备方法，包括以下步骤Al 对半导体衬底进行抛光、化学有机清洗处理；A2 在所述半导体衬底上生长缓冲层半导体材料；A3 在所述缓冲层半导体材料上生长如上述任一项所述的光探测器集成器件中的单载流子传输探测器的各层材料；A4:在最底部的单载流子传输探测器底部的重掺杂欧姆接触层上制作第一电极， 在最顶部的单载流子传输探测器顶层的重掺杂欧姆接触层上制作第三电极，或者还在最底部和最顶部的两个单载流子传输探测器之间的重掺杂欧姆接触层上制作第二电极。
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本发明还提供了一种光探测器集成器件的制备方法，包括以下步骤Bl 对第一半导体衬底和第二半导体衬底进行抛光、化学有机清洗处理；B2 在所述第一半导体衬底和第二半导体衬底上，分别生长第一缓冲层半导体材料和第二缓冲层半导体材料；B3:在所述第一缓冲层半导体材料和第二缓冲层半导体材料上分别生长如上述任一项所述的光探测器集成器件中的单载流子传输探测器的各层材料。B4:将两个第一缓冲层半导体材料和第二缓冲层半导体材料的外延层面对面键合起来，使键合面两侧的两个单载流子传输探测器通过重掺杂接触层结合起来；B5 去掉所述第二半导体衬底和第二缓冲层半导体材料；B6:在最底部的单载流子传输探测器底部的重掺杂欧姆接触层上制作第一电极， 在最顶部单载流子传输探测器顶层的重掺杂欧姆接触层上制作第三电极，或者还在最底部和最顶部的两个单载流子传输探测器之间的重掺杂欧姆接触层上制作第二电极。本发明还提供了一种光探测器集成器件的制备方法，包括以下步骤Cl 对第一半导体衬底和第二半导体衬底进行抛光、化学有机清洗处理；C2 在所述第一半导体衬底，生长第一缓冲层半导体材料；C3:在所述第一缓冲层半导体材料上依次生长如上述任一项所述的光探测器集成器件中的单载流子传输探测器的各层材料；C4 将第一半导体衬底的外延面和第二半导体衬底表面面对面键合起来；C5 去掉半所述第一半导体衬底和第一缓冲层半导体材料；C6:在最底部的单载流子传输探测器底部的重掺杂欧姆接触层上制作第一电极， 在最顶部的单载流子传输探测器顶层的重掺杂欧姆接触层上制作第三电极，或者还在最底部和最顶部的两个单载流子传输探测器之间的重掺杂欧姆接触层上制作第二电极。(三)有益效果本发明通过外延生长技术垂直生长两个单载流子传输探测器，或通过键合技术单片集成两个垂直的单载流子传输探测器，形成在光路上串联的双探测器结构，有利于提高探测器的光电转换效率，且结构简单。
图1是本发明实施例1的PIN-NIP型双UTC结构、面入射式光探测器集成器件结构示意图；图2是本发明实施例2的NIP-PIN型双UTC结构、面入射式光探测器集成器件结构示意图；图3是本发明实施例3的PIN-PIN型双UTC结构、面入射式光探测器集成器件结构示意图；图4是本发明实施例4的NIP-NIP型双UTC结构、面入射式光探测器集成器件结构示意图；图5是本发明实施例的一种基于半导体外延技术、在半绝缘InP衬底上生长 PIN-NIP型双UTC结构、面入射式光探测器集成器件示意图；图6是本发明实施例的一种基于半导体外延技术和键合技术的NIP-PIN型双UTC结构、面入射式光探测器集成器件示意图；图7是本发明实施例的一种基于半导体外延技术和键合技术的PIN-NIP型双UTC 结构、面入射式光探测器集成器件示意图。图8是图1中的光探测器集成器件的电极示意图，将其上下电极相连作为一个同一个电极输出，将中间电极作为另一个电极输出；图9是图1中光探测器集成器件示的入射光方位示意图，其中左图表示光从正面入射，右图表示光从背面入射。
