基于混合吸收层背入射高速铟镓砷光电探测器及制备方法
阅读说明：本技术 基于混合吸收层背入射高速铟镓砷光电探测器及制备方法 (Back incidence high-speed indium gallium arsenic photoelectric detector based on mixed absorption layer and preparation method ) 是由 李庆伟 尹顺政 齐利芳 赵润 郝文嘉 于 2020-04-13 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于混合吸收层背入射高速铟镓砷光电探测器及制备方法,属于光探测器领域,半绝缘衬底的正面上自下至上依次生长N型欧姆接触层、吸收层、P型阻挡层和P型欧姆接触层,半绝缘衬底的背面设有透镜；N型欧姆接触层为台面结构,N型欧姆接触层上形成N电极环,N电极环与半绝缘衬底上的N电极压点相连；P型欧姆接触层上形成P电极环,P电极环与半绝缘衬底上的P电极压点相连,P电极环内定义为光敏区,光敏区设有反射层；吸收层为本征InGaAs层与P型InGaAs层的混合吸收层。本发明引入本征及P型混合吸收层,可以增加对光的吸收；在背面制作透镜,采用背入射进光,可使光纤与透镜的耦合更为容易。(The invention provides a back incidence high-speed indium gallium arsenic photoelectric detector based on a mixed absorption layer and a preparation method thereof, belonging to the field of photoelectric detectors.A N-type ohmic contact layer, an absorption layer, a P-type barrier layer and a P-type ohmic contact layer are sequentially grown on the front surface of a semi-insulating substrate from bottom to top, and a lens is arranged on the back surface of the semi-insulating substrate; the N-type ohmic contact layer is of a mesa structure, an N electrode ring is formed on the N-type ohmic contact layer, and the N electrode ring is connected with an N electrode pressure point on the semi-insulating substrate; a P electrode ring is formed on the P-type ohmic contact layer and is connected with a P electrode pressure point on the semi-insulating substrate, a photosensitive area is defined in the P electrode ring, and a reflecting layer is arranged in the photosensitive area; the absorption layer is a mixed absorption layer of an intrinsic InGaAs layer and a P-type InGaAs layer. The invention introduces the intrinsic and P-type mixed absorption layer, which can increase the absorption to light; the lens is manufactured on the back surface, and the coupling of the optical fiber and the lens is easier by adopting back incidence light incoming.)
技术领域
本发明属于光探测器技术领域，更具体地说，是涉及一种基于混合吸收层背入射高速铟镓砷光电探测器及制备方法。
背景技术
光通信正朝着高速方向发展，随着5G时代的到来，5G网络将会为用户提供10倍于4G网络的带宽，并且连接着海量的物联网终端。5G时代，光通信速率将提升到25G，数据通信市场100G光模块需求在不断增长，采用的是4×25G芯片，未来主流产品将是25G高速光芯片。铟镓砷光电探测器作为光通信接收端最核心的芯片，在5G技术的推动下，传输速率从2.5G、10G逐渐向25G发展，以满足大规模增长的数据传输量的要求。相比于平面结构，台面结构探测器由于电容小、速度快，已成为制作高速光电探测器的最佳选择。然而，为了提高传输速率，高速铟镓砷光电探测器需要将吸收层做的很薄，并且光敏面做小，由此造成了响应度低、耦合困难的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于混合吸收层背入射高速铟镓砷光电探测器，旨在解决现有高速铟镓砷光电探测器响应度低、耦合困难的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种基于混合吸收层背入射高速铟镓砷光电探测器，包括：半绝缘衬底，所述半绝缘衬底的正面上自下至上依次生长N型欧姆接触层、吸收层、P型阻挡层和P型欧姆接触层，所述半绝缘衬底的背面设有透镜；所述N型欧姆接触层为台面结构，在所述N型欧姆接触层上形成N电极环，所述N电极环与所述半绝缘衬底上的N电极压点相连；在所述P型欧姆接触层上形成P电极环，所述P电极环与所述半绝缘衬底上的P电极压点相连，所述P电极环内定义为光敏区，所述光敏区设有反射层；所述吸收层为本征InGaAs层与P型InGaAs层的混合吸收层。
