光探测器及制作方法与流程

本公开涉及半导体技术领域，尤其涉及光探测器及制作方法。

背景技术：

近年来随着量子保密通信、3d激光雷达成像、生物荧光检测等领域科技的迅速发展，对能实现单个光子量级超微弱光探测的光电探测器需求日渐增强。作为量子保密通信系统光子接受端核心器件，探测器的性能直接影响到整个通信系统的性能。为提高量子保密通信系统通信距离和成码率、支撑量子保密通信技术快速走向大规模工程化应用，需要高探测效率的探测器。

技术实现要素：

一方面，本公开提供一种光探测器。

本公开实施例提供的光探测器包括：

衬底；

在所述衬底的第一表面上具有功能层；所述功能层至少包含：进行光电转换的光吸收层；

在所述衬底的第二表面上具有将光线反射回所述光吸收层的光反射层；所述第二表面为所述第一表面的相反面。

在一些实施例中，所述光反射层包括分布式布拉格反射层或单层介质膜。

在一些实施例中，所述分布式布拉格反射层包括多个依次交替层叠的ta2o5膜层和sio2膜层，或所述分布式布拉格反射层包括多个依次交替层叠的tio2膜层和sio2膜层。

在一些实施例中，所述光反射层的制作材料包括sinx、si、mgo中的至少一种。

在一些实施例中，所述功能层还包括：

在所述衬底向延伸的方向上依次层叠在所述光吸收层上的渐变层、电荷层以及帽层。

在一些实施例中，所述功能层还包括：

位于所述衬底和所述光吸收层之间的缓冲层。

在一些实施例中，所述帽层背离所述衬底的表面形成pn结；

所述pn结设置有p电极。

在一些实施例中，

所述功能层还包括：

增透膜层，所述增透膜层上具有供所述帽层显露的电极窗口。

在一些实施例中，所述光反射层部分覆盖所述衬底的第二表面；

还包括：

n电极，覆盖所述光反射层和所述第二表面未覆盖有所述光反射层的部分。

在一些实施例中，所述pn结至少包括：

第一次扩散形成的一次pn结和第二次扩散形成的嵌套在所述一次pn结内的二次pn结；其中，所述一次pn结的中心轴线和所述二次pn结的中心轴线同轴。

在一些实施例中，所述pn结为阶梯型pn结。

在一些实施例中，所述pn结包括：

通过对所述帽层一次或多次腐蚀后进行粒子扩散形成的中心轴线同轴的阶梯型pn结。

在一些实施例中，所述增透膜层为介质膜层。

另一方面，本公开提供一种光探测器的制作方法，该方法包括：

在所述衬底的第一表面上形成功能层；所述功能层至少包含：进行光电转换的光吸收层；

在所述衬底的第二表面上形成具有将光线反射回所述光吸收层的光反射层；所述第二表面为所述第一表面的相反面。

在一些实施例中，所述在所述衬底的第一表面上制作功能层包括：

在衬底的第一表面上由所述衬底向外依次生长相互层叠的缓冲层、吸收层、渐变层、电荷层和帽层。

在一些实施例中，还包括：

在所述帽层上背离所述衬底的表面形成pn结及在所述pn结形成进光孔；

在所述帽层上背离所述衬底的表面沉积介质形成增透膜，所述增透膜覆盖所述pn结的进光孔；

在所述pn结环绕所述进光孔的位置刻蚀所述增透膜形成显露所述帽层的电极窗口；以及

在所述帽层上所述电极窗口处制作p电极。

在一些实施例中，在所述衬底的第二表面上制作具有将光线反射回所述光吸收层的光反射层包括：

对所述衬底的所述第二表面进行抛光后，在所述第二表面上生长多层依次层叠的ta2o5膜层和sio2膜层形成所述光反射层。

在一些实施例中，还包括：

在所述光反射层上制作n电极，包括：

通过光刻刻蚀去除所述光反射层远离光反射层中心的边缘部分在所述边缘部分暴露出所述第二表面；

在暴露出的所述第二表面以及刻蚀后的所述光反射层上制作所述n电极。

在一些实施例中，所述在所述帽层上背离所述衬底的表面形成pn结包括：

在所述帽层上背离所述衬底的表面制作一次pn结和嵌套在所述一次pn结内的二次pn结，所述一次pn结的中心轴线和二次pn结的中心轴线同轴。

