光敏台面与N接触台面之间光隔离的低功耗波导光探测器的制作方法

本发明属于光通信及光电子技术领域，特别涉及一种光敏台面与n接触台面之间光隔离的低功耗波导光探测器结构。

背景技术：

高量子效率、宽带和高输出功率的光探测器是光通信系统中的关键部件。通常，光探测器的带宽和量子效率之间存在相互制约的关系。光探测器中两个主要的带宽限制因素是载流子渡越时间和rc时间。通过减小器件面积或增加耗尽层厚度，从而降低结电容进而减轻rc时间限制。然而，增加耗尽层厚度，尤其是增加耗尽的吸收层厚度，将使载流子渡越时间增加。另一方面，减小器件面积和吸收层厚度将降低光探测器的外量子效率。在不明显影响载流子渡越时间的情况下，通过增加非光吸收的低掺杂n型耗尽层厚度，可以减小rc延迟时间；通过减小非耗尽的高掺p型吸收层厚度可以减小载流子渡越时间，而不增加rc延迟时间。然而，耗尽层厚度的增加将导致所需的外加反向偏压增加，以保持其耗尽状态。增加的反向偏压将增加自热效应，因为器件中产生的大部分焦耳热等于反向偏压和输出光电流的乘积。因此，对于光探测器，为了实现覆盖从直流到亚太赫兹的3-db带宽，通常需要微型化的光敏台面。然而，微小的光敏台面尺寸将导致光耦合困难，表现出小的外量子效率，易于出现自热效应，并最终在大功率运行下热失效。目前尚无较好解决波导光探测器的带宽和量子效率之间相互制约的方法，所以需要提出一种缓解带宽和量子效率的技术方案。

空间电荷效应和自热效应是限制光探测器带宽和输出功率的两大因素，目前提高外加偏压可以减弱空间电荷效应，但是自热效应随之增加。采用被动散热和主动制冷等措施可以减弱自热效应，但是器件整体结构复杂且总体功耗较大。所以需要提出一种优化的结构来抑制自身的空间电荷效应，减弱器件对外加偏压的依赖性。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术中半导体光探测器量子效率与高速响应之间的相互制约的问题，对现有波导型光探测器进行了结构改进；设计了一种光波导与光探测器单片集成的，且具备宽带、高量子效率和高输出功率的低功耗波导光探测器；其中对光敏台面与n接触台面进行光隔离并沉积金属薄膜作为光反射镜，以及在光波导末端制作台面并沉积上金属薄膜作为光反射镜，从而更好的将光限制在光敏台面，提高器件的量子效率，从而缓解微型化有源区提高器件带宽时面临量子效率急剧降低的矛盾，是光探测器同时实现高量子效率和宽带的一种解决方案。此外，为了减小器件内部的空间电荷效应，从而减弱器件性能对外加偏压的依赖性，同时削弱器件的自热效应，需要优化光探测器的外延层参数和器件结构。本发明首次公布了一种能抑制空间电荷效应的光电二极管的外延层结构及掺杂分布。本发明的技术方案如下：

一种光敏台面与n接触台面之间光隔离的低功耗波导光探测器，其包括一半绝缘衬底及缓冲层，所述半绝缘衬底及缓冲层上依次叠加有光波导下包层、光波导芯层、光匹配层、电子收集层、第一间隔层、第二间隔层、第三间隔层、光吸收层、电子阻挡层、p型接触层，以及制作在n接触层上的n金属电极和p接触层上的p金属电极，所述光波导下包层是第一n接触层，光波导芯层是第二n接触层，光匹配层是亚电子收集层，第一间隔层是崖层或者cliff层，第二间隔层是梯度带隙渐变层；所述半绝缘衬底及缓冲层分别作为器件的基底和提升外延材料质量，光波导下包层用于防止光能量向衬底泄露，光波导芯层作为光信号的导向层，光匹配层用于引导光向光吸收层方向消逝，电子收集层用于电子输运和调控器件电容，第一间隔层用于提高间隔层区域的势垒，第二间隔层用于平滑导带，第三间隔层用于提高间隔层区域的势垒，光吸收层用于完成光到电的转化，电子阻挡层用于阻挡电子向p接触层扩散，p型接触层用于金属与半导体的欧姆接触制备。

进一步的，所述半绝缘衬底及缓冲层为同一种材料；众外延层中从半绝缘衬底侧的缓冲层至光吸收层所用材料的折射率实部呈递增的趋势，以便使光从光波导消逝到吸收层中。

进一步的，光波导下包层的厚度在0.5μm至2μm之间，掺杂类型为施主型或n型，掺杂浓度在5×10¹⁸个原子/cm³至1×10¹⁹个原子/cm³之间；光波导芯层的厚度在1μm至3μm之间，掺杂类型为施主型或n型，掺杂浓度在2×10¹⁸个原子/cm³至5×10¹⁸个原子/cm³之间；为提高光耦合效率，光波导的光入射端在光入射方向上的几何形状可以是除矩形外的其他形状。

