專利名稱：光探測器集成器件及制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光信號探測技術領域，特別涉及一種光探測器集成器件及制備方法。
背景技術：
移動性、無線化、數(shù)字化和寬帶化是當今信息業(yè)的發(fā)展趨勢，超高速、超大容量成為信息傳送追求的主要目標。隨著社會信息化程度的深入，城域以太網(wǎng)、IPTV、高清電視、移動多媒體、視頻流媒體等新業(yè)務的不斷涌現(xiàn)，人類社會對于信息傳輸帶寬的需求一直在以驚人的速度增長。與此同時，人們對于無線通信的需求也急劇增長，尤其隨著3G、4G時代的到來使人們實現(xiàn)“任何時間、任何地點以任何方式”獲得各種多媒體信息的夢想成為現(xiàn)實的同時，帶來的是對更大的傳輸容量和更快的傳輸速率的需求與挑戰(zhàn)。因此，對整個系統(tǒng)中光信號探測部分——光電探測器提出了更大帶寬的挑戰(zhàn)。為此，NTT公司的T. Ishibashi等人提出了單載流子傳輸探測器 (Uni-Traveling-Carrier Photodiode, UTC-PD)，替代傳統(tǒng)的 PIN 型光電二極管，實現(xiàn)了響應速率的大幅提升。傳統(tǒng)的PIN型光電二極管，其吸收區(qū)在耗盡區(qū)，產(chǎn)生的光生電子-空穴載流子對在電場的作用下分別向N型收集區(qū)和P型收集區(qū)漂移，直至被收集并形成電流。 但是由于空穴載流子的漂移速率很慢，比電子的漂移速率慢得多，因此探測器的電流響應速率主要受限于空穴的渡越時間。而UTC探測器，采用了將吸收區(qū)放在P型區(qū)的做法，電子-空穴對在P型區(qū)產(chǎn)生，由于空穴是多子，直接通過大量空穴的集體運動就能在其弛豫時間內被收集，雖然電子需要經(jīng)過P區(qū)吸收區(qū)和I型耗盡區(qū)后到達N區(qū)才能被收集，但是由于電子本身的漂移速率要比空穴快得多，因此相比傳統(tǒng)的PIN型探測器，UTC探測器獲得了更高的響應速率。近年來，隨著微波光子學領域的發(fā)展，不僅要求探測器具有大帶寬的特性，同時也要求探測器具有很好的響應度，即光電轉換效率，以提高系統(tǒng)的增益特性，以及較高的飽和電流。探測器的光電轉換效率，一方面受限于吸收材料的吸收系數(shù)，另一方面受限于吸收材料的厚度。對于面向光通信波段的半導體光電探測器來說，通常都采用InGaAs等窄禁帶半導體材料作為吸收材料，以Ina53Giia47As材料為例，其光吸收系數(shù)約為0. 7 μ πΓ1。對于波導結構的探測器來說，沿光傳輸方向的吸收區(qū)厚度通常都達到幾十微米量級，長度足以將波導中的光完全吸收，光電轉換效率很容易做的很高。但是波導結構探測器的響應度主要是受到光纖耦合損耗的限制。雖然國內外科研工作者設計了不同的波導結構來提高光纖耦合效率，比如采用消逝場耦合的稀釋波導技術，能夠獲得很高的耦合效率。但是此類結構設計復雜，制作工藝難度大，器件的成本相對也高。同時，波導結構光探測器難以實現(xiàn)很高的飽和電流。對于臺面結構探測器來說，更容易實現(xiàn)較高的飽和特性，然而由于光入射的方向垂直與器件表面，要提高吸收效率，則需要提高吸收區(qū)的厚度。但是不論是對于傳統(tǒng)的PIN結構探測器，還是單載流子傳輸探測器，增加吸收區(qū)的厚度都會導致載流子的渡越時間相應增加，從而導致探測器帶寬惡化。

發(fā)明內容
(一)要解決的技術問題本發(fā)明要解決的技術問題是如何在保持UTC探測器響應帶寬和飽和功率的前提下提高探測器的光電轉換效率。( 二 )技術方案為解決上述技術問題，本發(fā)明提供了一種光探測器集成器件，包括半導體襯底、 由下到上層疊在所述半導體襯底之上的至少兩個單載流子傳輸探測器，所述每個單載流子傳輸探測器均包括p型寬禁帶阻擋層、P型窄禁帶吸收層、非高摻雜寬禁帶載流子耗盡層、 N型寬禁帶載流子收集層及至少一層重摻雜歐姆接觸層；位于最底部的單載流子傳輸探測器底部的重摻雜歐姆接觸層上設置有第一電極，位于最頂部的單載流子傳輸探測器頂層的重摻雜歐姆接觸層上設置有第三電極。其中，包括兩個單載流子傳輸探測器，位于所述半導體襯底上的第一單載流子傳輸探測器和位于所述第一單載流子傳輸探測器上的第二單載流子傳輸探測器，所述第一單載流子傳輸探測器包括位于所述第一單載流子傳輸探測器底層的P 型重摻雜歐姆接觸層，依次往上層疊的P型寬禁帶電荷阻擋層，P型窄禁帶吸收層，非高摻雜寬禁帶載流子耗盡層，N型寬禁帶載流子收集層，N型重摻雜歐姆接觸層；所述第二單載流子傳輸探測器包括位于所述第二單載流子傳輸探測器頂層的P 型重摻雜歐姆接觸層，依次往下層疊的P型寬禁帶電荷阻擋層，P型窄禁帶吸收層，非高摻雜寬禁帶載流子耗盡層，N型寬禁帶載流子收集層，所述N型重摻雜歐姆接觸層。