在一些实施例中，在所述帽层上背离所述衬底的表面形成pn结至少包括：

在所述帽层上背离所述衬底的表面沉积一次扩散掩膜，并刻蚀所述一次扩散掩膜在所述一次扩散掩膜上形成一次扩散窗口；

通过所述一次扩散窗口将p型杂质扩散至所述帽层形成一次pn结；

去除所述一次扩散掩膜，并在所述帽层上背离所述衬底的一侧沉积二次扩散掩膜；

通过刻蚀所述二次扩散掩膜在所述二次扩散掩膜上形成与所述一次扩散窗口中心同轴的二次扩散窗口；以及

通过所述二次扩散窗口将p型杂质扩散至所述帽层形成二次pn结。

在一些实施例中，所述pn结为阶梯型pn结。

本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本公开实施例利用在衬底的第二表面上形成有将光线反射回所述光吸收层的光反射层，并在衬底的第一表面上形成有至少包含进行光电转换的光吸收层的功能层，如此，通过光反射层对进入探测器内未被光吸收层吸收的光进行反射使之再次进入光吸收层，从而提高了光吸收效率，从而提高探测器对光的灵敏度。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的光探测器的结构示意图。

图2是根据一示例性实施例示出的光探测器的p电极示意图。

图3是根据一示例性实施例示出的光探测器的的制作方法流程图。

图4是根据一示例性实施例示出的光探测器的的制作流程图一。

图5是根据一示例性实施例示出的光探测器的的制作流程图二。

图6是根据一示例性实施例示出的光探测器的的制作流程图三。

图7是根据一示例性实施例示出的光探测器的的制作流程图四。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

本公开提供一种光探测器。该光探测器可用于对超微弱光进行探测。图1是根据一示例性实施例示出的光探测器的结构示意图。如图1所示，该探测器包括衬底1；

在所述衬底1的第一表面上具有功能层；所述功能层至少包含：进行光电转换的光吸收层3；

在所述衬底的第二表面上具有将光线反射回所述光吸收层的光反射层11；所述第二表面为所述第一表面的相反面。

在本示例性实施例中，衬底的第一表面具有至少包含进行光电转换的光吸收层的功能层；同时，在所述衬底的第二表面具有将光线反射回光吸收层的光反射层；当进入探测器的光经过光吸收层进行光电转换时，可能会有部分光透过光吸收层和衬底未被光吸收层吸收，此时这部分光被光反射层反射至光吸收层再次被吸收转换，进一步以提高探测器对光的灵敏度。

所述功能层的个数为一个或多个，所述功能层包括：所述光吸收层，还可包括：将所述光吸收层转换的电荷以电信号输出的电极层。所述电极层可包括：正电极层和负电极层，分布在所述光吸收层的两侧，用于将所述光吸收层转换成的电荷，以对应的电信号的方式输出。

在一些实施例中，所述光反射层包括分布式布拉格反射层或单层介质膜。分布式布拉格反射层以及单层介质膜的制作材料均可包括ta2o5/sio2、tio2/sio2、sinx、si、mgo中的至少一种。

在一些实施例中，所述单层介质膜可以是sinx、sio2等介质膜。

在一些实施例中，所述分布式布拉格反射层包括多个依次交替层叠的ta2o5膜层和sio2膜层或者tio2/sio2膜层。例如，分布式布拉格反射层可包括3对依次交替层叠的ta2o5膜层和sio2膜层。

在本示例性实施例中，分布式布拉格反射层的制作材料为ta2o5/sio2是指ta2o5和sio2两种材料的膜层相互依次层叠形成分布式布拉格反射层。同理，分布式布拉格反射层的制作材料为tio2/sio2是指tio2和sio2两种材料的膜层相互依次层叠形成分布式布拉格反射层。如此，使得分布布拉格反射层通过不同折射率材料的周期性交叠增强光的反射。

