一种雪崩光电探测器的制作方法

本发明涉及半导体器件，尤其涉及雪崩光电探测器。

背景技术：

1、具有内增益的红外雪崩光电探测器在民用和军事领域都有重要的应用，其中在近红外0.75-3μm波段的红外探测器以吸收层为in0.53ga0.47as和倍增层为inp组成的in0.53ga0.47as/inp红外探测器的性能最为显著，且作为高性能探测器应用在波长1310nm和1550nm的光通信系统中。目前，近波红外探测器广泛使用的材料和结构主要为insb/hgcdte焦平面阵列和锑基inas/inassbt2sl的nbn/pbn/cbird型结构探测器。然而，在降低器件暗电流提高信噪比的同时，相关系统一直处于低温环境中工作，且配备的制冷系统导致体积大，成本高，实用性差。因此，为了提高器件的工作温度以减轻制冷系统的负担，需要器件本身能产生较低的暗电流和高的响应度的以实现高性能的探测目标。此外，石墨烯与黑磷等二维材料由于材料本身和制备工艺的局限性，尚处于探索阶段，故没有大规模工业生产进而没有市场化。

2、近年来随着半导体技术的快速发展，探索出ⅲ-ⅴ族半导体材料中的三元化合物in0.52al0.48as，其载流子电离系数和电子迁移率均大于inp，利用材料的这种特性作为器件倍增层更具有优势，而且该材料的制备工艺比较成熟，是近红外探测器制备的理想材料选择。因此，其组成in0.53ga0.47as/in0.52al0.48as探测器在噪声和温度变化等方面可以体现出更高的光电性能，但在室温下存在复合速率较高，暗电流较大等问题。

3、公开号为cn114361285a,公开日为2022.04.15的中国专利文献公开一种1.55微米波段雪崩光电探测器及其制备方法。该光电探测器结构利用分子束外延技术在衬底层上依次生长阴极接触层、n型电荷层、inas/alas数字合金倍增层、p型电荷层，能带过渡层、本征吸收层、p型掺杂吸收层、电子阻挡层、阳极接触层。该探测器存在的问题在于：(1)倍增层inas/alas数字合金的制备工艺极其复杂，尤其是每个生长周期包含单分子层的厚度不易控制，导致器件整体光电性能的下降；(2)吸收层结构为同质in0.53ga0.47as结构，俄歇复合产生的电流并没有被抑制，同时p型重掺杂的吸收层会加剧肖克利-霍尔-里德复合电流的产生，导致电流的增大；(3)在高电场作用下，倍增层inas/alas也容易发生带间隧穿现象，通过制冷系统无法进行有效缓解，在高温工作时极易受到隧穿电流对器件性能的影响；(4)所采用的分子束外延技术相比于磁控溅射方法制备器件，其成本更高，且不利于大规模生产，无法加快光电子器件市场化进程。

4、现有技术制备的光电探测器在室温下工作时存在暗电流高，灵敏度低，且吸收层厚度和量子效率与与带宽也相互制约等问题，由于器件结构设计，各层材料的选择及各层厚度和掺杂浓度的不合理匹配等导致目前制备的器件产生暗电流高、响应度、量子效率及灵敏度低等性能方面的技术问题。

技术实现思路

1、为解决光电探测器在室温环境下工作时产生的暗电流高，灵敏度差等问题，本发明提供如下技术方案：

2、一种雪崩光电探测器，包括正电极层和负电极层，从负电极层至正电极层依次包括衬底、缓冲层、吸收层、渐变层、电荷层、倍增层以及接触层，其特征在于：所述的衬底材料为n型inp，所述的缓冲层材料为n型inp，所述的吸收层材料为i型in0.53ga0.47as，所述的渐变层材料为ingaasp，所述的电荷层材料为p型in0.52al0.48as，所述的倍增层材料为i型in0.52al0.48as，所述的接触层材料为p型in0.52al0.48as；还包括覆盖在探测器侧表面的钝化层；所述的衬底的掺杂浓度为3×1018cm-3，厚度为3.0μm；缓冲层的掺杂浓度为2×1017cm-3，厚度为0.50μm；吸收层的掺杂浓度为1×1016cm-3，厚度为1.50μm；渐变层ingaasp4的掺杂浓度为1×1016cm-3，厚度为0.05μm；电荷层的掺杂浓度为1×1017cm-3，厚度为0.25μm；倍增层的掺杂浓度为1×1016cm-3，厚度为0.50μm；接触层的掺杂浓度为1×1018cm-3，厚度为2.50μm。