具体实施例方式本发明提供了一种面入射式光探测器集成器件，通过半导体材料外延方法和键合技术等垂直集成两个光探测部分，形成在光路上串联的双探测器结构，有利于提高探测器的光电转换效率。下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。实施例1如图1中(a)所示，为PIN-NIP型双UTC结构的光探测器集成器件。该光探测器集成器件由下到上依次包括半绝缘InP衬底101、P型缓冲层102，P型重掺杂欧姆接触层 103，P型宽禁带电荷阻挡层104，P型窄禁带吸收层105，非高掺杂宽禁带载流子耗尽层106， N型宽禁带载流子收集层107，N型重掺杂欧姆接触层108，N型宽禁带载流子收集层109，非高掺杂宽禁带载流子耗尽层110，P型窄禁带吸收层111，P型宽禁带电荷阻挡层112，P型重掺杂欧姆接触层113。并在器件制作过程中，在P型重掺杂欧姆接触层103、N型重掺杂欧姆接触层108和P型重掺杂欧姆接触层113上分别制作P电极122、N电极121和P电极 120。该器件包含了两个光探测部分，分别是单载流子传输探测器131(最底部的单载流子传输探测器，直接位于衬底上的单载流子传输探测器为最底部的单载流子传输探测器)和单载流子传输探测器132(最顶部的单载流子传输探测器)。其中，单载流子传输探测器131包括P型重掺杂欧姆接触层103，P型宽禁带电荷阻挡层104，P型窄禁带吸收层 105，非高掺杂宽禁带载流子耗尽层106，N型宽禁带载流子收集层107，N型重掺杂欧姆接触层108。单载流子传输探测器132包括N型重掺杂欧姆接触层108，N型宽禁带载流子收集层109，非高掺杂宽禁带载流子耗尽层110，P型窄禁带吸收层111，P型宽禁带电荷阻挡层112，P型重掺杂欧姆接触层113。N型重掺杂欧姆接触层108为两个单载流子传输探测器共有。该光探测器集成器件是在半绝缘InP衬底101上依次长成的其中P型缓冲层102 可以去掉，如图1中(b)所示的探测器集成器件。实施例2如图2中(a)所示，为NIP-PIN型双UTC结构的光探测器集成器件，该光探测器集成器件由下到上依次包括半绝缘InP衬底201、N型缓冲层202，N型重掺杂欧姆接触层 203，N型宽禁带载流子收集层204，非高掺杂宽禁带载流子耗尽层205，P型窄禁带吸收层 206，P型宽禁带电荷阻挡层207，P型重掺杂欧姆接触层208，P型宽禁带电荷阻挡层209， P型窄禁带吸收层210，非高掺杂宽禁带载流子耗尽层211，N型宽禁带载流子收集层212，N型重掺杂欧姆接触层213。并在器件制作过程中，在N型重掺杂欧姆接触层203、P型重掺杂欧姆接触层208和N型重掺杂欧姆接触层213上分别制作N电极222、P电极221和P电极 220。该器件包含了两个光探测部分，分别是单载流子传输探测器231和单载流子传输探测器232。其中，单载流子传输探测器231包括N型重掺杂欧姆接触层203，N型宽禁带载流子收集层204，非高掺杂宽禁带载流子耗尽层205，P型窄禁带吸收层206，P型宽禁带电荷阻挡层207，P型重掺杂欧姆接触层208。单载流子传输探测器232包括P型重掺杂欧姆接触层208，P型宽禁带电荷阻挡层209，P型窄禁带吸收层210，非高掺杂宽禁带载流子耗尽层211，N型宽禁带载流子收集层212，N型重掺杂欧姆接触层213。P型重掺杂欧姆接触层208为两个单载流子传输探测器共有。该光探测器集成器件是在半绝缘InP衬底201上依次长成的其中N型缓冲层202 可以去掉，如图2中(b)所示的探测器集成器件。实施例3如图3中(a)所示，为PIN-PIN型双UTC结构的光探测器集成器件，该光探测器集成器件由下到上依次包括半绝缘InP衬底301、P型缓冲层302，P型重掺杂欧姆接触层 303，P型宽禁带电荷阻挡层304，P型窄禁带吸收层305，非高掺杂宽禁带载流子耗尽层306， N型重掺杂载流子收集层307，N型重掺杂连接层308，P型宽禁带电荷阻挡层309，P型窄禁带吸收层310，非高掺杂宽禁带载流子耗尽层311，N型宽禁带载流子收集层312，N型重掺杂欧姆接触层313。并在器件制作过程中，在P型重掺杂欧姆接触层303和N型重掺杂欧姆接触层313上分别制作P电极322、N电极320。