在一些实施例中，如图1所示，所述功能层还包括：

在所述衬底向外延伸的方向上依次层叠在所述光吸收层上的渐变层4、电荷层5以及帽层6。

在本示例性实施例中，渐变层用于平滑吸收层与倍增层之间的能带。

在本示例性实施例中，电荷层用于调控电场，使倍增层维持雪崩击穿所需要的高电场的同时，保持吸收层有适当的电场强度，从而实现器件内部电场分布调整。

在本示例性实施例中，帽层中pn结正下方的部分用于为探测器提供增益，称为倍增层。

在一些实施例中，如图1所示，所述功能层还包括：位于所述衬底和所述光吸收层之间的缓冲层2。

在本示例性实施例中，缓冲层用于提高各个层材料的生长质量。

在本示例性实施例中，衬底可以是n型磷化铟(n-inp)材质。

在本示例性实施例中，缓冲层可以是磷化铟(inp)材质，其生长厚度可以是0.1～1微米，掺杂浓度可以是0～5×10¹⁸cm^-3。

在本示例性实施例中，吸收层可以是非故意掺杂的铟镓砷(i-ingaas)或铟镓砷磷(i-ingaasp)材质，其生长厚度可以是0.2～3微米。

在本示例性实施例中，渐变层可以是铟镓砷磷(ingaasp)材质，其生长厚度可以是0.03～0.12微米，其掺杂浓度可以是0～3×10¹⁷cm^-3。

在本示例性实施例中，电荷层可以是n型磷化铟(n-inp)材质，其生长厚度可以是0.05～0.5微米，掺杂浓度为5×10¹⁶～5×10¹⁷cm^-3。

在本示例性实施例中，帽层可以是磷化铟(inp)材质，其生长厚度可以是2～5微米，掺杂浓度0～1×10¹⁷cm^-3。

在一些实施例中，如图1所示，所述帽层背离所述衬底的表面形成pn结9及位于所述pn结的进光孔10；所述pn结设置有p电极8。

在本示例性实施例中，pn结形成在帽层内；位于所述pn结的进光孔为盲孔，该进光孔位于pn结进光面的中心；用探测器探测的光线可通过进光孔进入探测器内。本实施例中，盲孔是指没有穿透材料的孔，与通孔相对。

光线通过进光孔进入光探测器之后，传输到光吸收层，会激发光吸收层中电子跃迁，从而实现光能到电能的转换。

在本示例性实施例中，图2是根据一示例性实施例示出的光探测器的p电极示意图。如图2所示，pn结上的p电极8环绕进光孔10。

在一些实施例中，如图1所示，所述功能层还包括：利用干涉原理增加光透过率的增透膜层7，所述增透膜层7材料包括但不限于一层或多层sinx、sio2、tio2、ta2o5等。所述增透膜层7上具有供所述帽层显露的电极窗口，且覆盖所述进光孔10。

在本示例性实施例中，p电极透过电极窗口形成在pn结上。

在一些实施例中，所述光反射层部分覆盖所述衬底的第二表面；还包括：

n电极，覆盖所述光反射层和所述第二表面未覆盖有所述光反射层的部分。n电极可为金属材质，可增强光反射层的光反射作用。

在一些实施例中，所述pn结至少包括：

第一次粒子扩散形成的一次pn结和第二次粒子扩散形成的嵌套在所述一次pn结内的二次pn结；其中，所述一次pn结的中心轴线和所述二次pn结的中心轴线同轴。

在一些实施例中，所述pn结包括：

通过对所述帽层一次或多次腐蚀后进行粒子扩散形成的中心轴线同轴的阶梯型pn结。

在本示例性实施例中，pn结并不局限于二阶梯结，还可以是三阶梯结、四阶梯结、五阶梯结等；在二次pn结内可嵌套三次pn结；在三次pn结内可嵌套四次pn结等。阶梯型pn结外围可以有零到多个浮动保护环。该浮动保护环在阶梯型pn形成的时候，一并形成。pn结形成阶梯型结构可抑制pn结边缘击穿。