其中，包括兩個單載流子傳輸探測器，位于所述半導體襯底上的第一單載流子傳輸探測器和位于所述第一單載流子傳輸探測器上的第二單載流子傳輸探測器，所述第一單載流子傳輸探測器包括位于所述第一單載流子傳輸探測器底層的N 型重摻雜歐姆接觸層，依次往上層疊的N型寬禁帶載流子收集層，非高摻雜寬禁帶載流子耗盡層，P型窄禁帶吸收層，P型寬禁帶電荷阻擋層，P型重摻雜歐姆接觸層；所述第二單載流子傳輸探測器包括位于所述第二單載流子傳輸探測器頂層的N 型重摻雜歐姆接觸層，依次往下層疊的N型寬禁帶載流子收集層，非高摻雜寬禁帶載流子耗盡層，P型窄禁帶吸收層，P型寬禁帶電荷阻擋層，所述P型重摻雜歐姆接觸層。其中，包括兩個單載流子傳輸探測器，位于所述半導體襯底上的第一單載流子傳輸探測器和位于所述第一單載流子傳輸探測器上的第二單載流子傳輸探測器，所述第一單載流子傳輸探測器包括位于所述第一單載流子傳輸探測器底層的P 型重摻雜歐姆接觸層，依次往上層疊的P型寬禁帶電荷阻擋層，P型窄禁帶吸收層，非高摻雜寬禁帶載流子耗盡層，N型寬禁帶載流子收集層，N型重摻雜歐姆接觸層；所述第二單載流子傳輸探測器包括位于所述第二單載流子傳輸探測器頂層的N 型重摻雜歐姆接觸層，依次往下層疊的N型寬禁帶載流子收集層，非高摻雜寬禁帶載流子耗盡層，P型窄禁帶吸收層，P型寬禁帶電荷阻擋層，P型重摻雜歐姆接觸層；或第一單載流子傳輸探測器的N型重摻雜歐姆接觸層和第二單載流子傳輸探測器的P型重摻雜歐姆接觸層僅保留其中一層。其中，包括兩個單載流子傳輸探測器，位于所述半導體襯底上的第一單載流子傳輸探測器和位于所述第一單載流子傳輸探測器上的第二單載流子傳輸探測器，
所述第一單載流子傳輸探測器包括位于所述第一單載流子傳輸探測器底層的N 型重摻雜歐姆接觸層，依次往上層疊的N型寬禁帶載流子收集層，非高摻雜寬禁帶載流子耗盡層，P型窄禁帶吸收層，P型寬禁帶電荷阻擋層，P型重摻雜歐姆接觸層；所述第二單載流子傳輸探測器包括位于所述第二單載流子傳輸探測器頂層的P 型重摻雜歐姆接觸層，依次往下層疊的P型寬禁帶電荷阻擋層，P型窄禁帶吸收層，非高摻雜寬禁帶載流子耗盡層，N型寬禁帶載流子收集層，N型重摻雜歐姆接觸層；或第一單載流子傳輸探測器的P型重摻雜歐姆接觸層和第二單載流子傳輸探測器的N型重摻雜歐姆接觸層僅保留其中一層。其中，所述的半導體襯底和所述最底部的單載流子傳輸探測器之間還包括緩沖層。其中，位于最底部和最頂部的單載流子傳輸探測器之間的重摻雜歐姆接觸層上還設置有第二電極。其中，所述第一電極和第三電極連接。其中，所述的半導體襯底為半絕緣型半導體襯底。其中，在每個單載流子傳輸探測器的P型窄禁帶吸收層和非高摻雜寬禁帶載流子耗盡層之間均設有非高摻雜能帶過渡層。其中，非高摻雜能帶過渡層的材料包括組分梯度變化的InGaAsP材料或者基于 InGaAs/InP材料的啁啾超晶格結構材料。其中，每個單載流子傳輸探測器的非高摻雜寬禁帶載流子耗盡層的材料摻雜類型為非故意摻雜、N型非高摻雜、P型非高摻雜中的任意一種，或者上述摻雜類型的多層組合。其中，每個單載流子傳輸探測器的P型窄禁帶吸收層的材料為InGaAs、GaAsSb、 InGaAsP, GaInAsSb的任意一種或以上材料的多層組合。其中，每個單載流子傳輸探測器的P型寬禁帶電荷阻擋層、N型寬禁帶載流子收集層和非高摻雜寬禁帶載流子耗盡層，三層的材料獨立地滿足以下的技術特征所述材料是 InP, InGaAs, InAlAs, InGaAsP, AlGaInAs, AlAsSb, GaInAsSb 中的任意一種，或以上材料的多層組合；而且所述材料的禁帶寬度須不窄于所述P型窄禁帶吸收層的材料的禁帶寬度。
其中，每個單載流子傳輸探測器的P型重摻雜歐姆接觸層、N型重摻雜歐姆接觸層的材料，獨立地滿足以下的技術特征所述材料是hP、InGaAs, InAlAs, InGaAsP, AlGaInAs, AlAsSb, GaInAsSb中的任意一種，或以上材料的多層組合。其中，每個單載流子傳輸探測器的相應層的材料的組分均保持一致，且各層材料的晶格常數(shù)之間的差異不大于0. 1%。本發(fā)明還提供了一種光探測器集成器件的制備方法，包括以下步驟Al 對半導體襯底進行拋光、化學有機清洗處理；A2 在所述半導體襯底上生長緩沖層半導體材料；A3 在所述緩沖層半導體材料上生長如上述任一項所述的光探測器集成器件中的單載流子傳輸探測器的各層材料；A4:在最底部的單載流子傳輸探測器底部的重摻雜歐姆接觸層上制作第一電極， 在最頂部的單載流子傳輸探測器頂層的重摻雜歐姆接觸層上制作第三電極，或者還在最底部和最頂部的兩個單載流子傳輸探測器之間的重摻雜歐姆接觸層上制作第二電極。