该器件包含了两个光探测部分，分别是单载流子传输探测器331和单载流子传输探测器332。其中，单载流子传输探测器331包括P型重掺杂欧姆接触层303，P型宽禁带电荷阻挡层304，P型窄禁带吸收层305，非高掺杂宽禁带载流子耗尽层306，N型重掺杂载流子收集层307，N型重掺杂连接层308。单载流子传输探测器332包括N型重掺杂连接层308，P型宽禁带电荷阻挡层309，P型窄禁带吸收层310，非高掺杂宽禁带载流子耗尽层 311，N型宽禁带载流子收集层312，N型重掺杂欧姆接触层313。N型重掺杂欧姆接触层308 为两个单载流子传输探测器共有。其中，N型重掺杂欧姆接触层308也可以替换为P型重掺杂欧姆接触层，或者N型重掺杂欧姆接触层308和其可替换的P型重掺杂欧姆接触层两者都存在(两者都存在的情况如单载流子传输探测器331的顶层为N型重掺杂连接层308， 单载流子传输探测器332的底层为P型重掺杂欧姆接触层)。该光探测器集成器件是在半绝缘InP衬底301上依次长成的其中N型缓冲层302 可以去掉，如图3中(b)所示的探测器集成器件。实施例4如图4中(a)所示，为NIP-NIP型双UTC结构的光探测器集成器件，该光探测器集成器件由下到上依次包括半绝缘InP衬底401、N型缓冲层402，N型重掺杂欧姆接触层 403、N型宽禁带载流子收集层404，非高掺杂宽禁带载流子耗尽层405，P型窄禁带吸收层 406，P型宽禁带电荷阻挡层407，P型重掺杂欧姆接触层408、N型宽禁带载流子收集层409、 非高掺杂宽禁带载流子耗尽层410、P型窄禁带吸收层411、P型宽禁带电荷阻挡层412、P型重掺杂欧姆接触层413。并在器件制作过程中，在N型重掺杂欧姆接触层403和P型重掺杂欧姆接触层413上分别制作P电极422、N电极420。该器件包含了两个光探测部分，分别是单载流子传输探测器431和单载流子传输探测器432。其中，单载流子传输探测器431包括N型重掺杂欧姆接触层403、N型宽禁带载流子收集层404，非高掺杂宽禁带载流子耗尽层405，P型窄禁带吸收层406，P型宽禁带电荷阻挡层407，P型重掺杂欧姆接触层408。单载流子传输探测器432包括P型重掺杂欧姆接触层408、N型宽禁带载流子收集层409、非高掺杂宽禁带载流子耗尽层410、P型窄禁带吸收层411、P型宽禁带电荷阻挡层412、P型重掺杂欧姆接触层413。其中，P型重掺杂欧姆接触层408也可以替换为N型重掺杂欧姆接触层，或者P型重掺杂欧姆接触层408和其可替换的N型重掺杂欧姆接触层两者都存在(两者都存在的情况如单载流子传输探测器431的顶层为P型重掺杂连接层408，单载流子传输探测器432的底层为N型重掺杂欧姆接触层)。该光探测器集成器件是在半绝缘InP衬底401上依次长成的其中N型缓冲层402 可以去掉，如图4中(b)所示的探测器集成器件。上述实施例1 4的光探测器集成器件采用了台面结构，在电极之外的地方以及台面的侧壁，均采用SiNx或BCB等绝缘介质钝化并填平。入射光既可以采用从正面入射的方式，也采用可以从背面入射的方式，并对入射端面进行抗反射镀膜。当光从背面入射时， 为了提高器件性能和光的利用效率，优选地，顶部电极采用不透明的金属电极，将未能吸收的光全部反射回去，从而再次经过吸收区，提高吸收效率。上述实施例1 4的光探测器集成器件中，在每个单载流子传输探测器的P型窄禁带吸收层和非高掺杂宽禁带载流子耗尽层之间均设有非高掺杂能带过渡层。该过渡层的材料包括组分梯度变化的InGaAsP材料或者基于InGaAs/InP材料的啁啾超晶格结构材料。每个单载流子传输探测器的非高掺杂宽禁带载流子耗尽层的材料掺杂类型为非故意掺杂、N型非高掺杂、P型非高掺杂中的任意一种，或者上述掺杂类型的多层组合。每个单载流子传输探测器的P型窄禁带吸收层的材料为InGaAs、GaAsSb、InGaAsP,GaInAsSb的任意一种或以上材料的多层组合。