进一步的，光匹配层的厚度在0.2μm至0.6μm之间，掺杂类型为施主型或n型，掺杂浓度在5×10¹⁷个原子/cm³至1×10¹⁸个原子/cm³之间；电子收集层的厚度在0.1μm至1μm之间，掺杂类型为施主型或n型，掺杂浓度从靠近光匹配层一端1×10¹⁷个原子/cm³线性渐变到靠近第一间隔层一端约1×10¹⁴个原子/cm³。

进一步的，第一间隔层(崖层或者cliff层)的厚度为0.01μm左右，掺杂类型为施主型或n型，掺杂浓度为1.5×10¹⁸个原子/cm³左右；第二间隔层采用与衬底晶格匹配的组分线性或梯度渐变材料，且其功函数由等于第一间隔层的功函数线性或梯度渐变为等于第三间隔层的功函数，其厚度在0.011μm至0.018μm之间，掺杂类型为施主型或n型，掺杂浓度不高于5×10¹⁵个原子/cm³；若线性渐变材料外延生长困难则采用梯度渐变；第三间隔层的厚度为0.01μm左右，掺杂类型为受主型或p型，掺杂浓度为1.5×10¹⁸个原子/cm³左右。

进一步的，光吸收层的厚度在0.05μm至1.2μm之间，掺杂类型为受主型或p型，掺杂浓度从靠近第三间隔层一端3×10¹⁷个原子/cm³线性变化到靠近电子阻挡层一端约8×10¹⁸个原子/cm³；电子阻挡层的厚度在0.015μm至0.1μm之间，掺杂类型为受主型或p型，掺杂浓度在1×10¹⁹个原子/cm³至3×10¹⁹个原子/cm³之间；p接触层的厚度约为0.05μm，掺杂类型为受主型或p型，掺杂浓度在2×10¹⁹个原子/cm³至5×10¹⁹个原子/cm³之间。

进一步的，对应于构成光敏台面的那部分光波导芯层在垂直光入射方向上的尺寸与光吸收层相同，在光敏台面左右两侧存在由光波导芯层构成的台面，该台面与光敏台面的间距为3μm至5μm，在相距光敏台面两侧约1μm至3μm外的区域沉积约7μm宽和0.5μm厚的n接触金属电极；在沿光入射方向上，光波导的末端制作一个由光波导下包层、光波导芯层、光匹配层和电子收集层构成的台面，该台面与n接触台面之间的距离约1μm至2μm，在该台面上相距n接触台面为1μm至4μm范围内沉积面积为3×12μm²，厚度为0.5μm的金属薄膜，该薄膜与n接触电极可以通过同一步金属沉积过程完成。

进一步的，光敏台面在平行入射光方向上的尺寸在0.5μm至200μm之间，光敏台面在垂直入射光方向上的尺寸在1μm至20μm之间，光匹配层在平行光入射方向上的尺寸比电子收集层长2μm至9μm之间，光波导入射端的长度在3μm至30μm之间。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明首次提出一种光敏台面与n接触台面之间光隔离的低功耗波导光探测器结构，该结构将光波导与光电二极管集成在半绝缘衬底上，是一种能同时实现宽带、高响应度和高射频输出功率的有益结构。其中光电二极管具有优化的能带结构、杂质分布和层厚度，主要包括具有线性梯度掺杂分布的非耗尽p型光吸收层，具有线性梯度掺杂分布的n型电子收集层(非光吸收层)，以及在吸收层和收集层之间的具有三明治偶极掺杂分布的带隙渐变间隔层；具备抑制自身空间电荷效应的能力，降低了自身性能对外加偏压的依赖性及自身的热效应。通过在n台面上制作沟槽并沉积上金属薄膜电极将光敏台面与n接触台面进行光隔离，从而提高光波导对光的限制；在光波导的尾端制作一个与n台面隔离的台面并沉积上金属薄膜作为光反射镜，从而提高光波导的有效吸收长度，是一种有效缓解光探测器带宽和量子效率相互制约的技术方案。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例光敏台面与n接触台面之间光隔离的低功耗波导光探测器立体图；

图2是本发明提供优选实施例光敏台面与n接触台面之间光隔离的低功耗波导光探测器在垂直于入射光方向上有源区的横截面示意图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：提出了一种单片集成的低功耗波导型光探测器结构，解决了传统半导体光探测器量子效率与频率响应带宽的相互制约问题，能够广泛用于光纤通信、卫星通信及光信号处理等领域。

