专利名称：一种近红外单光子探测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体器件领域，具体涉及一种对近红外微弱光信号进 行探测的近红外单光子探测器。
背景技术：
单光子探测技术在高分辨率的光谱测量、非破坏性物质分析、高速现 象检测、精密分析、大气测污、生物发光、放射探测、高能物理、天文 测光、光时域反射、量子密钥分发系统等领域有着广泛的应用。特别是 近年来量子通信技术、量子密码术的研究不断引起各国的重视，对红外 通信波段单光子探测器的研究也就显得尤为迫切。
现有的单光子探测器，对光信号的放大采用的是利用空穴引起雪崩倍
增放大光信号，其倍增层材料为1nP，然而空穴的迁移率较低，抑制探 测器的探测频带，另外，InP材料的空穴与电子的离化率较接近，使得 探测器有较大的噪声因素；利用InGaAs的厚度增加来提高探测器的量 子效率，这同样也限制了探测频率。另外，由于制造工艺的要求较高， 目前市场上的红外单光子探测器的探测效率低，噪声大且工艺复杂，可 重复性低等缺点。为了克服这些缺点，我们提出了本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种近红外单光子探测器结构，其具有量子 效率高、增益带宽积大、噪声低的特点。特别是工艺要求低，可重复性 好。
为了实现上述目的，本发明的一种近红外单光子探测器结构，其特
征在于，包括
(1)衬底，该衬底用于在其上进行探测器各层材料外延生长；(2) 缓冲层，该缓冲层制作在衬底上；
(3) N型欧姆接触层，该N型欧姆接触层制作在缓冲层上；
(4) 超晶格倍增层，该超晶格倍增层制作在N型欧姆接触层上；
(5) 电场控制层，该电场控制层制作在超晶格倍增层上；
(6) 带隙渐变层，该带隙渐变层制作在电场控制层上；
(7) 光吸收层，该光吸收层制作在带隙渐变层上；
(8) 缓冲层，该缓冲层制作在光吸收层上；
(9) P型欧姆接触层，该P型欧姆接触层制作在缓冲层上； 其中该衬底为InP衬底； 其中该缓冲层为非掺杂的InP材料；
其中该N型欧姆接触层为N型InAlAs材料；
其中该超晶格倍增层为InAlAs/InAlGaAs材料；
其中该电场控制层为N型InAlAs材料；
其中该带隙渐变层为InAIGaAs四元化合物材料；
其中该吸收层为InGaAs材料；
其中该缓冲层为InP材料；
其中该P型欧姆接触层为InGaAs材料；
其中所描述的超晶格倍增层为InAlAs/lnAlGaAs周期结构，其超晶格 倍增层厚度为230nm到300nm之间，在每一周期中，InAlAs厚度为13nm， InAIGaAs厚度为8nm。由于超晶格的能带不连续性以及可以人为控制导 带和价带值间的非对称性带边不连续性(AEc AEv)，使电子离化率的 增加量远远大于空穴能量对空穴离化率的贡献，从而获得大的增益-带宽 积和低噪声性能。
其中所描述的光吸收层为轻掺杂的P型InGaAs，该层设计采用掺杂 浓度渐变的两层结构，首先在带隙渐变层上外延生长150nm厚的IriGaAs， 浓度为4.0xl016cm-3，然后在继续外延生长650nm，浓度为1.0xlO"cm-3，
其作用是使得吸收层电场向异质结界面处缓慢增加，可以减少载流子的 渡越时间以及降低隧穿暗电流；光接收采用侧面边入射方式，利用器件 的横向结构作为光吸收的路径，使得在不改变吸收层厚度时，器件有较 高的量子效率。
图1是根据本发明提出的近红外带单光子探测器的剖面图图2是根据本发明提出的近红外单光子探测器材料结构示意图。
具体实施例方式
下面结合图1详细说明依据本发明实施例的近红外单光子探测器细
衬底11，该衬底用于在其上进行探测器各层材料的外延生长；
缓冲层12，该缓冲层制作在衬底11上，为非掺杂的n型InP材料。其目的是形成高质量的外延表面，减小衬底与其它各层之间的应力，消除衬底的缺陷向其它各层的传播，以利于器件其它各层的生长；
N型欧姆接触层13，该N型欧姆接触层制作在缓冲层12上，为重掺杂的N型InAlAs，其目的是为了实现良好的欧姆接触，采用重掺杂是为了减小串联电阻，提高器件的转化效率；
超晶格倍增层14，该超晶格倍增层制作在N型欧姆接触层13上，其作用是利用超晶格的能带不连续以及可以人为控制导带和价带值间的非对称性带边不连续性(AEc AEv)，来提高探测器的增益带宽积以及降低噪声；
电场控制层15，该电场控制层制作在超晶格倍增层14，其作用是控制超晶格倍增层与吸收层的电场分布，避免吸收层发生雪崩击穿、减少隧穿暗电流，提高倍增层电场分布。该层为高掺杂的P型InAlAs材料，厚度为低于50nm，浓度为3.0xlO"cm-3;