每个单载流子传输探测器的P型宽禁带电荷阻挡层、N型宽禁带载流子收集层和非高掺杂宽禁带载流子耗尽层，三层的材料独立地满足以下的技术特征所述材料是 InP、InGaAsUnAlAs、InGaAsP、AWaInAs、AlAsa、GaInAsSb 中的任意一种， 或以上材料的多层组合；而且所述材料的禁带宽度须不窄于所述P型窄禁带吸收层的材料的禁带宽度。每个单载流子传输探测器的P型重掺杂欧姆接触层、N型重掺杂欧姆接触层的材料，独立地满足以下的技术特征所述材料是hP、InGaAs, InAlAs, InGaAsP, AlGaInAs, AlAsSb、GaInAsSb中的任意一种，或以上材料的多层组合。每个单载流子传输探测器的各层材料都可以在上述限定的材料中任意选择，两个单载流子传输探测器的相应层的材料的组分均保持一致，如两个单载流子传输探测器各自的P型窄禁带吸收层的材料组分保持一致，且各层材料的晶格常数之间的差异不大于0. 1%。对于实施例1和2，为了方便将微波信号输出，将器件顶部和底部的电极连接在一起形成一个电极。例如对于实施例1，如图8所示，将P型电极122和P型电极120相连作为一个电极输出，N型电极121作为另一个电极输出，分别与CPW的信号电极、地电极相连。本发明还提供了上述实施例中的光探测器集成器件的制备方法，通过以下实施例进行说明。
实施例5以图1中的PIN-NIP型背靠背式双单载流子传输半导体光探测器为集成器件例， 如图5所示，为采用半导体外延技术在半绝缘InP衬底上生长PIN-NIP型双UTC结构、面入射式光探测器集成器件示意图(图2 图4中的器件也可通过这种方式制成)。在一个衬底上垂直生长了两个单载流子传输探测器，分别是单载流子传输探测器531和单载流子传输探测器532。通过金属有机化学气相沉积(Metal Organic Chemical VaporDeposition, M0CVD)法，首先在抛光洗净后的半绝缘InP衬底501上依次外延，依次生长P型InP缓冲层502(厚度约200nm,掺杂浓度约IX IO19cnT3)，P型晶格匹配In0.53Ga0.47As欧姆接触层 503(厚度约20nm，掺杂浓度约2X IO19CnT3)，P型hP电荷阻挡层504(厚度约300nm，掺杂浓度约3 X IO18CnT3)，P型晶格匹配Ina53Giia47As吸收层505(厚度约300nm，掺杂浓度约 2 X IO18 2. 5 X IO17CnT3)，I型InP收集层506 (厚度约400nm,非故意掺杂)，N型InP收集层507 (厚度约300nm，掺杂浓度约1 X 1019cm_3)，N型晶格匹配Ina53Giia47As欧姆接触层 508 (厚度约20nm，掺杂浓度约1 X IO19CnT3)，N型InP收集层509 (厚度约300nm，掺杂浓度约 IX IO19cnT3)，I型M3收集层510(厚度约400nm，非故意掺杂)，P型晶格匹配In0.53Ga0.47As 吸收层511 (厚度约300nm，掺杂浓度约2. 5 X IO17 2 X IO18CnT3)，P型LP电荷阻挡层 512(厚度约300nm，掺杂浓度约3 X 1018cm_3)，P型晶格匹配Ina 53Ga0.47As欧姆接触层513 (厚度约20nm，掺杂浓度约2 X IO19cnT3)。整个器件采用台面结构，分成上下两个台面，分别对应单载流子传输探测器532 和单载流子传输探测器531。首先通过溅射与抬离的方法制作电极520，并使用干法刻蚀的方法先形成单载流子传输探测器532的台面，直径20 μ m,并用湿法腐蚀的方法腐蚀至 Ina ^iia47As腐蚀停止层，即N型晶格匹配Ina53Giia47As欧姆接触层508 ；再次通过溅射与抬离的方法制作电极521 ；再次使用干法刻蚀的方法，形成单载流子传输探测器531的台面， 直径略大于单载流子传输探测器532，约25 μ m,并用湿法腐蚀的方法腐蚀至Ina 53Ga0.47As 腐蚀停止层，即P型晶格匹配Ma53Giia47As欧姆接触层503 ；再次通过溅射与抬离的方法制作电极522。