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本發(fā)明還提供了一種光探測器集成器件的制備方法，包括以下步驟Bl 對第一半導體襯底和第二半導體襯底進行拋光、化學有機清洗處理；B2 在所述第一半導體襯底和第二半導體襯底上，分別生長第一緩沖層半導體材料和第二緩沖層半導體材料；B3:在所述第一緩沖層半導體材料和第二緩沖層半導體材料上分別生長如上述任一項所述的光探測器集成器件中的單載流子傳輸探測器的各層材料。B4:將兩個第一緩沖層半導體材料和第二緩沖層半導體材料的外延層面對面鍵合起來，使鍵合面兩側的兩個單載流子傳輸探測器通過重摻雜接觸層結合起來；B5 去掉所述第二半導體襯底和第二緩沖層半導體材料；B6:在最底部的單載流子傳輸探測器底部的重摻雜歐姆接觸層上制作第一電極， 在最頂部單載流子傳輸探測器頂層的重摻雜歐姆接觸層上制作第三電極，或者還在最底部和最頂部的兩個單載流子傳輸探測器之間的重摻雜歐姆接觸層上制作第二電極。本發(fā)明還提供了一種光探測器集成器件的制備方法，包括以下步驟Cl 對第一半導體襯底和第二半導體襯底進行拋光、化學有機清洗處理；C2 在所述第一半導體襯底，生長第一緩沖層半導體材料；C3:在所述第一緩沖層半導體材料上依次生長如上述任一項所述的光探測器集成器件中的單載流子傳輸探測器的各層材料；C4 將第一半導體襯底的外延面和第二半導體襯底表面面對面鍵合起來；C5 去掉半所述第一半導體襯底和第一緩沖層半導體材料；C6:在最底部的單載流子傳輸探測器底部的重摻雜歐姆接觸層上制作第一電極， 在最頂部的單載流子傳輸探測器頂層的重摻雜歐姆接觸層上制作第三電極，或者還在最底部和最頂部的兩個單載流子傳輸探測器之間的重摻雜歐姆接觸層上制作第二電極。(三)有益效果本發(fā)明通過外延生長技術垂直生長兩個單載流子傳輸探測器，或通過鍵合技術單片集成兩個垂直的單載流子傳輸探測器，形成在光路上串聯(lián)的雙探測器結構，有利于提高探測器的光電轉換效率，且結構簡單。


圖1是本發(fā)明實施例1的PIN-NIP型雙UTC結構、面入射式光探測器集成器件結構示意圖；圖2是本發(fā)明實施例2的NIP-PIN型雙UTC結構、面入射式光探測器集成器件結構示意圖；圖3是本發(fā)明實施例3的PIN-PIN型雙UTC結構、面入射式光探測器集成器件結構示意圖；圖4是本發(fā)明實施例4的NIP-NIP型雙UTC結構、面入射式光探測器集成器件結構示意圖；圖5是本發(fā)明實施例的一種基于半導體外延技術、在半絕緣InP襯底上生長 PIN-NIP型雙UTC結構、面入射式光探測器集成器件示意圖；圖6是本發(fā)明實施例的一種基于半導體外延技術和鍵合技術的NIP-PIN型雙UTC結構、面入射式光探測器集成器件示意圖；圖7是本發(fā)明實施例的一種基于半導體外延技術和鍵合技術的PIN-NIP型雙UTC 結構、面入射式光探測器集成器件示意圖。圖8是圖1中的光探測器集成器件的電極示意圖，將其上下電極相連作為一個同一個電極輸出，將中間電極作為另一個電極輸出；圖9是圖1中光探測器集成器件示的入射光方位示意圖，其中左圖表示光從正面入射，右圖表示光從背面入射。
具體實施例方式本發(fā)明提供了一種面入射式光探測器集成器件，通過半導體材料外延方法和鍵合技術等垂直集成兩個光探測部分，形成在光路上串聯(lián)的雙探測器結構，有利于提高探測器的光電轉換效率。下面結合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。實施例1如圖1中(a)所示，為PIN-NIP型雙UTC結構的光探測器集成器件。該光探測器集成器件由下到上依次包括半絕緣InP襯底101、P型緩沖層102，P型重摻雜歐姆接觸層 103，P型寬禁帶電荷阻擋層104，P型窄禁帶吸收層105，非高摻雜寬禁帶載流子耗盡層106， N型寬禁帶載流子收集層107，N型重摻雜歐姆接觸層108，N型寬禁帶載流子收集層109，非高摻雜寬禁帶載流子耗盡層110，P型窄禁帶吸收層111，P型寬禁帶電荷阻擋層112，P型重摻雜歐姆接觸層113。并在器件制作過程中，在P型重摻雜歐姆接觸層103、N型重摻雜歐姆接觸層108和P型重摻雜歐姆接觸層113上分別制作P電極122、N電極121和P電極 120。該器件包含了兩個光探測部分，分別是單載流子傳輸探測器131(最底部的單載流子傳輸探測器，直接位于襯底上的單載流子傳輸探測器為最底部的單載流子傳輸探測器)和單載流子傳輸探測器132(最頂部的單載流子傳輸探測器)。其中，單載流子傳輸探測器131包括P型重摻雜歐姆接觸層103，P型寬禁帶電荷阻擋層104，P型窄禁帶吸收層 105，非高摻雜寬禁帶載流子耗盡層106，N型寬禁帶載流子收集層107，N型重摻雜歐姆接觸層108。單載流子傳輸探測器132包括N型重摻雜歐姆接觸層108，N型寬禁帶載流子收集層109，非高摻雜寬禁帶載流子耗盡層110，P型窄禁帶吸收層111，P型寬禁帶電荷阻擋層112，P型重摻雜歐姆接觸層113。N型重摻雜歐姆接觸層108為兩個單載流子傳輸探測器共有。該光探測器集成器件是在半絕緣InP襯底101上依次長成的其中P型緩沖層102 可以去掉，如圖1中(b)所示的探測器集成器件。實施例2如圖2中(a)所示，為NIP-PIN型雙UTC結構的光探測器集成器件，該光探測器集成器件由下到上依次包括半絕緣InP襯底201、N型緩沖層202，N型重摻雜歐姆接觸層 203，N型寬禁帶載流子收集層204，非高摻雜寬禁帶載流子耗盡層205，P型窄禁帶吸收層 206，P型寬禁帶電荷阻擋層207，P型重摻雜歐姆接觸層208，P型寬禁帶電荷阻擋層209， P型窄禁帶吸收層210，非高摻雜寬禁帶載流子耗盡層211，N型寬禁帶載流子收集層212，N型重摻雜歐姆接觸層213。