带隙渐变层16，该带隙渐变层制作在电场控制层15上，为InGaAlAs四元化合物，其作用为平缓化吸收层与电场控制层之间的能带带隙，减少载流子的在异质结界面处的堆积，降低隧穿暗电流；
吸收层17，该层制作在带隙渐变层16上，其作用是接受器件外部入射光，并产生电子-空穴对，其材料为轻掺杂的P型InGaAs材料，该层设计采用掺杂浓度渐变的两层结构，首先在带隙渐变层上外延生长150nm厚的InGaAs，浓度为4.0xl016cm-3，然后在继续外延生长650nm，浓度为1.0xl016cm-3，其作用是使得吸收层电场向异质结界面处缓慢增加，可以减少载流子的渡越时间以及降低隧穿暗电流；
缓冲层18，该缓冲层制作在吸收曾17上，其目的是防止吸收层材料受高掺杂的欧姆接触层影响，其材料为轻掺杂的P型InP材料，厚度为200腿；
P型欧姆接触层19，该P型欧姆接触层制作在缓冲层18上，为重掺杂的P型InGaAs，其目的是为了实现良好的欧姆接触，采用重掺杂是为了减小串联电阻，提高器件的转化效率；
金属电极21，该金属电极实在器件光刻腐蚀以后，在欧姆接触层13或19上淀积而成。
本发明提出一种近红外单光子探测器，采用了超晶格结构作为倍增层，利用能带工程调整能带的不连续性，使得器件有较好的增益带宽积，可以达到lOOGHz以上以及较底噪声系数；采用了分层结构的光吸收层可以有效地减少载流子的渡越时间，降低隧穿暗电流。
本发明所涉及到的近红外单光子探测器结构能够容易的采用现有的外延设备MBE生长，器件的成品率高，可重复性好。
其制备工艺如下
首先光刻，定义出器件的N型欧姆接触区，利用湿法刻蚀，将器件两侧面腐蚀至如图2所示的InAlAs N型欧姆接触层，中心台面为P型欧姆接触区，这里采用的腐蚀液体积配比为H2SO4:H2O2:H2O=l:l:40。
至此已经结合优选实施例对本发明进行了描述。应该理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其它的改变、替换和添加。因此，本发明的范围不局限于上述特定实施例，而应由所附权利要求所限定。
权利要求
1. 一种近红外单光子探测器，其特征在于，包括衬底，该衬底用于在其上进行探测器各层材料外延生长；缓冲层，该缓冲层制作在衬底上；N型欧姆接触层，该N型欧姆接触层制作在缓冲层上；超晶格倍增层，该超晶格倍增层制作在N型欧姆接触层上；电场控制层，该电场控制层制作在超晶格倍增层上；带隙渐变层，该带隙渐变层制作在电场控制层上；光吸收层，该光吸收层制作在带隙渐变层上；缓冲层，该缓冲层制作在光吸收层上；P型欧姆接触层，该P型欧姆接触层制作在缓冲层上。
2. 根据权利要求l所述的探测器，其特征在于，所述衬底为InP衬底。
3. 根据权利要求1或2所述的探测器，其特征在于，述缓冲层为非 掺杂的InP材料。
4. 根据权利要求1或2所述的探测器，其特征在于，所述N型欧姆 接触层为N型InAlAs材料。
5. 根据权利要求1或2所述的探测器， 增层为InAlAs/ItiAlGaAs材料。
6. 根据权利要求1或2所述的探测器， 层为N型InAlAs材料。
7. 根据权利要求1或2所述的探测器， 层为InAlGaAs四元化合物材料。
8. 根据权利要求1或2所述的探测器， InGaAs材料。
9. 根据权利要求1或2所述的探测器，其特征在于，所述缓冲层为InP 材料。
10. 根据权利要求l或2所述的探测器，其特征在于，所述P型欧姆 接触层为InGaAs材料。
11. 根据权利要求1或2所述的探测器，其特征在于，所述超晶格结其特征在于，所述超晶格倍 其特征在于，所述电场控制 其特征在于，所述带隙渐变 其特征在于，所述吸收层为倍增层，通过人为控制导带和价带值间的非对称性带边不连续性(△Ec〉>AEv)，使电子离化率的增加量远远大于空穴能量对空穴离化率的贡献，从而获得大的增益-带宽积和低噪声性能。
12.根据权利要求1或2所述的探测器，其特征在于，所述吸收层采 用器件与光纤耦合处位于器件的侧面光注入模式，且光吸收层采用两层 浓度渐变结构，从而有效的提高量子效率与增益-带宽积。
全文摘要
本发明是一种近红外单光子探测器。所述探测器包括衬底，缓冲层，N型欧姆接触层，超晶格倍增层，电场控制层，带隙渐变层和光吸收层。通过引入超晶格结构，以及吸收层渐变结构达到提高探测器的性能，特别在探测器的探测频率、噪声影响都有极大的改善，能够有效地提高探测器的增益带宽积。另外，本发明所涉及的探测器制备，工艺简单，可重复性高。
文档编号H01L31/101GK101465389SQ20071017989
公开日2009年6月24日 申请日期2007年12月19日 优先权日2007年12月19日
发明者孟 吴, 曹延名, 杨富华 申请人:中国科学院半导体研究所