其中P电极520和522的金属是Ti/Pt/Au合金，N电极521的金属是Ni/Au 合金。其中顶部电极120的半径与单载流子传输探测器532的半径相同，为20 μ m。以BCB 作为绝缘介质填平器件，通过光刻和干法刻蚀的方法开电极窗口，并通过溅射、抬离和电镀的方法制作CPW电极。在这个过程中，也可以同时将上下两个电极520和522通过金属相连形成一个电极输出。在器件制作工艺完成之后，将器件减薄至200 μ m以下，并对衬底背面进行抛光后，并在探测器背面通过等离子增强化学气相淀积(Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition, PECVD)的方法进行抗反射镀膜。本实例的特征参数为制成的器件光电转换效率75%，带宽超过20GHz，饱和电流超过50mA，工作波长在1550nm附近。实施例6以图2中的光电探测器集成器件为例，NIP-PIN型背靠背式双单载流子传输半导体光电探测器集成器件的制作过程如图6所示，采用半导体外延技术和键合技术的制作。 在两个抛光洗净的衬底(601，616)上分别生长的两个单载流子传输探测器631和632面对面键合，形成NIP-PIN型集成光探测器。通过金属有机化学气相沉积(Metal Organic Chemical VaporDeposition, MOCVD)法，首先在半绝缘InP衬底601上依次外延，依次生长P型InP缓冲层602 (厚度约 200nm，掺杂浓度约lX1019cnT3)，P型晶格匹配Ina53GEta47Ass重掺杂欧姆接触层603 (厚度约20nm，掺杂浓度约2 X IO19CnT3)，P型hP电荷阻挡层604(厚度约300nm，掺杂浓度约 3X 1018cnT3)，P型晶格匹配In0.53Ga0.47As吸收层605 (厚度约300nm，掺杂浓度约2 X IO18 2. 5 X IO17cnT3)，I型M3载流子耗尽层606 (厚度约400nm,非故意掺杂)，N型M3收集层 607 (厚度约300nm，掺杂浓度约1 X 1019cm_3)，N型晶格匹配I% 53Ga0.47As欧姆接触层608 (厚度约20nm，掺杂浓度约1 X IO19cnT3)。通过金属有机化学气相沉积(Metal Organic Chemical VaporDeposition, MOCVD)法，首先在半绝缘InP衬底616上依次外延，依次生长P型InP缓冲层615(厚度约 200nm，掺杂浓度约1 X IO19CnT3)，P型晶格匹配Ina53GEta47As欧姆接触层614(厚度约20nm， 掺杂浓度约2 X IO19CnT3)，P型InP电荷阻挡层613 (厚度约300nm，掺杂浓度约3 X 1018cm_3)， P型晶格匹配In0. s3Ga0. 47As吸收层612 (厚度约300nm,掺杂浓度约2 X IO18 2. 5 X IO17cnT3)， I型InP载流子耗尽层611(厚度约400nm，非故意掺杂)，N型InP收集层610(厚度约300nm， 掺杂浓度约ι χ IO19CnT3)，N型晶格匹配Ina 53Ga0.47As欧姆接触层609 (厚度约20nm，掺杂浓度约 1 X 1019cm_3)。其次，在外延完成之后，将这两个外延片相对阳08和609相连)，压紧键合。在键合完成之后，通过湿法腐蚀的方法，利用盐酸溶液(浓盐酸水=3 1)将半绝缘InP衬底616和InP缓冲层615腐蚀掉，至Ina53GEta47As腐蚀停止层，即P型晶格匹配Ina53GEta47As 欧姆接触层614。整个器件采用台面结构，分成上下两个台面，分别对应单载流子传输探测器632 和单载流子传输探测器631。