并在器件制作過程中，在N型重摻雜歐姆接觸層203、P型重摻雜歐姆接觸層208和N型重摻雜歐姆接觸層213上分別制作N電極222、P電極221和P電極 220。該器件包含了兩個光探測部分，分別是單載流子傳輸探測器231和單載流子傳輸探測器232。其中，單載流子傳輸探測器231包括N型重摻雜歐姆接觸層203，N型寬禁帶載流子收集層204，非高摻雜寬禁帶載流子耗盡層205，P型窄禁帶吸收層206，P型寬禁帶電荷阻擋層207，P型重摻雜歐姆接觸層208。單載流子傳輸探測器232包括P型重摻雜歐姆接觸層208，P型寬禁帶電荷阻擋層209，P型窄禁帶吸收層210，非高摻雜寬禁帶載流子耗盡層211，N型寬禁帶載流子收集層212，N型重摻雜歐姆接觸層213。P型重摻雜歐姆接觸層208為兩個單載流子傳輸探測器共有。該光探測器集成器件是在半絕緣InP襯底201上依次長成的其中N型緩沖層202 可以去掉，如圖2中(b)所示的探測器集成器件。實施例3如圖3中(a)所示，為PIN-PIN型雙UTC結構的光探測器集成器件，該光探測器集成器件由下到上依次包括半絕緣InP襯底301、P型緩沖層302，P型重摻雜歐姆接觸層 303，P型寬禁帶電荷阻擋層304，P型窄禁帶吸收層305，非高摻雜寬禁帶載流子耗盡層306， N型重摻雜載流子收集層307，N型重摻雜連接層308，P型寬禁帶電荷阻擋層309，P型窄禁帶吸收層310，非高摻雜寬禁帶載流子耗盡層311，N型寬禁帶載流子收集層312，N型重摻雜歐姆接觸層313。并在器件制作過程中，在P型重摻雜歐姆接觸層303和N型重摻雜歐姆接觸層313上分別制作P電極322、N電極320。該器件包含了兩個光探測部分，分別是單載流子傳輸探測器331和單載流子傳輸探測器332。其中，單載流子傳輸探測器331包括P型重摻雜歐姆接觸層303，P型寬禁帶電荷阻擋層304，P型窄禁帶吸收層305，非高摻雜寬禁帶載流子耗盡層306，N型重摻雜載流子收集層307，N型重摻雜連接層308。單載流子傳輸探測器332包括N型重摻雜連接層308，P型寬禁帶電荷阻擋層309，P型窄禁帶吸收層310，非高摻雜寬禁帶載流子耗盡層 311，N型寬禁帶載流子收集層312，N型重摻雜歐姆接觸層313。N型重摻雜歐姆接觸層308 為兩個單載流子傳輸探測器共有。其中，N型重摻雜歐姆接觸層308也可以替換為P型重摻雜歐姆接觸層，或者N型重摻雜歐姆接觸層308和其可替換的P型重摻雜歐姆接觸層兩者都存在(兩者都存在的情況如單載流子傳輸探測器331的頂層為N型重摻雜連接層308， 單載流子傳輸探測器332的底層為P型重摻雜歐姆接觸層)。該光探測器集成器件是在半絕緣InP襯底301上依次長成的其中N型緩沖層302 可以去掉，如圖3中(b)所示的探測器集成器件。實施例4如圖4中(a)所示，為NIP-NIP型雙UTC結構的光探測器集成器件，該光探測器集成器件由下到上依次包括半絕緣InP襯底401、N型緩沖層402，N型重摻雜歐姆接觸層 403、N型寬禁帶載流子收集層404，非高摻雜寬禁帶載流子耗盡層405，P型窄禁帶吸收層 406，P型寬禁帶電荷阻擋層407，P型重摻雜歐姆接觸層408、N型寬禁帶載流子收集層409、 非高摻雜寬禁帶載流子耗盡層410、P型窄禁帶吸收層411、P型寬禁帶電荷阻擋層412、P型重摻雜歐姆接觸層413。并在器件制作過程中，在N型重摻雜歐姆接觸層403和P型重摻雜歐姆接觸層413上分別制作P電極422、N電極420。該器件包含了兩個光探測部分，分別是單載流子傳輸探測器431和單載流子傳輸探測器432。其中，單載流子傳輸探測器431包括N型重摻雜歐姆接觸層403、N型寬禁帶載流子收集層404，非高摻雜寬禁帶載流子耗盡層405，P型窄禁帶吸收層406，P型寬禁帶電荷阻擋層407，P型重摻雜歐姆接觸層408。單載流子傳輸探測器432包括P型重摻雜歐姆接觸層408、N型寬禁帶載流子收集層409、非高摻雜寬禁帶載流子耗盡層410、P型窄禁帶吸收層411、P型寬禁帶電荷阻擋層412、P型重摻雜歐姆接觸層413。其中，P型重摻雜歐姆接觸層408也可以替換為N型重摻雜歐姆接觸層，或者P型重摻雜歐姆接觸層408和其可替換的N型重摻雜歐姆接觸層兩者都存在(兩者都存在的情況如單載流子傳輸探測器431的頂層為P型重摻雜連接層408，單載流子傳輸探測器432的底層為N型重摻雜歐姆接觸層)。該光探測器集成器件是在半絕緣InP襯底401上依次長成的其中N型緩沖層402 可以去掉，如圖4中(b)所示的探測器集成器件。上述實施例1 4的光探測器集成器件采用了臺面結構，在電極之外的地方以及臺面的側壁，均采用SiNx或BCB等絕緣介質鈍化并填平。入射光既可以采用從正面入射的方式，也采用可以從背面入射的方式，并對入射端面進行抗反射鍍膜。當光從背面入射時， 為了提高器件性能和光的利用效率，優(yōu)選地，頂部電極采用不透明的金屬電極，將未能吸收的光全部反射回去，從而再次經(jīng)過吸收區(qū)，提高吸收效率。上述實施例1 4的光探測器集成器件中，在每個單載流子傳輸探測器的P型窄禁帶吸收層和非高摻雜寬禁帶載流子耗盡層之間均設有非高摻雜能帶過渡層。