在本示例性实施例中，所述一次pn结的结半径比所述二次pn结的结半径大3～20微米。

在本示例性实施例中，所述一次pn结的结深比所述二次pn结的结深小0.1～1.5微米。

在一些实施例中，所述pn结为阶梯型pn结。所述一次pn结的结半径比所述二次pn结的结半径大3～20微米；所述一次pn结的结深比所述二次pn结的结深小0.1～1.5微米，从而形成梯型pn结。

在一些实施例中，所述增透膜层为介质膜层。

另一方面，本公开还提供一种光探测器的制作方法。图3是根据一示例性实施例示出的光探测器的的制作方法流程图。该方法包括：

步骤30、在所述衬底的第一表面上形成功能层；所述功能层至少包含：进行光电转换的光吸收层；

步骤31、在所述衬底的第二表面上形成具有将光线反射回所述光吸收层的光反射层；所述第二表面为所述第一表面的相反面。

在本示例性实施例中，在所述衬底的第一表面上形成至少包含能够进行光电转换的光吸收层的功能层，并在衬底的第二表面上形成具有将光线反射回所述光吸收层的光反射层；当进入探测器的光经过光吸收层进行光电转换时，可能会有部分光透过光吸收层和衬底未被光吸收层吸收，此时这部分光被光反射层反射至光吸收层再次被吸收转换，进一步以提高探测器对光的灵敏度。

在一些实施例中，图4是根据一示例性实施例示出的光探测器的的制作流程图一。如图4所示，所述在所述衬底的第一表面上制作功能层包括：

在衬底的第一表面上由所述衬底向外依次生长相互层叠的缓冲层2、吸收层3、渐变层4、电荷层5和帽层6。

在本示例性实施例中，衬底可以是n型磷化铟(n-inp)材质。

在本示例性实施例中，在衬底的第一表面生长缓冲层；缓冲层可以是磷化铟(inp)材质，其生长厚度可以是0.1～1微米，掺杂浓度可以是0～5×10¹⁸cm^-3。

在本示例性实施例中，在缓冲层上生长吸收层；吸收层可以是非故意掺杂的铟镓砷(i-ingaas)或铟镓砷磷(i-ingaasp)材质，其生长厚度可以是0.2～3微米。

在本示例性实施例中，在吸收层上生长渐变层；渐变层可以是铟镓砷磷(ingaasp)材质，其生长厚度可以是0.03～0.12微米，其掺杂浓度可以是0～3×10¹⁷cm^-3。

在本示例性实施例中，在渐变层上生长电荷层；电荷层可以是n型磷化铟(n-inp)材质，其生长厚度可以是0.05～0.5微米，掺杂浓度为5×10¹⁶～5×10¹⁷cm^-3。

在本示例性实施例中，在电荷层上生长帽层；帽层可以是磷化铟(inp)材质，其生长厚度可以是2～5微米，掺杂浓度0～1×10¹⁷cm^-3。

在一些实施例中，还包括：

在所述帽层上背离所述衬底的表面形成pn结及在所述pn结形成进光孔；

在所述帽层上背离所述衬底的表面沉积介质形成增透膜，所述增透膜覆盖所述pn结的进光孔；

在所述pn结环绕所述进光孔的位置刻蚀所述增透膜形成显露所述帽层的电极窗口；以及在所述帽层上所述电极窗口处制作p电极。

在本示例性实施例中，pn结形成在帽层内；位于所述pn结的进光孔为盲孔，该进光孔位于pn结进光面的中心，pn结上的p电极环绕该光孔；用探测器探测的光线可通过进光孔进入探测器内。

在一些实施例中，所述在所述衬底的第二表面上制作具有将光线反射回所述光吸收层的光反射层包括：

对所述衬底的所述第二表面进行抛光后，在所述第二表面上生长多层依次层叠的ta2o5膜层和sio2膜层形成所述光反射层。

在本示例性实施例中，先对衬底的第二表面做减薄抛光处理至一定厚度和表面粗糙度，然后通过溅射、蒸发、沉积等工艺生长光反射层。多层依次层叠的ta2o5膜层和sio2膜层可以是1对ta2o5膜层和sio2膜层或多对ta2o5膜层和sio2膜层。