首先通过溅射与抬离的方法制作电极620，并使用干法刻蚀的方法先形成单载流子传输探测器632的台面，直径20 μ m,并用湿法腐蚀的方法腐蚀至 InGaAs腐蚀停止层，即N型晶格匹配La53G^l47As欧姆接触层609 ；再次通过溅射与抬离的方法制作电极621 ；再次使用干法刻蚀的方法，形成单载流子传输探测器631的台面，直径略大于单载流子传输探测器632，约25 μ m，并用湿法腐蚀的方法腐蚀至InGaAs腐蚀停止层，即P型晶格匹配Intl. s3Ga0. 47Ass重掺杂欧姆接触层603 ；再次通过溅射与抬离的方法制作电极622。其中P电极620和622的金属是Ti/Pt/Au合金，N电极621的金属是Ni/Au合金。其中顶部电极620的半径与单载流子传输探测器632的半径相同，为20 μ m。以BCB作为绝缘介质填平器件，通过光刻和干法刻蚀的方法开电极窗口，并通过溅射、抬离和电镀的方法制作CPW电极。在这个过程中，也可以同时将上下两个电极620和622通过金属相连形成一个电极输出。在器件制作工艺完成之后，将器件减薄至200 μ m以下，并对衬底背面进行抛光后，并在探测器背面通过等离子增强化学气相淀积(Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition, PECVD)的方法进行抗反射镀膜。本实例的特征参数为制成的器件光电转换效率75%，带宽超过20GHz，饱和电流超过50mA，工作波长在1550nm附近。实施例7
如图7所示，为另一种采用半导体外延技术和键合技术的制作光电探测器集成器件的示意图。首先利用半导体外延技术在半绝缘InP衬底701依次生长图1 (或图2、图3、 图4)中的外延层材料702 713(生长外延层材料的过程和实施例5类似)，并将该外延层与另一个半导体衬底714(可选择衬底如Si衬底、Ge衬底、AlN衬底、SiC衬底、蓝宝石衬底、GaAs衬底等)对接键合，并通过湿法腐蚀方法去除半绝缘InP衬底701 ；之后按实施例 5或6的方式制作电极720、721、722，(对于图3、图4的器件只制作720、722，且两个单载流子传输探测器731和732的直径相同)。具体过程不再敖述。本发明实施例中的光探测集成器件采用台面结构，入射光可采用正面垂直入射、 背面垂直入射两种方式，如图9所示。以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
权利要求
1.一种光探测器集成器件，其特征在于，包括半导体衬底、由下到上层叠在所述半导体衬底之上的至少两个单载流子传输探测器，所述每个单载流子传输探测器均包括p型宽禁带阻挡层、P型窄禁带吸收层、非高掺杂宽禁带载流子耗尽层、N型宽禁带载流子收集层及至少一层重掺杂欧姆接触层；位于最底部的单载流子传输探测器底部的重掺杂欧姆接触层上设置有第一电极，位于最顶部的单载流子传输探测器顶层的重掺杂欧姆接触层上设置有第三电极。
2.如权利要求1所述的光探测器集成器件，其特征在于，包括两个单载流子传输探测器，位于所述半导体衬底上的第一单载流子传输探测器和位于所述第一单载流子传输探测器上的第二单载流子传输探测器，所述第一单载流子传输探测器包括位于所述第一单载流子传输探测器底层的P型重掺杂欧姆接触层，依次往上层叠的P型宽禁带电荷阻挡层，P型窄禁带吸收层，非高掺杂宽禁带载流子耗尽层，N型宽禁带载流子收集层，N型重掺杂欧姆接触层；所述第二单载流子传输探测器包括位于所述第二单载流子传输探测器顶层的P型重掺杂欧姆接触层，依次往下层叠的P型宽禁带电荷阻挡层，P型窄禁带吸收层，非高掺杂宽禁带载流子耗尽层，N型宽禁带载流子收集层，所述N型重掺杂欧姆接触层。
3.如权利要求1所述的光探测器集成器件，其特征在于，包括两个单载流子传输探测器，位于所述半导体衬底上的第一单载流子传输探测器和位于所述第一单载流子传输探测器上的第二单载流子传输探测器，所述第一单载流子传输探测器包括位于所述第一单载流子传输探测器底层的N型重掺杂欧姆接触层，依次往上层叠的N型宽禁带载流子收集层，非高掺杂宽禁带载流子耗尽层，P型窄禁带吸收层，P型宽禁带电荷阻挡层，P型重掺杂欧姆接触层；所述第二单载流子传输探测器包括位于所述第二单载流子传输探测器顶层的N型重掺杂欧姆接触层，依次往下层叠的N型宽禁带载流子收集层，非高掺杂宽禁带载流子耗尽层，P型窄禁带吸收层，P型宽禁带电荷阻挡层，所述P型重掺杂欧姆接触层。