該過渡層的材料包括組分梯度變化的InGaAsP材料或者基于InGaAs/InP材料的啁啾超晶格結構材料。每個單載流子傳輸探測器的非高摻雜寬禁帶載流子耗盡層的材料摻雜類型為非故意摻雜、N型非高摻雜、P型非高摻雜中的任意一種，或者上述摻雜類型的多層組合。每個單載流子傳輸探測器的P型窄禁帶吸收層的材料為InGaAs、GaAsSb、InGaAsP,GaInAsSb的任意一種或以上材料的多層組合。每個單載流子傳輸探測器的P型寬禁帶電荷阻擋層、N型寬禁帶載流子收集層和非高摻雜寬禁帶載流子耗盡層，三層的材料獨立地滿足以下的技術特征所述材料是 InP、InGaAsUnAlAs、InGaAsP、AWaInAs、AlAsa、GaInAsSb 中的任意一種， 或以上材料的多層組合；而且所述材料的禁帶寬度須不窄于所述P型窄禁帶吸收層的材料的禁帶寬度。每個單載流子傳輸探測器的P型重摻雜歐姆接觸層、N型重摻雜歐姆接觸層的材料，獨立地滿足以下的技術特征所述材料是hP、InGaAs, InAlAs, InGaAsP, AlGaInAs, AlAsSb、GaInAsSb中的任意一種，或以上材料的多層組合。每個單載流子傳輸探測器的各層材料都可以在上述限定的材料中任意選擇，兩個單載流子傳輸探測器的相應層的材料的組分均保持一致，如兩個單載流子傳輸探測器各自的P型窄禁帶吸收層的材料組分保持一致，且各層材料的晶格常數(shù)之間的差異不大于0. 1%。對于實施例1和2，為了方便將微波信號輸出，將器件頂部和底部的電極連接在一起形成一個電極。例如對于實施例1，如圖8所示，將P型電極122和P型電極120相連作為一個電極輸出，N型電極121作為另一個電極輸出，分別與CPW的信號電極、地電極相連。本發(fā)明還提供了上述實施例中的光探測器集成器件的制備方法，通過以下實施例進行說明。
實施例5以圖1中的PIN-NIP型背靠背式雙單載流子傳輸半導體光探測器為集成器件例， 如圖5所示，為采用半導體外延技術在半絕緣InP襯底上生長PIN-NIP型雙UTC結構、面入射式光探測器集成器件示意圖(圖2 圖4中的器件也可通過這種方式制成)。在一個襯底上垂直生長了兩個單載流子傳輸探測器，分別是單載流子傳輸探測器531和單載流子傳輸探測器532。通過金屬有機化學氣相沉積(Metal Organic Chemical VaporDeposition, M0CVD)法，首先在拋光洗凈后的半絕緣InP襯底501上依次外延，依次生長P型InP緩沖層502(厚度約200nm,摻雜濃度約IX IO19cnT3)，P型晶格匹配In0.53Ga0.47As歐姆接觸層 503(厚度約20nm，摻雜濃度約2X IO19CnT3)，P型hP電荷阻擋層504(厚度約300nm，摻雜濃度約3 X IO18CnT3)，P型晶格匹配Ina53Giia47As吸收層505(厚度約300nm，摻雜濃度約 2 X IO18 2. 5 X IO17CnT3)，I型InP收集層506 (厚度約400nm,非故意摻雜)，N型InP收集層507 (厚度約300nm，摻雜濃度約1 X 1019cm_3)，N型晶格匹配Ina53Giia47As歐姆接觸層 508 (厚度約20nm，摻雜濃度約1 X IO19CnT3)，N型InP收集層509 (厚度約300nm，摻雜濃度約 IX IO19cnT3)，I型M3收集層510(厚度約400nm，非故意摻雜)，P型晶格匹配In0.53Ga0.47As 吸收層511 (厚度約300nm，摻雜濃度約2. 5 X IO17 2 X IO18CnT3)，P型LP電荷阻擋層 512(厚度約300nm，摻雜濃度約3 X 1018cm_3)，P型晶格匹配Ina 53Ga0.47As歐姆接觸層513 (厚度約20nm，摻雜濃度約2 X IO19cnT3)。整個器件采用臺面結構，分成上下兩個臺面，分別對應單載流子傳輸探測器532 和單載流子傳輸探測器531。首先通過濺射與抬離的方法制作電極520，并使用干法刻蝕的方法先形成單載流子傳輸探測器532的臺面，直徑20 μ m,并用濕法腐蝕的方法腐蝕至 Ina ^iia47As腐蝕停止層，即N型晶格匹配Ina53Giia47As歐姆接觸層508 ；再次通過濺射與抬離的方法制作電極521 ；再次使用干法刻蝕的方法，形成單載流子傳輸探測器531的臺面， 直徑略大于單載流子傳輸探測器532，約25 μ m,并用濕法腐蝕的方法腐蝕至Ina 53Ga0.47As 腐蝕停止層，即P型晶格匹配Ma53Giia47As歐姆接觸層503 ；再次通過濺射與抬離的方法制作電極522。其中P電極520和522的金屬是Ti/Pt/Au合金，N電極521的金屬是Ni/Au 合金。其中頂部電極120的半徑與單載流子傳輸探測器532的半徑相同，為20 μ m。以BCB 作為絕緣介質填平器件，通過光刻和干法刻蝕的方法開電極窗口，并通過濺射、抬離和電鍍的方法制作CPW電極。在這個過程中，也可以同時將上下兩個電極520和522通過金屬相連形成一個電極輸出。