在一些实施例中，还包括：

在所述光反射层上制作n电极，包括：

通过光刻刻蚀去除所述光反射层远离光反射层中心的边缘部分在所述边缘部分暴露出所述第二表面；

在暴露出的所述第二表面以及刻蚀后的所述光反射层上制作所述n电极。

在一些实施例中，所述在所述帽层上背离所述衬底的表面形成pn结至少包括：

在所述帽层上背离所述衬底的表面制作一次pn结和嵌套在所述一次pn结内的二次pn结，所述一次pn结的中心轴线和二次pn结的中心轴线同轴。

在本示例性实施例中，pn结的制备方式不局限于两次扩散、还可以是多次扩散以及一次或多次腐蚀后再扩散，从而形成二阶梯结、三阶梯结、四阶梯结或五阶梯结的梯型pn结。

在一些实施例中，图5是根据一示例性实施例示出的光探测器的的制作流程图二；图6是根据一示例性实施例示出的光探测器的的制作流程图三。如图5和6所示，所述在所述帽层上背离所述衬底的表面形成pn结包括：

在所述帽层上背离所述衬底的表面沉积一次扩散掩膜18，并刻蚀所述一次扩散掩膜18在所述一次扩散掩膜上形成一次扩散窗口13；

通过所述一次扩散窗口13将p型杂质扩散至所述帽层形成一次pn结14；

去除所述一次扩散掩膜18，并在所述帽层上背离所述衬底的一侧沉积二次扩散掩膜15；

通过刻蚀所述二次扩散掩膜15在所述二次扩散掩膜15上形成与所述一次扩散窗口中心同轴的二次扩散窗口16；以及

通过所述二次扩散窗口16将p型杂质扩散至所述帽层形成二次pn结17。

在本示例性实施例中，如图5所示，一次pn结制作过程包括：在所述帽层上沉积一次扩散掩膜18，光刻并刻蚀扩散掩膜15形成一次扩散窗口13；在一次扩散窗口13内将p型杂质扩散至帽层材料中，形成预定结深的pn结，将形成的阶梯pn结定义为一次pn结14。其中，在本示例性实施例中，功能层包括依次层叠在衬底1上的缓冲层2、吸收层3、渐变层4、电荷层5和帽层6。

在本示例性实施例中，如图6所示，二次pn结制作过程包括：去除一次扩散掩膜层，在所述帽层上沉积二次扩散掩膜15，光刻并刻蚀二次扩散掩膜15形成与一次扩散窗口同心且半径小于一次扩散窗口的二次扩散窗口16；在所述二次扩散窗口16内将p型杂质扩散至帽层材料中，形成预定结深的pn结17，将形成的阶梯pn结定义为二次pn结；一次pn结、二次pn结共同构成阶梯型pn结9。其中，在本示例性实施例中，功能层包括依次层叠在衬底1上的缓冲层2、吸收层3、渐变层4、电荷层5和帽层6。

在本示例性实施例中，图7是根据一示例性实施例示出的光探测器的的制作流程图四。如图7所述，所述p电极制作过程包括：去除二次扩散掩膜层15，在所述帽层上沉积介质膜作为增透膜7，光刻并刻蚀增透膜7；在所述阶梯型pn结9边缘形成接触电极窗口；通过电子束蒸发、磁控溅射或者热蒸发结合剥离或腐蚀工艺制作p电极8。其中，在本示例性实施例中，功能层包括依次层叠在衬底1上的缓冲层2、吸收层3、渐变层4、电荷层5和帽层6。

在一些实施例中，所述pn结为阶梯型pn结。

在本示例性实施例中，光探测器是在分离吸收电荷倍增结构上，通过两次p型杂质扩散，形成同轴的阶梯pn结。

高效低噪声的探测器是提高3d激光雷达成像、生物荧光检测等应用检测灵敏度的关键。inp基盖革模式雪崩光电二极管由于成本低、体积小，无需超低温制冷，成为单个光子量级超微弱光探测的主流发展方向。但是受限于材料和工艺水平，其探测效率仍低于超导器件。