参见图1所示的器件立体示意图及图2所示的垂直于光入射方向上有源区的横截面示意图，作为具体实施例，本发明的光敏台面与n接触台面之间光隔离的低功耗波导光探测器包括由底层至顶层的外延层可以依次为：半绝缘衬底及缓冲层1、光波导下包层同时也是第一n接触层2、光波导芯层同时也是第二n接触层3(及3a和3b)、光匹配层同时也是亚电子收集层4、电子收集层9、第一间隔层同时也是崖层或者cliff层(材料与电子收集层相同)10、第二间隔层(材料带隙梯度渐变)11、第三间隔层(材料与光吸收层相同)12、光吸收层13、电子阻挡层14、p型接触层15，以及制作在n接触层的金属电极5a、5b和p接触层上的金属电极6。

实施例中缓冲层的厚度为500nm，从缓冲层至光吸收层所用材料的折射率实部呈递增的趋势，以便使光从光波导消逝到吸收层中，所有半导体材料的晶格都与衬底匹配。

光波导下包层同时也是第一n接触层2对应的材料禁带宽度为1.18ev左右，厚度为1μm，掺杂类型为施主型或n型，掺杂浓度为1×10¹⁹个原子/cm³。

光波导芯层同时也是第二n接触层3对应的材料禁带宽度为1.0ev左右，厚度为1.8μm，掺杂类型为施主型或n型，掺杂浓度在5×10¹⁸个原子/cm³；实例中光波导的光入射端在光入射方向上的几何形状为矩形。

光匹配层同时也是亚收集层4对应的材料禁带宽度为1.0ev左右，厚度为0.3μm，掺杂类型为施主型或n型，掺杂浓度在5×10¹⁷个原子/cm³。

电子收集层9对应的材料禁带宽度为0.9ev左右，厚度为0.4μm，掺杂类型为施主型或n型，掺杂浓度从1×10¹⁷个原子/cm³靠近光匹配层一端线性渐变到约1×10¹⁴个原子/cm³靠近第一间隔层一端。

第一间隔层同时也是崖层或者cliff层10对应的材料禁带宽度为0.9ev左右，厚度为0.01μm左右，掺杂类型为施主型或n型，掺杂浓度为1.5×10¹⁸个原子/cm³。

第二间隔层11采用与衬底晶格匹配的组分带隙线性或梯度渐变材料，相应的禁带宽度由0.9ev靠近第一间隔层一端线性或梯度渐变为0.75ev靠近第三间隔层一端，厚度为0.013μm，掺杂类型为施主型或n型，掺杂浓度不高于5×10¹⁵个原子/cm³；若线性渐变材料外延生长困难则采用梯度渐变。

第三间隔层12对应的材料禁带宽度为0.75ev左右，厚度为0.01μm，掺杂类型为受主型或p型，掺杂浓度为1.5×10¹⁸个原子/cm³。

光吸收层13对应的材料禁带宽度为0.75ev左右，厚度为0.35μm，掺杂类型为受主型或p型，掺杂浓度从3×10¹⁷个原子/cm³靠近第三间隔层一端线性变化到约8×10¹⁸个原子/cm³靠近电子阻挡层一端。

电子阻挡层14对应的材料禁带宽度为0.9ev左右，厚度为0.02μm，掺杂类型为受主型或p型，掺杂浓度为3×10¹⁹个原子/cm³。

p接触层15对应的材料禁带宽度为0.75ev左右，厚度为0.05μm，掺杂类型为受主型或p型，掺杂浓度为2×10¹⁹个原子/cm³。

其中，对应于构成光敏台面的那部分光波导芯层3在垂直光入射方向上的尺寸与光吸收层相同，在光敏台面左右两侧存在分别由第二n接触层3a和3b构成的台面，该台面与光敏台面的间距l6为4μm，在相距光敏台面两侧约2μml5外的区域沉积约7μm宽、0.5μm厚的n接触金属电极；在沿光入射方向上，光波导的末端制作一个由光波导下包层、光波导芯层、光匹配层及电子收集层构成的台面7，该台面7与n接触台面之间的距离约2μm，在该台面上相距n接触台面为1μm至4μm范围内沉积面积为3×12μm²，厚度为0.5μm的金属薄膜，该薄膜与n接触电极可以通过同一步金属沉积过程完成。

光敏台面在平行入射光方向上的尺寸l3取25μm，光敏台面在垂直入射光方向上的尺寸l8取4μm，光匹配层在平行光入射方向上的尺寸l2比电子收集层长7μm，光波导入射端的长度l1取20μm。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。