在器件制作工藝完成之后，將器件減薄至200 μ m以下，并對襯底背面進行拋光后，并在探測器背面通過等離子增強化學氣相淀積(Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition, PECVD)的方法進行抗反射鍍膜。本實例的特征參數(shù)為制成的器件光電轉換效率75%，帶寬超過20GHz，飽和電流超過50mA，工作波長在1550nm附近。實施例6以圖2中的光電探測器集成器件為例，NIP-PIN型背靠背式雙單載流子傳輸半導體光電探測器集成器件的制作過程如圖6所示，采用半導體外延技術和鍵合技術的制作。 在兩個拋光洗凈的襯底(601，616)上分別生長的兩個單載流子傳輸探測器631和632面對面鍵合，形成NIP-PIN型集成光探測器。通過金屬有機化學氣相沉積(Metal Organic Chemical VaporDeposition, MOCVD)法，首先在半絕緣InP襯底601上依次外延，依次生長P型InP緩沖層602 (厚度約 200nm，摻雜濃度約lX1019cnT3)，P型晶格匹配Ina53GEta47Ass重摻雜歐姆接觸層603 (厚度約20nm，摻雜濃度約2 X IO19CnT3)，P型hP電荷阻擋層604(厚度約300nm，摻雜濃度約 3X 1018cnT3)，P型晶格匹配In0.53Ga0.47As吸收層605 (厚度約300nm，摻雜濃度約2 X IO18 2. 5 X IO17cnT3)，I型M3載流子耗盡層606 (厚度約400nm,非故意摻雜)，N型M3收集層 607 (厚度約300nm，摻雜濃度約1 X 1019cm_3)，N型晶格匹配I% 53Ga0.47As歐姆接觸層608 (厚度約20nm，摻雜濃度約1 X IO19cnT3)。通過金屬有機化學氣相沉積(Metal Organic Chemical VaporDeposition, MOCVD)法，首先在半絕緣InP襯底616上依次外延，依次生長P型InP緩沖層615(厚度約 200nm，摻雜濃度約1 X IO19CnT3)，P型晶格匹配Ina53GEta47As歐姆接觸層614(厚度約20nm， 摻雜濃度約2 X IO19CnT3)，P型InP電荷阻擋層613 (厚度約300nm，摻雜濃度約3 X 1018cm_3)， P型晶格匹配In0. s3Ga0. 47As吸收層612 (厚度約300nm,摻雜濃度約2 X IO18 2. 5 X IO17cnT3)， I型InP載流子耗盡層611(厚度約400nm，非故意摻雜)，N型InP收集層610(厚度約300nm， 摻雜濃度約ι χ IO19CnT3)，N型晶格匹配Ina 53Ga0.47As歐姆接觸層609 (厚度約20nm，摻雜濃度約 1 X 1019cm_3)。其次，在外延完成之后，將這兩個外延片相對陽08和609相連)，壓緊鍵合。在鍵合完成之后，通過濕法腐蝕的方法，利用鹽酸溶液(濃鹽酸水=3 1)將半絕緣InP襯底616和InP緩沖層615腐蝕掉，至Ina53GEta47As腐蝕停止層，即P型晶格匹配Ina53GEta47As 歐姆接觸層614。整個器件采用臺面結構，分成上下兩個臺面，分別對應單載流子傳輸探測器632 和單載流子傳輸探測器631。首先通過濺射與抬離的方法制作電極620，并使用干法刻蝕的方法先形成單載流子傳輸探測器632的臺面，直徑20 μ m,并用濕法腐蝕的方法腐蝕至 InGaAs腐蝕停止層，即N型晶格匹配La53G^l47As歐姆接觸層609 ；再次通過濺射與抬離的方法制作電極621 ；再次使用干法刻蝕的方法，形成單載流子傳輸探測器631的臺面，直徑略大于單載流子傳輸探測器632，約25 μ m，并用濕法腐蝕的方法腐蝕至InGaAs腐蝕停止層，即P型晶格匹配Intl. s3Ga0. 47Ass重摻雜歐姆接觸層603 ；再次通過濺射與抬離的方法制作電極622。其中P電極620和622的金屬是Ti/Pt/Au合金，N電極621的金屬是Ni/Au合金。其中頂部電極620的半徑與單載流子傳輸探測器632的半徑相同，為20 μ m。以BCB作為絕緣介質填平器件，通過光刻和干法刻蝕的方法開電極窗口，并通過濺射、抬離和電鍍的方法制作CPW電極。在這個過程中，也可以同時將上下兩個電極620和622通過金屬相連形成一個電極輸出。在器件制作工藝完成之后，將器件減薄至200 μ m以下，并對襯底背面進行拋光后，并在探測器背面通過等離子增強化學氣相淀積(Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition, PECVD)的方法進行抗反射鍍膜。本實例的特征參數(shù)為制成的器件光電轉換效率75%，帶寬超過20GHz，飽和電流超過50mA，工作波長在1550nm附近。實施例7
