一種波長擴展型InGaAs雪崩光電二極管的外延結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導體光電子材料與信息器件領(lǐng)域，特別涉及一種波長擴展型InGaAs雪崩光電二極管的外延結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]短波紅外1-3.5 μ m波段的紅外光探測在商業(yè)和軍事領(lǐng)域都有十分廣泛的應用，如氣體含量檢測、醫(yī)療光譜檢測、自由空間光通訊、衛(wèi)星遙感與成像、導彈發(fā)動機尾焰探測等。而該波段的光探測，通常都會面臨光強度弱的問題，因而需要探測系統(tǒng)對光電信號進行放大。此外這些應用還要求探測器具有高靈敏度、快的響應速度，室溫或者接近室溫工作特性，良好的像元均一性和高的探測材料產(chǎn)量。目前1-3 μ m波段的PIN型光電檢測器主要有InAs, InSb、HgCdTe、波長擴展的InGaAs等半導體光電管型探測器和PbS、PbSe等光導型探測器。但是由于這些材料的禁帶寬度較小，通常工作時都需要進行制冷，以降低器件的暗電流。
[0003]雪崩光電二極管(Avalanche Photod1de, APD)是一類具有內(nèi)部信號增益的高靈敏度半導體光電檢測器。與普通的PIN型光電管、光電導型和熱釋電型等探測器相比，其最突出的優(yōu)勢在于對弱光信號的探測，可以提供高約5-10dB的探測靈敏度。Aro被廣泛用于各種商業(yè)、國防和研宄領(lǐng)域。通過工作在Geiger模式，某些APD甚至可以實現(xiàn)對單個光子的尚靈敏探測。
[0004]顯然，對于光強較弱的紅外光探測使用Aro更具有吸引力。紅外波段APD目前研宄比較成熟的僅有HgCdTe。可以實現(xiàn)2-25μπι波長范圍的紅外光探測。但是該材料的生長較為困難、大面積均勻性較低，因此存在一定限制。InP晶格匹配的InGaAs材料也是一種性能優(yōu)良的直接帶隙半導體材料，其制備方法穩(wěn)定，光吸收系數(shù)大，器件工藝成熟。1-1.7 μπιInP/InGaAs探測器在光纖通訊和航空航天探測領(lǐng)域都已經(jīng)獲得了廣泛應用，其室溫探測率高達112Cm.Hz1/2/W。通過提高In組分可以減小InGaAs的禁帶寬度，使其截止波長從1.7 μπι擴展到2-3 μm。然而，這種擴展是以材料的晶格失配、更多的結(jié)晶缺陷和更大的暗電流為代價的。目前針對波長擴展InGaAs ATO的研宄報道還很少。這主要是由于在與InP晶格失配的情況下，InGaAs吸收層中缺陷密度會大大增加，進而使得暗電流也顯著增加。在APD的大電場條件下，小信號下將出現(xiàn)暗電流大于光電流的情況，進而使得信號無法探測。研宄高靈敏度的波長擴展型InGaAs APD，十分具有挑戰(zhàn)，但同時在實際應用方面也十分具有吸引力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種波長擴展型InGaAs雪崩光電二極管的外延結(jié)構(gòu)，該外延結(jié)構(gòu)使APD器件對光響應的截止波長擴展至1.7-3.5 μ m之間。
[0006]本發(fā)明的一種波長擴展型InGaAs雪崩光電二極管的外延結(jié)構(gòu)，所述外延結(jié)構(gòu)采用與襯底晶格匹配的P型Ina52Ala48As材料作為電子倍增層，失配的P型InxGahAs材料作為光吸收層，且采用能帶遞變和組分遞變雙過渡層；其中，0.53〈x〈l。
[0007]所述能帶遞變過渡層為P型Ina53AlxGatlIxAs, x從0.47遞減至O。
[0008]所述組分遞變過渡層為P型InxGai_xAs，x從0.53遞增至y，0.53〈y〈l。
[0009]在電子倍增層與能帶遞變過渡層之間還包括電場控制層。
[0010]所述電場控制層為重摻雜P型In0.S2Al0.48AsO
[0011]所述InGaAs雪崩光電二極管對應截止波長在1.7-3.5 μ m范圍內(nèi)可調(diào)。
[0012](I)器件的設(shè)計思路
[0013]目前市場上商用的1.55 ym波長響應的In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As APD成熟結(jié)構(gòu)通常是在InP襯底上采用Ina52Ala48As作為倍增層材料，Ina53Gaa47As作為吸收層材料，吸收層倍增層分離，并且兩層之間插入InAlxGahAsU從0.52遞減至O)作為能帶遞變層。(參考中國發(fā)明專利:CN103107231A(公開號)，英文期刊:Applied Physics LettersVol.82，N0.13，pp2175-2177, 2013等)部分器件在倍增層和能帶遞變層之間插入一個重摻雜的薄層Ina52Ala48As作為電場控制層以降低器件暗電流。由于材料的電子碰撞離化系數(shù)大于空穴，因此通常采用電子倍增結(jié)構(gòu)，即采用N+P-P+結(jié)構(gòu)，其中倍增層和吸收層的摻雜類型均為P—。采用這種吸收層倍增層分離的器件結(jié)構(gòu)是為了實現(xiàn)倍增區(qū)存在高電場和高增益系數(shù)的同時，保持吸收層處于低電場，進而降低器件的暗電流。而采用能帶過渡層的目的則是降低吸收層和倍增層之間因能帶突變產(chǎn)生的導帶帶階對電子運動的阻擋。采用InP、Intl 53Gatl 47As和Ina52Ala48As材料的原因是因為這些材料質(zhì)量高，且均為晶格匹配體系，夕卜延生長工藝成熟，便于以較低的成本進行大批量生產(chǎn)。由于的Ina53Gaa47As室溫禁帶寬度為?0.74eV，因此基于Ina53Gaa47As吸收層的APD的光譜響應峰值波長一般在1.5 μπι左右，而截至波長一般在1.7 μπι。