4.如权利要求1所述的光探测器集成器件，其特征在于，包括两个单载流子传输探测器，位于所述半导体衬底上的第一单载流子传输探测器和位于所述第一单载流子传输探测器上的第二单载流子传输探测器，所述第一单载流子传输探测器包括位于所述第一单载流子传输探测器底层的P型重掺杂欧姆接触层，依次往上层叠的P型宽禁带电荷阻挡层，P型窄禁带吸收层，非高掺杂宽禁带载流子耗尽层，N型宽禁带载流子收集层，N型重掺杂欧姆接触层；所述第二单载流子传输探测器包括位于所述第二单载流子传输探测器顶层的N型重掺杂欧姆接触层，依次往下层叠的N型宽禁带载流子收集层，非高掺杂宽禁带载流子耗尽层，P型窄禁带吸收层，P型宽禁带电荷阻挡层，P型重掺杂欧姆接触层；或第一单载流子传输探测器的N型重掺杂欧姆接触层和第二单载流子传输探测器的P型重掺杂欧姆接触层仅保留其中一层。
5.如权利要求1所述的光探测器集成器件，其特征在于，包括两个单载流子传输探测器，位于所述半导体衬底上的第一单载流子传输探测器和位于所述第一单载流子传输探测器上的第二单载流子传输探测器，所述第一单载流子传输探测器包括位于所述第一单载流子传输探测器底层的N型重掺杂欧姆接触层，依次往上层叠的N型宽禁带载流子收集层，非高掺杂宽禁带载流子耗尽层，P型窄禁带吸收层，P型宽禁带电荷阻挡层，P型重掺杂欧姆接触层；所述第二单载流子传输探测器包括位于所述第二单载流子传输探测器顶层的P型重掺杂欧姆接触层，依次往下层叠的P型宽禁带电荷阻挡层，P型窄禁带吸收层，非高掺杂宽禁带载流子耗尽层，N型宽禁带载流子收集层，N型重掺杂欧姆接触层；或第一单载流子传输探测器的P型重掺杂欧姆接触层和第二单载流子传输探测器的N型重掺杂欧姆接触层仅保留其中一层。
6.如权利要求1 5中任意一项所述的光探测器集成器件，其特征在于，所述的半导体衬底和所述最底部的单载流子传输探测器之间还包括缓冲层。
7.如权利要求6所述的光探测器集成器件，其特征在于，位于最底部和最顶部的单载流子传输探测器之间的重掺杂欧姆接触层上还设置有第二电极。
8.如权利要求6所述的光探测器集成器件，其特征在于，所述第一电极和第三电极连接。
9.如权利要求1 5中任意一项所述的光探测器集成器件，其特征在于，所述的半导体衬底为半绝缘型半导体衬底。
10.如权利要求1 5中任一项所述的光探测器集成器件，其特征在于，在每个单载流子传输探测器的P型窄禁带吸收层和非高掺杂宽禁带载流子耗尽层之间均设有非高掺杂能带过渡层。
11.如权利要求10所述的光探测器集成器件，其特征在于，非高掺杂能带过渡层的材料包括组分梯度变化的InGaAsP材料或者基于InGaAs/InP材料的啁啾超晶格结构材料。
12.如权利要求1 5中任一项所述的光探测器集成器件，其特征在于，每个单载流子传输探测器的非高掺杂宽禁带载流子耗尽层的材料掺杂类型为非故意掺杂、N型非高掺杂、 P型非高掺杂中的任意一种，或者上述掺杂类型的多层组合。
13.如权利要求1 5中任一项所述的光探测器集成器件，其特征在于，每个单载流子传输探测器的P型窄禁带吸收层的材料为InGaAs、GaAsSb、InGaAsP,GaInAsSb的任意一种或以上材料的多层组合。
14.如权利要求1 5中任一项所述的光探测器集成器件，其特征在于，每个单载流子传输探测器的P型宽禁带电荷阻挡层、N型宽禁带载流子收集层和非高掺杂宽禁带载流子耗尽层，三层的材料独立地满足以下的技术特征所述材料是hP、InGaAs, InAlAs, InGaAsP, AlGaInAs, AlAsSb, GaInAsSb中的任意一种，或以上材料的多层组合；而且所述材料的禁带宽度须不窄于所述P型窄禁带吸收层的材料的禁带宽度。