3、所述正电极层为叉指电极；所述负电极层为栅条状电极。

4、p型半导体材料，其受主掺杂剂为be或zn；n型半导体材料，其施主掺杂剂为te或sn。

5、缓冲层、吸收层、渐变层、电荷层、倍增层以及接触层均采用磁控溅射技术进行沉积。

6、采用以上技术方案通过在现有sacm(separate absorption,charge andmultiplication)结构光电探测器的基础上进行各层厚度与掺杂浓度的重新设计，并对传统的接触层和倍增层材料采用可调带隙的三元化合物进行替换，技术方案具体为：详细给出设计器件各层厚度及掺杂浓度的最优组合，同时选用三元化合物in0.52al0.48as作为接触层和倍增层，作为接触层时使该层在实现重掺杂提高器件量子效率、降低比接触电阻的同时，也可使该界面异质结的空间电荷区宽度变窄，有助于提升该区域的电场强度，且能够在电极与接触层之间形成良好的欧姆接触以降低暗电流；作为倍增层在降低暗电流的同时产生较高的内部增益以提高器件的灵敏度，改善器件在室温下的工作性能；解决了目前制备器件在室温下工作时产生的暗电流高，灵敏度低的问题。

技术特征：

1.一种雪崩光电探测器，包括正电极层和负电极层，从负电极层至正电极层依次包括衬底、缓冲层、吸收层、渐变层、电荷层、倍增层以及接触层，其特征在于：所述的衬底材料为n型inp，所述的缓冲层材料为n型inp，所述的吸收层材料为i型in0.53ga0.47as，所述的渐变层材料为ingaasp，所述的电荷层材料为p型in0.52al0.48as，所述的倍增层材料为i型in0.52al0.48as，所述的接触层材料为p型in0.52al0.48as；还包括覆盖在探测器侧表面的钝化层；所述的衬底的掺杂浓度为3×1018cm-3，厚度为3.0μm；缓冲层的掺杂浓度为2×1017cm-3，厚度为0.50μm；吸收层的掺杂浓度为1×1016cm-3，厚度为1.50μm；渐变层ingaasp4的掺杂浓度为1×1016cm-3，厚度为0.05μm；电荷层的掺杂浓度为1×1017cm-3，厚度为0.25μm；倍增层的掺杂浓度为1×1016cm-3，厚度为0.50μm；接触层的掺杂浓度为1×1018cm-3，厚度为2.50μm。

2.根据权利要求1所述的一种雪崩光电探测器，其特征在于：所述正电极层为叉指电极；所述负电极层为栅条状电极。

3.根据权利要求1所述的一种雪崩光电探测器，其特征在于：p型半导体材料，其受主掺杂剂为be或zn；n型半导体材料，其施主掺杂剂为te或sn。

4.根据权利要求1或3所述的一种雪崩光电探测器，其特征在于：缓冲层、吸收层、渐变层、电荷层、倍增层以及接触层均采用磁控溅射技术进行沉积。

技术总结本发明涉及半导体器件，尤其涉及雪崩光电探测器技术领域，包括正电极层和负电极层，从负电极层至正电极层依次包括衬底、缓冲层、吸收层、渐变层、电荷层、倍增层以及接触层，其特征在于：所述的衬底材料为N型InP，所述的缓冲层材料为N型InP，所述的吸收层材料为I型In<subgt;0.53</subgt;Ga<subgt;0.47</subgt;As，所述的渐变层材料为InGaAsP，所述的电荷层材料为P型In<subgt;0.52</subgt;Al<subgt;0.48</subgt;As，所述的倍增层材料为I型In<subgt;0.52</subgt;Al<subgt;0.48</subgt;As，所述的接触层材料为P型In<subgt;0.52</subgt;Al<subgt;0.48</subgt;As；并对各层厚度与掺杂浓度的重新设计，解决了目前制备器件在室温下工作时产生的暗电流高，灵敏度低的问题。技术研发人员：杜鹏飞,耿东恒,南慧杰,李伟林受保护的技术使用者：陕西航天时代导航设备有限公司技术研发日：技术公布日：2024/10/10