[0014]欲將APD器件對光響應的截止波長擴展至大于1.7 μ m，首先要求吸收層材料的有效禁帶寬度小于0.74eVo僅考慮材料本身，可供選擇的材料有含Sb化合物，如GaSb，InGaSb等，和富In化合物，如InxGahAs其中0.53〈x〈l。然而考慮到與倍增層材料匹配度，外延生長的材料質(zhì)量和產(chǎn)量等因素，InxGa1^xAs其中0.53<χ<1較含Sb化合物更具有優(yōu)勢。而倍增層仍然可以采用Ina52Ala48As材料以保持耐高電場、低暗電流和高增益系數(shù)的優(yōu)勢。由于吸收層采用富In組分的InxGahAs,與襯底InP和倍增層Ina52Ala48As均存在晶格失配，且In組分越高失配度越大。采用直接異變生長將大大降低InxGahAs層的材料質(zhì)量，因此需要引入一個晶格遞變層作為緩沖過渡層。同時由于富In組分的InxGahAs的禁帶更小，與倍增層Ina52Ala48As的導帶帶階增加，因此需要同時使用能帶遞變層作為過渡。材料禁帶越小，耐壓值越低，價帶導帶之間的隧道暗電流越大，因此對于富In組分的InxGahAs吸收層而言，更需要嚴格控制吸收層內(nèi)的電場大小，保證吸收層處于低電場下，以減小器件暗電流。因此還需要在吸收層和倍增層之間使用電場控制層來控制大偏壓下的電場分布。
[0015](2)器件的材料結(jié)構(gòu)
[0016]基于以上設(shè)計思路，在InP/InAlAs/InGaAs材料體系內(nèi)，給出一種包含匹配Ina52Ala48As倍增層、失配InxGahAsO).53<χ<1)吸收層、能帶遞變和組分遞變的雙過渡層和電場控制層的雪崩光電二極管器件的外延結(jié)構(gòu)。器件采用采用N+P_P+結(jié)構(gòu)，其中吸收層、倍增層、遞變層均為P—型摻雜，而電場控制層為P+摻雜。器件材料結(jié)構(gòu)如附圖1所示。根據(jù)吸收層X值的不同，器件的光響應截止波長可以自由的在1.7到3.5 μπι范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。
[0017]具體而言，襯底采用半絕緣或者N型導電(n>2 X 1018cm_3) InP(OOl)襯底。在襯底上外延InP或者Ina 52A10.48As緩沖層，其同時也作為N型接觸層，摻雜類型為N型重摻雜，濃度n>2 X 118CnT3。在緩沖層上外延Ina52Ala48As電子倍增層，其摻雜類型為P型輕摻雜，濃度p〈8 X 116CnT3。在倍增層上外延Ina 52A10.48As電場控制層，其摻雜類型為P型重摻雜，要求摻雜面載流子濃度p>4 X 1012cm_3o在電場控制層上外延1% 52AlxGa0 48_xAs，能帶遞變層，x從0.47遞減至O。在能帶遞變層上外延InyGai_yAs組分遞變層，y從0.53遞增至z，0.53〈z〈l。在組分遞變層上外延InzGahAs光吸收層。能帶遞變層、組分遞變層和光吸收層三層的摻雜類型均為P型輕摻雜，濃度相同且均為p〈8X1016cm_3。在光吸收層上外延InzAlhAs電子阻擋層其，其摻雜類型為P型重摻雜，濃度p>2X1018cm_3。在電子阻擋層上外延InzGai_zAs P型接觸層，其摻雜類型為P型重摻雜，濃度p>2 X 118CnT3。
[0018]有益效果
[0019](I)本發(fā)明采用倍增層匹配，吸收層失配的材料配置:即倍增層材料為與襯底晶格匹配的Pl In Q.52A1Q.48AS，而吸收層材料為富In的P—型In xGai_xAs (其中0.53<χ<1)；
[0020](2)倍增層Inci 52Ala48As材料的耐壓高，電子碰撞離化系數(shù)比大，額外噪聲低，增益尚O
[0021](3)本發(fā)明在倍增層、吸收層之間依次采用能帶遞變和組分遞變的雙過渡層結(jié)構(gòu)。
[0022](4)根據(jù)應用需要，探測器的光響應截止波長可以通過改變吸收層材料InxGahAs的In組分來進行自由調(diào)控:0.53〈x〈l，對應截止波長在1.7-3.5 μπι范圍內(nèi)。
[0023](5)另外，本發(fā)明所涉及的InGaAs/InAlAs/InP等材料的外延生長工藝已經(jīng)十分成熟，所獲得的材料質(zhì)量高、產(chǎn)量高，有利于提高器件可靠性。同時，高產(chǎn)量和大片材料均勻性也有利于開展焦平面陣列成像應用。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明的材料外延結(jié)構(gòu)圖；
[0025]圖2為實施例1的材料外延結(jié)構(gòu)圖；
[0026]圖3為實施例1的電場分布和能帶模擬圖；
[0027]圖4為實施例2的材料外延結(jié)構(gòu)圖；
[0028]圖5為實施例2的電場分布和能帶模擬圖。
【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。應理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書