如圖7所示，為另一種采用半導體外延技術和鍵合技術的制作光電探測器集成器件的示意圖。首先利用半導體外延技術在半絕緣InP襯底701依次生長圖1 (或圖2、圖3、 圖4)中的外延層材料702 713(生長外延層材料的過程和實施例5類似)，并將該外延層與另一個半導體襯底714(可選擇襯底如Si襯底、Ge襯底、AlN襯底、SiC襯底、藍寶石襯底、GaAs襯底等)對接鍵合，并通過濕法腐蝕方法去除半絕緣InP襯底701 ；之后按實施例 5或6的方式制作電極720、721、722，(對于圖3、圖4的器件只制作720、722，且兩個單載流子傳輸探測器731和732的直徑相同)。具體過程不再敖述。本發(fā)明實施例中的光探測集成器件采用臺面結構，入射光可采用正面垂直入射、 背面垂直入射兩種方式，如圖9所示。以上實施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對本發(fā)明的限制，有關技術領域的普通技術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護范圍應由權利要求限定。
權利要求
1.一種光探測器集成器件，其特征在于，包括半導體襯底、由下到上層疊在所述半導體襯底之上的至少兩個單載流子傳輸探測器，所述每個單載流子傳輸探測器均包括p型寬禁帶阻擋層、P型窄禁帶吸收層、非高摻雜寬禁帶載流子耗盡層、N型寬禁帶載流子收集層及至少一層重摻雜歐姆接觸層；位于最底部的單載流子傳輸探測器底部的重摻雜歐姆接觸層上設置有第一電極，位于最頂部的單載流子傳輸探測器頂層的重摻雜歐姆接觸層上設置有第三電極。
2.如權利要求1所述的光探測器集成器件，其特征在于，包括兩個單載流子傳輸探測器，位于所述半導體襯底上的第一單載流子傳輸探測器和位于所述第一單載流子傳輸探測器上的第二單載流子傳輸探測器，所述第一單載流子傳輸探測器包括位于所述第一單載流子傳輸探測器底層的P型重摻雜歐姆接觸層，依次往上層疊的P型寬禁帶電荷阻擋層，P型窄禁帶吸收層，非高摻雜寬禁帶載流子耗盡層，N型寬禁帶載流子收集層，N型重摻雜歐姆接觸層；所述第二單載流子傳輸探測器包括位于所述第二單載流子傳輸探測器頂層的P型重摻雜歐姆接觸層，依次往下層疊的P型寬禁帶電荷阻擋層，P型窄禁帶吸收層，非高摻雜寬禁帶載流子耗盡層，N型寬禁帶載流子收集層，所述N型重摻雜歐姆接觸層。
3.如權利要求1所述的光探測器集成器件，其特征在于，包括兩個單載流子傳輸探測器，位于所述半導體襯底上的第一單載流子傳輸探測器和位于所述第一單載流子傳輸探測器上的第二單載流子傳輸探測器，所述第一單載流子傳輸探測器包括位于所述第一單載流子傳輸探測器底層的N型重摻雜歐姆接觸層，依次往上層疊的N型寬禁帶載流子收集層，非高摻雜寬禁帶載流子耗盡層，P型窄禁帶吸收層，P型寬禁帶電荷阻擋層，P型重摻雜歐姆接觸層；所述第二單載流子傳輸探測器包括位于所述第二單載流子傳輸探測器頂層的N型重摻雜歐姆接觸層，依次往下層疊的N型寬禁帶載流子收集層，非高摻雜寬禁帶載流子耗盡層，P型窄禁帶吸收層，P型寬禁帶電荷阻擋層，所述P型重摻雜歐姆接觸層。
4.如權利要求1所述的光探測器集成器件，其特征在于，包括兩個單載流子傳輸探測器，位于所述半導體襯底上的第一單載流子傳輸探測器和位于所述第一單載流子傳輸探測器上的第二單載流子傳輸探測器，所述第一單載流子傳輸探測器包括位于所述第一單載流子傳輸探測器底層的P型重摻雜歐姆接觸層，依次往上層疊的P型寬禁帶電荷阻擋層，P型窄禁帶吸收層，非高摻雜寬禁帶載流子耗盡層，N型寬禁帶載流子收集層，N型重摻雜歐姆接觸層；所述第二單載流子傳輸探測器包括位于所述第二單載流子傳輸探測器頂層的N型重摻雜歐姆接觸層，依次往下層疊的N型寬禁帶載流子收集層，非高摻雜寬禁帶載流子耗盡層，P型窄禁帶吸收層，P型寬禁帶電荷阻擋層，P型重摻雜歐姆接觸層；或第一單載流子傳輸探測器的N型重摻雜歐姆接觸層和第二單載流子傳輸探測器的P型重摻雜歐姆接觸層僅保留其中一層。
5.如權利要求1所述的光探測器集成器件，其特征在于，包括兩個單載流子傳輸探測器，位于所述半導體襯底上的第一單載流子傳輸探測器和位于所述第一單載流子傳輸探測器上的第二單載流子傳輸探測器，所述第一單載流子傳輸探測器包括位于所述第一單載流子傳輸探測器底層的N型重摻雜歐姆接觸層，依次往上層疊的N型寬禁帶載流子收集層，非高摻雜寬禁帶載流子耗盡層，P型窄禁帶吸收層，P型寬禁帶電荷阻擋層，P型重摻雜歐姆接觸層；所述第二單載流子傳輸探測器包括位于所述第二單載流子傳輸探測器頂層的P型重摻雜歐姆接觸層，依次往下層疊的P型寬禁帶電荷阻擋層，P型窄禁帶吸收層，非高摻雜寬禁帶載流子耗盡層，N型寬禁帶載流子收集層，N型重摻雜歐姆接觸層；或第一單載流子傳輸探測器的P型重摻雜歐姆接觸層和第二單載流子傳輸探測器的N型重摻雜歐姆接觸層僅保留其中一層。
6.如權利要求1 5中任意一項所述的光探測器集成器件，其特征在于，所述的半導體襯底和所述最底部的單載流子傳輸探測器之間還包括緩沖層。
7.如權利要求6所述的光探測器集成器件，其特征在于，位于最底部和最頂部的單載流子傳輸探測器之間的重摻雜歐姆接觸層上還設置有第二電極。
8.如權利要求6所述的光探測器集成器件，其特征在于，所述第一電極和第三電極連接。
9.如權利要求1 5中任意一項所述的光探測器集成器件，其特征在于，所述的半導體襯底為半絕緣型半導體襯底。
10.如權利要求1 5中任一項所述的光探測器集成器件，其特征在于，在每個單載流子傳輸探測器的P型窄禁帶吸收層和非高摻雜寬禁帶載流子耗盡層之間均設有非高摻雜能帶過渡層。