作为本申请另一实施例，所述本征InGaAs层的厚度为0.2-0.8um，所述P型InGaAs层的厚度为0.3-0.7um。
作为本申请另一实施例，所述N型欧姆接触层为N型InP欧姆接触层，厚度为1-3um。
作为本申请另一实施例，所述P型阻挡层为P型InP阻挡层，厚度为0.1-0.5um；所述P型欧姆接触层为P型InGaAs欧姆接触层，厚度为0.1-0.2um。
作为本申请另一实施例，所述光敏区的直径为10um-20um；所述反射层的厚度为100-150nm。
作为本申请另一实施例，所述半绝缘衬底的表面、所述N型欧姆接触层的表面、所述吸收层的表面、所述P型阻挡层的表面和所述P型欧姆接触层的表面覆有钝化膜。
作为本申请另一实施例，所述钝化膜为氮化硅与二氧化硅的复合膜，所述氮化硅的厚度为80nm-120nm，所述二氧化硅的厚度为900nm-1100nm。
作为本申请另一实施例，所述透镜底面的直径为50-200um。
作为本申请另一实施例，所述透镜上蒸镀有增透膜，所述增透膜为氧化钛与二氧化硅的复合膜，所述氧化钛的厚度为100nm-140nm，所述二氧化硅的厚度为180nm-220nm。
本发明的另一目的在于提供一种基于混合吸收层背入射高速铟镓砷光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
在半绝缘衬底的正面上自下至上依次生长N型欧姆接触层、吸收层、P型阻挡层和P型欧姆接触层；
采用光刻蒸发剥离在所述P型欧姆接触层上制作P电极环并定义光敏区；
光刻刻蚀所述P型欧姆接触层、所述P型阻挡层、所述吸收层以及所述N型欧姆接触层，分别在所述半绝缘衬底及所述N型欧姆接触层上形成台面结构；
通过光刻蒸发剥离在所述N型欧姆接触层上形成N电极环；
对形成的台面结构的表面及侧壁进行钝化膜淀积钝化，并光刻刻蚀钝化膜露出所述N电极环、所述P电极环和所述光敏区；
采用溅射工艺在所述光敏区形成反射层；
通过电镀将所述N电极环和所述P电极环引到所述半绝缘衬底上；
对所述半绝缘衬底的背面减薄抛光，通过光刻、刻蚀在所述半绝缘衬底的背面制作出透镜，并在所述透镜上蒸镀增透膜。
本发明提供的基于混合吸收层背入射高速铟镓砷光电探测器及制备方法的有益效果在于：与现有技术相比，本发明基于混合吸收层背入射高速铟镓砷光电探测器，其一，吸收层采用本征InGaAs层与P型InGaAs层的混合吸收层，可以增加对光的吸收，因此，在完成超过25G带宽的同时，响应度也相应提高；其二，通过在半绝缘衬底的背面制作透镜，将芯片结构由正入射变为背入射，利用微透镜对光的会聚作用，可以显著提高与光纤的耦合效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的基于混合吸收层背入射高速铟镓砷光电探测器的立体结构示意图；
图2为本发明实施例提供的基于混合吸收层背入射高速铟镓砷光电探测器的主视结构示意图；
图3为本发明实施例提供的基于混合吸收层背入射高速铟镓砷光电探测器的制备方法步骤一的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的基于混合吸收层背入射高速铟镓砷光电探测器的制备方法步骤二的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的基于混合吸收层背入射高速铟镓砷光电探测器的制备方法步骤三的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的基于混合吸收层背入射高速铟镓砷光电探测器的制备方法步骤四的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的基于混合吸收层背入射高速铟镓砷光电探测器的制备方法步骤五的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的基于混合吸收层背入射高速铟镓砷光电探测器的制备方法步骤六的结构示意图；
图9为本发明实施例提供的基于混合吸收层背入射高速铟镓砷光电探测器的制备方法步骤七的结构示意图；
图10为本发明实施例提供的基于混合吸收层背入射高速铟镓砷光电探测器的制备方法步骤八的结构示意图；
图11为本发明实施例提供的基于混合吸收层背入射高速铟镓砷光电探测器的制备方法流程的结构示意图。
图中：1、反射层；2、P电极环；31、P型欧姆接触层；32、P型阻挡层；33、吸收层；4、N电极环；5、N电极压点；6、N型欧姆接触层；7、半绝缘衬底；8、P电极压点；9、透镜；10、钝化膜；11、N连接线；12、P连接线。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请一并参阅图1、图2及图10，现对本发明提供的基于混合吸收层背入射高速铟镓砷光电探测器进行说明。所述基于混合吸收层背入射高速铟镓砷光电探测器，包括：半绝缘衬底7，所述半绝缘衬底7的正面上自下至上依次生长N型欧姆接触层6、吸收层33、P型阻挡层32和P型欧姆接触层31，所述半绝缘衬底7的背面设有透镜9；所述N型欧姆接触层6为台面结构，在所述N型欧姆接触层6上形成N电极环4，所述N电极环4与所述半绝缘衬底7上的N电极压点5相连；在所述P型欧姆接触层31上形成P电极环2，所述P电极环2与所述半绝缘衬底7上的P电极压点8相连，所述P电极环2内定义为光敏区，所述光敏区设有反射层1；所述吸收层33为本征InGaAs层与P型InGaAs层的混合吸收层。