15.如权利要求1 5中任一项所述的光探测器集成器件，其特征在于，每个单载流子传输探测器的P型重掺杂欧姆接触层、N型重掺杂欧姆接触层的材料，独立地满足以下的技术特征所述材料是 hP、InGaAs, InAlAs、InGaAsP, AlGaInAs, AlAsSb, GaInAsSb 中的任意一种，或以上材料的多层组合。
16.如权利要求1 5中任一项所述的光探测器集成器件，其特征在于，每个单载流子传输探测器的相应层的材料的组分均保持一致，且各层材料的晶格常数之间的差异不大于 0.1%。
17.一种光探测器集成器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤Al 对半导体衬底进行抛光、化学有机清洗处理； A2 在所述半导体衬底上生长缓冲层半导体材料；A3 在所述缓冲层半导体材料上生长如权利要求1 16中任一项所述的光探测器集成器件中的单载流子传输探测器的各层材料；A4:在最底部的单载流子传输探测器底部的重掺杂欧姆接触层上制作第一电极，在最顶部的单载流子传输探测器顶层的重掺杂欧姆接触层上制作第三电极，或者还在最底部和最顶部的两个单载流子传输探测器之间的重掺杂欧姆接触层上制作第二电极。
18.一种光探测器集成器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤Bl 对第一半导体衬底和第二半导体衬底进行抛光、化学有机清洗处理； B2 在所述第一半导体衬底和第二半导体衬底上，分别生长第一缓冲层半导体材料和第二缓冲层半导体材料；B3:在所述第一缓冲层半导体材料和第二缓冲层半导体材料上分别生长如权利要求 1 16中任一项所述的光探测器集成器件中的单载流子传输探测器的各层材料。B4:将两个第一缓冲层半导体材料和第二缓冲层半导体材料的外延层面对面键合起来，使键合面两侧的两个单载流子传输探测器通过重掺杂接触层结合起来； B5 去掉所述第二半导体衬底和第二缓冲层半导体材料；B6:在最底部的单载流子传输探测器底部的重掺杂欧姆接触层上制作第一电极，在最顶部单载流子传输探测器顶层的重掺杂欧姆接触层上制作第三电极，或者还在最底部和最顶部的两个单载流子传输探测器之间的重掺杂欧姆接触层上制作第二电极。
19.一种光探测器集成器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤Cl 对第一半导体衬底和第二半导体衬底进行抛光、化学有机清洗处理； C2 在所述第一半导体衬底，生长第一缓冲层半导体材料；C3 在所述第一缓冲层半导体材料上依次生长如权利要求1 16中任一项所述的光探测器集成器件中的单载流子传输探测器的各层材料；C4 将第一半导体衬底的外延面和第二半导体衬底表面面对面键合起来； C5 去掉半所述第一半导体衬底和第一缓冲层半导体材料；C6 在最底部的单载流子传输探测器底部的重掺杂欧姆接触层上制作第一电极，在最顶部的单载流子传输探测器顶层的重掺杂欧姆接触层上制作第三电极，或者还在最底部和最顶部的两个单载流子传输探测器之间的重掺杂欧姆接触层上制作第二电极。
全文摘要
本发明公开了一种光探测器集成器件，涉及光信号探测技术领域，该器件包括半导体衬底、由下到上层叠在所述半导体衬底之上的至少两个单载流子传输探测器，所述每个单载流子传输探测器均包括P型宽禁带阻挡层、P型窄禁带吸收层、非高掺杂宽禁带载流子耗尽层、N型宽禁带载流子收集层及至少一层重掺杂欧姆接触层；位于最底部的单载流子传输探测器底部的重掺杂欧姆接触层上设置有第一电极，位于最顶部的单载流子传输探测器顶层的重掺杂欧姆接触层上设置有第三电极。还公开了一种光探测器集成器件制备方法。本发明在保持单载流子传输探测器响应带宽和饱和功率的前提下提高探测器对光的吸收效率。
文档编号H01L31/18GK102332456SQ201110306839
公开日2012年1月25日 申请日期2011年10月11日 优先权日2011年10月11日
发明者孙长征, 熊兵, 石拓, 罗毅 申请人:清华大学