11.如權利要求10所述的光探測器集成器件，其特征在于，非高摻雜能帶過渡層的材料包括組分梯度變化的InGaAsP材料或者基于InGaAs/InP材料的啁啾超晶格結構材料。
12.如權利要求1 5中任一項所述的光探測器集成器件，其特征在于，每個單載流子傳輸探測器的非高摻雜寬禁帶載流子耗盡層的材料摻雜類型為非故意摻雜、N型非高摻雜、 P型非高摻雜中的任意一種，或者上述摻雜類型的多層組合。
13.如權利要求1 5中任一項所述的光探測器集成器件，其特征在于，每個單載流子傳輸探測器的P型窄禁帶吸收層的材料為InGaAs、GaAsSb、InGaAsP,GaInAsSb的任意一種或以上材料的多層組合。
14.如權利要求1 5中任一項所述的光探測器集成器件，其特征在于，每個單載流子傳輸探測器的P型寬禁帶電荷阻擋層、N型寬禁帶載流子收集層和非高摻雜寬禁帶載流子耗盡層，三層的材料獨立地滿足以下的技術特征所述材料是hP、InGaAs, InAlAs, InGaAsP, AlGaInAs, AlAsSb, GaInAsSb中的任意一種，或以上材料的多層組合；而且所述材料的禁帶寬度須不窄于所述P型窄禁帶吸收層的材料的禁帶寬度。
15.如權利要求1 5中任一項所述的光探測器集成器件，其特征在于，每個單載流子傳輸探測器的P型重摻雜歐姆接觸層、N型重摻雜歐姆接觸層的材料，獨立地滿足以下的技術特征所述材料是 hP、InGaAs, InAlAs、InGaAsP, AlGaInAs, AlAsSb, GaInAsSb 中的任意一種，或以上材料的多層組合。
16.如權利要求1 5中任一項所述的光探測器集成器件，其特征在于，每個單載流子傳輸探測器的相應層的材料的組分均保持一致，且各層材料的晶格常數(shù)之間的差異不大于 0.1%。
17.一種光探測器集成器件的制備方法，其特征在于，包括以下步驟Al 對半導體襯底進行拋光、化學有機清洗處理； A2 在所述半導體襯底上生長緩沖層半導體材料；A3 在所述緩沖層半導體材料上生長如權利要求1 16中任一項所述的光探測器集成器件中的單載流子傳輸探測器的各層材料；A4:在最底部的單載流子傳輸探測器底部的重摻雜歐姆接觸層上制作第一電極，在最頂部的單載流子傳輸探測器頂層的重摻雜歐姆接觸層上制作第三電極，或者還在最底部和最頂部的兩個單載流子傳輸探測器之間的重摻雜歐姆接觸層上制作第二電極。
18.一種光探測器集成器件的制備方法，其特征在于，包括以下步驟Bl 對第一半導體襯底和第二半導體襯底進行拋光、化學有機清洗處理； B2 在所述第一半導體襯底和第二半導體襯底上，分別生長第一緩沖層半導體材料和第二緩沖層半導體材料；B3:在所述第一緩沖層半導體材料和第二緩沖層半導體材料上分別生長如權利要求 1 16中任一項所述的光探測器集成器件中的單載流子傳輸探測器的各層材料。B4:將兩個第一緩沖層半導體材料和第二緩沖層半導體材料的外延層面對面鍵合起來，使鍵合面兩側的兩個單載流子傳輸探測器通過重摻雜接觸層結合起來； B5 去掉所述第二半導體襯底和第二緩沖層半導體材料；B6:在最底部的單載流子傳輸探測器底部的重摻雜歐姆接觸層上制作第一電極，在最頂部單載流子傳輸探測器頂層的重摻雜歐姆接觸層上制作第三電極，或者還在最底部和最頂部的兩個單載流子傳輸探測器之間的重摻雜歐姆接觸層上制作第二電極。
19.一種光探測器集成器件的制備方法，其特征在于，包括以下步驟Cl 對第一半導體襯底和第二半導體襯底進行拋光、化學有機清洗處理； C2 在所述第一半導體襯底，生長第一緩沖層半導體材料；C3 在所述第一緩沖層半導體材料上依次生長如權利要求1 16中任一項所述的光探測器集成器件中的單載流子傳輸探測器的各層材料；C4 將第一半導體襯底的外延面和第二半導體襯底表面面對面鍵合起來； C5 去掉半所述第一半導體襯底和第一緩沖層半導體材料；C6 在最底部的單載流子傳輸探測器底部的重摻雜歐姆接觸層上制作第一電極，在最頂部的單載流子傳輸探測器頂層的重摻雜歐姆接觸層上制作第三電極，或者還在最底部和最頂部的兩個單載流子傳輸探測器之間的重摻雜歐姆接觸層上制作第二電極。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光探測器集成器件，涉及光信號探測技術領域，該器件包括半導體襯底、由下到上層疊在所述半導體襯底之上的至少兩個單載流子傳輸探測器，所述每個單載流子傳輸探測器均包括P型寬禁帶阻擋層、P型窄禁帶吸收層、非高摻雜寬禁帶載流子耗盡層、N型寬禁帶載流子收集層及至少一層重摻雜歐姆接觸層；位于最底部的單載流子傳輸探測器底部的重摻雜歐姆接觸層上設置有第一電極，位于最頂部的單載流子傳輸探測器頂層的重摻雜歐姆接觸層上設置有第三電極。還公開了一種光探測器集成器件制備方法。本發(fā)明在保持單載流子傳輸探測器響應帶寬和飽和功率的前提下提高探測器對光的吸收效率。
文檔編號H01L31/18GK102332456SQ201110306839
公開日2012年1月25日 申請日期2011年10月11日 優(yōu)先權日2011年10月11日
發(fā)明者孫長征, 熊兵, 石拓, 羅毅 申請人:清華大學