基于亚波长光栅的谐振增强型紫外光探测器及制备方法与流程

本发明涉及紫外光通信技术领域，更具体地，涉及一种基于亚波长光栅的谐振增强型紫外光探测器及制备方法。

背景技术：

自第一根光纤问世以来，以光子为传输载体的光纤通信以其容量大、重量轻、价格便宜、抗电磁干扰、抗腐蚀能力强等多种优点，得到越来越多人的青睐，使其在众多的应用中开始逐步取代以电子为传输载体的通信方式。随着10Gbit/s的光纤通信系统商业化，40Gbit/s的光纤通信系统得以实现，100Gbit/s的光纤通信系统也成为下一代通信系统的理想选择。

在光纤通信系统的发展中，光电探测器作为一个不可或缺的部件，其性能的优劣对整个光纤通信系统的性能起着决定性作用。先前的光探测器，因为要检测弱的光信号，所以其必须要求有很好的灵敏性，高速性能也同等重要；而现在，由于在探测器前面放置了光放大器，光探测器对灵敏度的要求已不是关键，但是高光功率限制了高速特性，因此新的挑战是设计出在高光功率下仍能有高速特性的光探测器。因此，应用于高速光纤通信系统的光探测器，其性能的优劣要从高饱和输出特性和响应带宽两个方面来衡量。对于传统的PIN光探测器，由于受到空间电荷效应的限制，很难在高电流密度条件下保持高速响应，带宽和响应度之间相互制衡。

随着现代技术的不断完善，光纤通信不断地由短波长波段向长波长波段发展、由低速度向超高速度发展、由多模光纤向单模光纤发展、由小容量向超大容量WDM系统发展、由相对短距离向超长距离发展。在接收端对光电探测器的可靠性、集成度、灵敏度、响应速率以及生产成本等提出了更高的要求。传统的光探测器，光电器件的频率响应 带宽与量子效率相互制约。一般情况下通过增加器件的吸收层可以增大器件的量子效率，但载流子的渡越时间变长，响应速率会降低。虽然发展起来的谐振腔增强型的光探测器在一定程度上解决了光电器件的量子效率和响应速率之间的限制。RCE光探测器是将吸收层插入到谐振腔中，由于谐振腔的增强效应，使得器件在较薄吸收层下获得较高的量子效率，并且减少了光生载流子在吸收层的渡越时间，因此同时获得高的量子效率和较高的响应速度，但是它也存在缺陷：由于谐振腔的选频作用，器件具有一定波长选择特性，量子效率仅仅是在有限的范围内获得增强，因此不适用宽光谱响应的需要；光电器件主要以III-V族半导体器件为主，这和CMOS工艺的硅基光子或电子器件的集成存在一定困难。

为了解决以上问题，借助亚波长光自身体积小、重量轻、易复制、造价低、衍射效率高、设计自由度多、材料可选性宽、色散性能独特等特点，提出了亚波长反射增强型紫外光探测器。

技术实现要素：

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的基于亚波长光栅的谐振增强型紫外光探测器及制备方法，解决了传统紫外光探测器量子效率和频率响应带宽的相互制约问题，具有宽光谱响应范围、高量子效率、制作工艺简单、高响应带宽等优点，可广泛用于紫外光通信领域。

根据本发明的一个方面，提供一种谐振增强型紫外光探测器，包括衬底、亚波长光栅层、外延层，所述外延层上设有n型接触电极和p型接触电极，所述亚波长光栅层图案为周期性或非周期性光栅图案。

作为优选的，还包括AlN缓冲层，所述亚波长光栅层设于AlN缓冲层和衬底间，所述衬底为蓝宝石衬底，所述蓝宝石衬底是Al₂O₃。

作为优选的，所述亚波长光栅层的光栅图案为周期高折射率差亚 波长光栅、二维块状亚波长光栅或非周期条形光栅，可以实现宽光谱的高反射率(1.2～1.6μm)。

作为优选的，所述亚波长光栅层的光栅周期为100nm～2um，反射镜的数值孔径为0.7～1.2，反射率大于70％，电场强度分布半高宽为1～2μm。

作为优选的，所述外延层包括n型外延层和p型外延层，所述n型外延层和p型外延层间还设弱n型吸收层，所述n型外延层包括n型Al_XGa_1-XN外延层，所述p型外延层包括p型GaN层，所述弱n型吸收层包括i型GaN层。

