一种波导型近弹道单行载流子光电探测器及其制备方法

本发明涉及光电探测器领域，具体地，涉及一种波导型近弹道单行载流子光电探测器及其制备方法。

背景技术：

1、光电探测器(photodetector，pd)作为光通信光子链路的最后一个器件，其探测数据的速率制约着整个通信链路处理高频数据的能力。据cisco的估计，2023年全球将会拥有占据全球三分之二人口(约53亿)的互联网用户，同时云计算，自动驾驶，人工智能的兴起，使得全球的信息处理量剧增，截至2022年全球互联网的信息交互量高达150700gb/s，要求通信系统的光子器件响应速度和集成度的提高，产生了可片上集成高速光电探测器的需求。

2、日本ntt光子实验室的t.ishibashi等人在传统pin光电探测器(positive-intrinsic-negative photodiode,pin-pd)的基础上提出单行载流子光电探测器(uni-traveling-carrier photodetector，utc-pd)，让空穴在p型重掺杂的吸收层被快速收集，以电子为唯一的载流子，有效提升载流子的输运速度，抑制空间电荷效应，提升了光电探测器的带宽性能和射频输出功率。高速utc-pd的结构设计通常采用垂直入光或者侧入光的方式，分别对应垂直耦合和侧向波导耦合的utc-pd。垂直耦合pd常以降低量子效率的代价来提升带宽，垂直入光方式简单，水平的有源区域入射光吸收均匀，无需进行额外的光耦合仿真；波导耦合分为边缘耦合和倏逝耦合，存在探测器前端光吸收过快导致的局部易饱和，以及对波导刻蚀长度或者质量要求严格等问题，但其解除了utc-pd在量子效率和载流子渡越时间限制带宽之间的制约，并有利于不同pd的片上集成，这对于提高光子器件的集成度具有重要意义。

3、ito.h等在2000年将utc-pd的吸收层缩小至30nm，收集层缩小至230nm，测试3db带宽为310ghz,但由于吸收层过薄，响应度仅为0.07a/w。这是目前采用缩短电子渡渡越距离方法得到的最高3db带宽值。jw shi等在2005年首次提出近弹道单行载流子光电探测器(near-ballistic uni-traveling-carrier photodiode,nbutc-pd),由150nm的ingaas和300nm的inalgaas分别作吸收层和有效收集层，并采用短稀释波导进行侧向光耦合，最终测试3db带宽为40ghz，响应度1.14a/w,接近1550nm波长下的理论响应度极限值。后续经过优化和加入倒装焊，nbutc-pd的3db带宽在2014年的工作中达225ghz，饱和输出电流13ma。另外，jw shi等在2018年采用了gaassb/ingaas混合吸收层，利用其导带差对电子的输运进行提速，最终测试3db带宽为330ghz，响应度为0.11a/w，为目前所报道的最高带宽值，并在同年将波导超高速pd和天线进行集成。以上方法均属于增大载流子的漂移速度来提高带宽值。

4、nbutc-pd的有效收集层由电场承受层和收集层组成。收集层一侧设置了inp电场承受层，降低了收集层的电场强度，使得收集层中的电子以过冲的速度进行渡越，提高带宽性能。但由于考虑稀释波导的光耦合效率，jw shi等在2005年的波导nbutc-pd工作中采用了饱和电子速度较低的in0.52al0.15ga0.33as和in0.52al0.48as作为收集层和电场承受层，组成有效收集层，然而载流子渡越时间并没有实现最小化。

技术实现思路

1、为解决现有技术波导型高速nbutc-pd工作中载流子渡越时间较长的技术问题，本发明提供了一种波导型近弹道单行载流子光电探测器及其制备方法，本发明采用的技术方案是：

2、本发明第一方面提供了一种波导型近弹道单行载流子光电探测器，由上至下依次为p型接触层、阻挡层、吸收层、耗尽吸收层、第一过渡层、第二过渡层、崖层、收集层、第三过渡层、电场承受层、n型接触层、稀释波导层、衬底，所述收集层的材料采用ingaasp q1.3材料，所述电场承受层的材料采用的是inp材料。