在经典光通信等应用领域中，可以采用在衬底上外延inp/ingaasp分布布拉格反射层的方式提高光响应。但是inp/ingaasp折射率差异小，往往需要很多层才能达到较高的反射率，从而增加了外延难度，提高了劣化材料质量的风险。单个光子量级超微弱光探测器对材料质量非常敏感。材料质量的稍微劣化将可能强烈影响器件性能。

本公开采用层叠于衬底之下的具有高折射率差异的分布布拉格反射或具有光反射效果的单层介质光反射层，使未被吸收的光信号再次进入吸收层，从而增强光响应，可以有效提高inp基盖革模式雪崩光电二极管的探测效率。本公开所采用的光反射层是在功能层制备完成后在功能层背面制备的单层或多层介质膜，在增强光吸收的同时不会增加材料生长难度，不会劣化材料质量，可以有效提高器件性能，用于对超微弱光进行探测。

本公开提供一种光探测器制作方法，包括以下步骤：

步骤01：外延片生长，在衬底上顺序外延缓冲层、吸收层、渐变层、电荷层和帽层，将有外延结构一侧称为外延片正面(即功能层形成在外延片正面)，将无外延结构一侧称为外延片背面；

步骤02：制作一次pn结，在所述外延片上沉积一次扩散掩膜，光刻并刻蚀扩散掩膜形成一次扩散窗口，在所述一次扩散窗口内将p型杂质扩散至帽层材料中，形成预定结深的pn结，将形成的pn结定义为一次pn结；

步骤03：制作二次pn结，去除一次扩散掩膜层，在所述外延片上沉积二次扩散掩膜，光刻并刻蚀扩散掩膜形成与一次扩散窗口同心且半径小与一次扩散窗口的二次扩散窗口，在所述二次扩散窗口内将p型杂质扩散至帽层材料中，形成预定结深的pn结，将形成的pn结定义为二次pn结；其中，所述一次pn结和二次pn结同轴，一次pn结半径比二次pn结大3～20微米，一次pn结比二次pn结浅0.1～1.5微米；

步骤04：制作p电极，去除二次扩散掩膜，生长介质膜作为增透膜，在所述介质膜上所述pn结边缘通过光刻和刻蚀形成接触窗口，通过电子束蒸发、磁控溅射或者热蒸发结合腐蚀或剥离工艺制作p电极；

步骤05：生长光反射层，将所述外延片背面减薄抛光至一定厚度和表面粗糙度，在所述外延片背面生长光反射层；

步骤06：制作n电极，通过光刻、刻蚀，去除所述pn结正下方以外所述光反射层，在所述外延片背面通过电子束蒸发、磁控溅射或者热蒸发制作n电极；

步骤07：进一步，所述光反射层是分布布拉格反射镜或者具有增强反射作用的单层介质膜。

本公开提供的一种超微弱光探测器制作方法，外延片生长步骤包括：

步骤08：在n型磷化铟(n-inp)衬底上生长磷化铟(inp)缓冲层，其生长厚度为0.1～1微米，掺杂浓度可以是0～5×10¹⁸cm-3；

步骤11：在n型磷化铟缓冲层上生长非故意掺杂的铟镓砷(i-ingaas)或铟镓砷磷(i-ingaasp)吸收层，其生长厚度为0.2～3微米；

步骤12：在非故意掺杂的吸收层上生长铟镓砷磷(ingaasp)渐变层，其生长厚度为0.03～0.12微米，其掺杂浓度可以是0～3×10¹⁷cm-3；

步骤13：在渐变层上生长n型磷化铟(n-inp)电荷层，其生长厚度为0.05～0.5微米，掺杂浓度为5×10¹⁶～5×10¹⁷cm-3；

步骤14：在电荷层上生长磷化铟(inp)帽层，其生长厚度为2～5微米，掺杂浓度0～1×10¹⁷cm-3。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。