作为优选的，所述n型Al_XGa_1-XN层为n型掺杂，掺杂材料是Si，掺杂浓度为5x10¹⁸cm^-3，所述i型GaN层的载流子浓度为5x10¹⁶cm^-3，p型GaN层为p型掺杂，掺杂材料是Zn，掺杂浓度为5x10¹⁷原子/cm3。

一种谐振增强型紫外光探测器的制作方法，包括以下步骤：

S1、在衬底上刻蚀形成亚波长光栅层；

S2、生长外延层；

S3、制作p型接触电极和n型接触电极。

作为优选的，所述步骤S1具体包括：

S11、在衬底上顶面刻蚀形成二维块状条形的亚波长条形光栅，才用正性电子抗蚀剂作为电子束光刻胶，并制作光栅掩膜图案；

S12、通过ICP干法刻蚀制作亚波长光栅，除去正性电子抗蚀剂；

S13、在光栅沟槽内旋涂乙烯树脂。

作为优选的，所述步骤S13中具体包括：利用旋涂机旋涂厚度为200nm的乙烯树脂，利用丙酮洗除亚波长光栅表面的乙烯树脂，仅在光栅沟槽内填充乙烯树脂。

作为优选的，所述步骤S2具体包括：

S31、经过光刻处理后，通过磁控溅射在n型Al_XGa_1-XN外延层上镀Pt-Ti-Pt-Au制作出环形p型接触电极；

S32、对p型GaN材料进行腐蚀，制作出直径为40μm的圆形上 台面，经过光刻处理和磁控溅射制作出n型接触电极，并腐蚀出60μm的圆形下台面；

S33、光刻处理，并通过磁控溅射镀Ti-Au制作正负金属电极。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提供一种谐振增强型紫外光探测器，包括衬底、亚波长光栅层、外延层，所述外延层上设有n型接触电极和p型接触电极，所述亚波长光栅层图案为周期性或非周期性光栅图案；利用蓝宝石材料具有较大折射率的特点，获得与CMOS工艺兼容的纳米尺度高折射率差的亚波长光栅；在宽光谱范围内实现高量子效率：利用亚波长光栅的宽光谱光反射特性，使入射光通过吸收区后被亚波长光栅反射，再次通过器件吸收区，实现吸收增强，提高器件的量子效率，同时获得覆盖光纤通信长波长低损耗窗口的宽光谱响应(大于400nm)；并且本发明器件及其制备过程成本低，工艺简单，易于实现。

附图说明

图1为本发明实施例的紫外光探测器结构示意图；

图2为本发明实施例的亚波长光栅结构示意图；

图3为本发明实施例的方法具体流程示意图。

具体实施方式

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。

图1至图2示出了一种谐振增强型紫外光探测器，所述紫外光探测器的吸收腔采用的p-i-n型光探测器结构，包括衬底、亚波长光栅层、外延层，所述外延层上设有n型接触电极和p型接触电极，所述亚波长光栅层图案为周期性或非周期性光栅图案，亚波长光栅图案刻在衬底的上层；本发明的紫外光探测器的入光面位于光探测器顶部窗口。

作为优选的，还包括AlN缓冲层，厚度为4000nm，所述亚波长光栅层设于AlN缓冲层和衬底间，所述衬底为蓝宝石衬底，所述蓝宝石衬底是Al₂O₃。蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好；蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；最后，蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗。

作为优选的，所述亚波长光栅层的光栅图案为周期高折射率差亚波长光栅、二维块状亚波长光栅或非周期条形光栅，可以实现宽光谱的高反射率(1.2～1.6μm)。

作为优选的，所述亚波长光栅层的光栅周期为100nm～2um，厚度为200nm，占空比为60％，反射镜的数值孔径为0.7～1.2，反射率大于70％，电场强度分布半高宽为1～2μm。

作为优选的，所述外延层包括n型外延层和p型外延层，所述n型外延层和p型外延层间还设弱n型吸收层，所述n型外延层包括n型Al_XGa_1-XN外延层，所述p型外延层包括p型GaN层，所述弱n型吸收层包括i型GaN层。

作为优选的，所述n型Al_XGa_1-XN层为n型掺杂，掺杂材料是Si，掺杂浓度为5x10¹⁸cm^-3，所述i型GaN层的载流子浓度为5x10¹⁶cm^-3，p型GaN层为p型掺杂，掺杂材料是Zn，掺杂浓度为5x10¹⁷原子/cm3。