3、作为一种优选方案，所述p型接触层的材料采用p型重掺杂的in0.53ga0.47as材料，所述阻挡层的材料采用ingaasp q1.4材料。

4、作为一种优选方案，所述吸收层的材料采用p型三级阶梯重型掺杂的窄带隙in0.53ga0.47as材料，所述耗尽吸收层的材料采用非故意掺杂的n型ingaas材料。

5、作为一种优选方案，所述第一过渡层的材料采用ingaasp q1.5材料，所述第二过渡层的材料采用ingaasp q1.4材料，所述崖层的材料采用ingaasp q1.4材料。

6、作为一种优选方案，所述收集层的材料采用n型轻掺杂的ingaasp q1.3材料，所述收集层具备预设场强的电场以降低结电容和保持电子在所述收集层的过冲速度。

7、作为一种优选方案，所述第三过渡层的材料采用n型轻掺杂的ingaasp q1.1材料。

8、作为一种优选方案，所述电场承受层包括第一电荷层、第二电荷层以及第三电荷层，所述第一电荷层、所述第二电荷层以及所述第三电荷层的材料分别采用p型重掺杂的inp材料、p型轻掺杂的inp材料以及n型重掺杂的inp材料。

9、作为一种优选方案，所述n型接触层的材料采用n型重掺杂的ingaasp q1.3，所述n型接触层与n电极形成欧姆接触，并作为波导的光匹配层。

10、作为一种优选方案，所述稀释波导层的材料采用若干个周期的本征ingaaspq1.05/inp材料，每个周期内，ingaasp q1.05厚度在预设范围内渐变，渐变步长为预设值。

11、本发明第二方面提供了一种波导型近弹道单行载流子光电探测器制备方法，所述方法包括以下步骤：

12、s1：利用金属有机化学气相沉积从衬底依次外延稀释波导层、n型接触层、电场承受层、第三过渡层、收集层、崖层、第二过渡层、第一过渡层、耗尽吸收层、吸收层、阻挡层、p型接触层，至此形成器件外延片；

13、s2：旋涂负胶az2035，用无掩膜紫外曝光机定义p电极的位置和形状，并进行p金属蒸镀；

14、s3：在器件外延片上旋涂hsq进行电子束曝光，定义p台面的位置和形状；

15、s4：采用电感耦合等离子体刻蚀系统进行干法刻蚀至n接触层形成p台柱，并使用hcl:h2o＝1:5的溶液对p台柱侧壁进行10s的腐蚀，减少干法刻蚀所形成的悬挂键；

16、s5：旋涂负胶az2035，用无掩膜紫外曝光机定义n接触层的位置和形状，使用hcl:h2o＝1:1的溶液进行腐蚀形成n台面；

17、s6：沉积sinx硬掩模，旋涂负胶az2035，用无掩膜紫外曝光机定义波导lf的位置，去胶；使用反应离子束刻蚀系统刻蚀不受负胶az2035保护的sinx；

18、s7：使用电感耦合等离子体刻蚀系统刻蚀波导层形成入射波导；

19、s8：旋涂负胶az2035，采用无掩膜紫外曝光机定义p电极和n电极窗口，使用rie刻蚀sinx开电极窗口；

20、s9：蒸镀p和n电极金属，不进行liffoff，旋涂负胶az2035，用无掩膜紫外曝光机定义电极的位置将其暴露，电镀加厚电极金属至2μm；

21、s10：使用1165负胶剥离剂在65℃水浴恒温下进行剥离；

22、s11：使用解理机在波导端面进行解理，露出光敏面，至此全部工艺流程结束。

23、相较于现有技术，本发明具有的有益效果是：

24、本发明通过采用ingaasp q1.3作为收集层，提高收集层的电子漂移速度，效减小收集层的渡越时间，提高载流子渡越时间限制带宽，同时ingaasp q1.3的折射率介于n型接触层和吸收层之间，有助于保持较高的光耦合效率。

25、本发明通过采用inp作为电场承受层，并加入ingaasp q1.1作为过渡层减小电场承受层和收集层之间的导带突变程度，减小有效收集层的电子渡越时间。