由于现有技术吸收层通常只采用本征InGaAs，而影响探测器速率的光生载流子的渡越时间主要是由空穴在本征InGaAs的漂移时间决定，要完成超过25G的带宽，吸收层只能是1um甚至更低，因此响应度也会降低；而本发明提供的基于混合吸收层背入射高速铟镓砷光电探测器，吸收层33采用本征InGaAs层与P型InGaAs层的混合吸收层，影响探测器速率的光生载流子的渡越时间主要是由电子在P型渐变掺杂InGaAs的扩散时间与空穴在本征InGaAs的漂移时间决定，吸收层厚度增加，但总的渡越时间并没有增加，因此，在完成超过25G带宽的同时，响应度也相应提高。
由于高速铟镓砷光电探测器需要将光敏区的直径做到20um以下，光敏区的减小会增加耦合难度，降低与光纤的耦合效率，本发明通过在半绝缘衬底7的背面制作透镜9，将芯片结构由正入射变为背入射，利用微透镜9对光的会聚作用，可以显著提高与光纤的耦合效率。
作为本发明提供的基于混合吸收层背入射高速铟镓砷光电探测器的一种具体实施方式，请参阅图10，所述本征InGaAs层的厚度为0.2-0.8um，所述P型InGaAs层的厚度为0.3-0.7um。例如，0.7μm本征InGaAs层与0.5μm的P型InGaAs层的厚度和为1.2μm，吸收层厚度相比现有技术有所增加，但是本征InGaAs层的厚度没有增加，或者是本征InGaAs层的厚度有所减少，因此，空穴在本征InGaAs的漂移时间不会增加，所以总的渡越时间并没有增加，在完成超过25G带宽的同时，提高器件的响应度。本实施例中，选择本征InGaAs层与P型InGaAs层的厚度之和大于现有技术的1μm。P型InGaAs层为P型渐变掺杂InGaAs层。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图1、图2及图10，所述N型欧姆接触层6为N型InP欧姆接触层，厚度为1-3um。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，参阅图10，所述P型阻挡层32为P型InP阻挡层，厚度为0.1-0.5um；所述P型欧姆接触层31为P型InGaAs欧姆接触层，厚度为0.1-0.2um。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图1、图8至图10，所述光敏区的直径为10um-20um；所述反射层1的厚度为100-150nm。其中，反射层1的材质为金。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图1至图2、图7至图10，所述半绝缘衬底7的表面、所述N型欧姆接触层6的表面、所述吸收层33的表面、所述P型阻挡层32的表面和所述P型欧姆接触层31的表面覆有钝化膜10。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图7至图10，所述钝化膜10为氮化硅(Si3N4)与二氧化硅(SiO2)的复合膜，所述氮化硅的厚度为80nm-120nm，所述二氧化硅的厚度为900nm-1100nm。通过氮化硅(Si3N4)与二氧化硅的复合，提高钝化膜10的保护效果，其中氮化硅是一种重要的结构陶瓷材料，是一种超硬物质，本身具有润滑性，并且耐磨损，为原子晶体；高温时抗氧化。而且它还能抵抗冷热冲击，在空气中加热到1000℃以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图2及图10，所述透镜9底面的直径为50-200um。例如，通过在半绝缘衬底7或者说是芯片的背面制作直径50-200um大尺寸透镜9，将芯片结构由正入射变为背入射，利用微透镜9对光的会聚作用可以显著提高与光纤的耦合效率，解决光敏区直径小，导致的耦合难度大，与光纤的耦合效率低的问题。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图2及图10，所述透镜9上蒸镀有增透膜，所述增透膜为氧化钛(TiO)与二氧化硅(SiO2)的复合膜，使用双层增透膜，可以在较宽的波段范围内有很高的透射率且一致。所述氧化钛的厚度为100nm-140nm，所述二氧化硅的厚度为180nm-220nm。通过增透膜，减少透镜表面的反射光与杂散光，增加透光量。本发明利用复合膜，能够进一步提高透光效果。
本发明还提供一种基于混合吸收层背入射高速铟镓砷光电探测器的制备方法，参见图11，包括以下步骤：
步骤一，参见图3，在半绝缘衬底7的正面上自下至上依次生长N型欧姆接触层6、吸收层33、P型阻挡层32和P型欧姆接触层31；
步骤二，参见图4，采用光刻蒸发剥离在所述P型欧姆接触层31上制作P电极环2并定义光敏区；
步骤三，参见图5，光刻刻蚀所述P型欧姆接触层31、所述P型阻挡层32、所述吸收层33以及所述N型欧姆接触层6，分别在所述半绝缘衬底7及所述N型欧姆接触层6上形成台面结构；
步骤四，参见图6，通过光刻蒸发剥离在所述N型欧姆接触层6上形成N电极环4；
步骤五，参见图7，对形成的台面结构的表面及侧壁进行钝化膜10淀积钝化，并光刻刻蚀钝化膜10露出所述N电极环4、所述P电极环2和所述光敏区；
步骤六，参见图8，采用溅射工艺在所述光敏区形成反射层1；
步骤七，参见图9，通过电镀将所述N电极环4和所述P电极环2引到所述半绝缘衬底7上；所述N电极环4通过N连接线与所述半绝缘衬底7上的N电极压点5相连；所述P电极环2通过P连接线与所述半绝缘衬底7上的P电极压点相连；
步骤八，参见图10，对所述半绝缘衬底7的背面减薄抛光，通过光刻、刻蚀在所述半绝缘衬底7的背面制作出透镜9，并在所述透镜9上蒸镀增透膜，完成芯片的加工制作。
采用本方法制作的铟镓砷光电探测器带宽大于25G，响应度高于0.9A/W，可应用于高速光通信。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。