图3示出了一种谐振增强型紫外光探测器的制作方法，包括以下步骤：

S1、在衬底上刻蚀形成亚波长光栅层；在此步骤中所述亚波长光栅层的光栅图案为周期高折射率差亚波长光栅、二维块状亚波长光栅以或非周期条形光栅，可以实现宽光谱的高反射率(1.2～1.6um)，采用蓝宝石衬底有许多的优点：首先，蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好；其次，蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；最后，蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗。

S2、生长外延层；

S3、制作p型接触电极和n型接触电极。

作为优选的，所述步骤S1具体包括：

S11、在衬底上顶面刻蚀形成二维块状条形的亚波长条形光栅，才用正性电子抗蚀剂作为电子束光刻胶，并制作光栅掩膜图案；利用光刻机、感应耦合等离子体(ICP)刻蚀设备在蓝宝石衬底上顶面刻蚀形成亚波长条形光栅，所述亚波长光栅层的光栅图案为二维块状条形，亚波长光栅层的光栅周期为100nm～2um，厚度为200nm，占空比为60％；采用ZEP520正性电子抗蚀剂作为电子束光刻胶，利用电子束曝光设备在样品上制作光栅掩膜图案；

S12、利用ICP干法刻蚀制作亚波长光栅，光栅厚度为200nm，接着去除样品上的ZEP520正性电子抗蚀剂；

S13、在光栅沟槽内旋涂乙烯树脂。利用旋涂机旋涂厚度为200nm的乙烯树脂，利用丙酮洗除亚波长光栅表面的乙烯树脂，仅在光栅沟槽内填充乙烯树脂。

在步骤S2中，首先生长厚度为4000nm低温和高温AlN缓冲层，利用MOCVD方法对蓝宝石衬底(对于背照射式RCE探测器需要双面抛光的衬底片)在生长温度为1000～1300℃进行材料热处理，然后通入氨气进行表面氮化，再在一定温度范围1000-1300℃通入载气N2，氨气以及金属有机源(三甲基Al和三甲基镓)，通过控制载气，源气体流量以及生长温度等参数，在蓝宝石衬底上生长合成厚度为4000nm的低温和高温AlN缓冲层。

接着在AlN缓冲层上生长依次生长Al_XGa_1-XN外延层、i型GaN吸收层和p型GaN，其中n型Al_XGa_1-XN的厚度为400nm，i-GaN为吸收层(弱n型)，其厚度为200nm，p型GaN层其厚度为200nm。

作为优选的，所述步骤S3具体包括：

S31、经过光刻处理后，通过磁控溅射在n型Al_XGa_1-XN外延层上镀Pt-Ti-Pt-Au制作出环形p型接触电极；

S32、对p型GaN材料进行腐蚀，对GaN材料的湿法腐蚀使用H₃PO₄与H₂SO₄的混合酸腐蚀液，制作出直径为40μm的圆形上台面，经过 光刻处理和磁控溅射制作出n型接触电极，并腐蚀出60μm的圆形下台面；

S33、光刻处理，并通过磁控溅射镀Ti-Au制作正负金属电极,器件用聚酰亚胺进行钝化，开孔后利用磁控溅射设备制作Ti-Au引出电极(各引出电极通过钝化层中的开孔与各接触电极电连接，将外部电信号传导给各接触电极),金属淀积采用电子束蒸发或溅射方法，采用正胶剥离技术，在金属淀积后进行快速热退火以形成良好的接触，退火条件是在氮气氛中，550-900℃，10-90秒此便完成了金属电极的制作，最后经过抛光减薄，器件制作完毕。。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提供一种谐振增强型紫外光探测器，包括衬底、亚波长光栅层、外延层，所述外延层上设有n型接触电极和p型接触电极，所述亚波长光栅层图案为周期性或非周期性光栅图案；利用蓝宝石材料具有较大折射率的特点，获得与CMOS工艺兼容的纳米尺度高折射率差的亚波长光栅；在宽光谱范围内实现高量子效率：利用亚波长光栅的宽光谱光反射特性，使入射光通过吸收区后被亚波长光栅反射，再次通过器件吸收区，实现吸收增强，提高器件的量子效率，同时获得覆盖光纤通信长波长低损耗窗口的宽光谱响应(大于400nm)；并且本发明器件及其制备过程成本低，工艺简单，易于实现。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。