申请/专利权人：杭州国翌科技有限公司

申请日：2018-06-15

公开（公告）日：2021-04-27

公开（公告）号：CN108550600B

主分类号：H01L27/146(20060101)

分类号：H01L27/146(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.04.27#授权;2018.11.23#实质审查的生效;2018.09.18#公开

摘要：本发明提出了一种单片式多色光电探测器，其包括衬底；在衬底上从下至上依次形成的第一吸收层结构、第二吸收层结构、……、第i吸收层结构、……、第N吸收层结构，N为大于1的正整数，i为大于1且小于等于N的正整数；每一个吸收层结构具有一个下接触层、一个吸收层和一个上接触层，相邻两个吸收层结构的接触层共用；沿光入射方向，N个吸收层的吸收波长逐渐变长。本发明采用多色探测器结构设计，能够实现短波红外或可见短波光谱范围内的多色同步探测或选择性带通探测。

主权项：1.一种单片式多色光电探测器，其特征在于，包括：衬底；在所述衬底上从下至上依次形成的第一吸收层结构、第二吸收层结构、……、第i吸收层结构、……、第N吸收层结构，所述N为大于1的正整数，所述i为大于1且小于等于N的正整数；每一个吸收层结构具有一个下接触层、一个吸收层和一个上接触层，相邻两个吸收层结构的接触层共用；沿从衬底向上的方向，N个吸收层的吸收波长逐渐变长；N为2；所述衬底为InP衬底；在所述InP衬底上形成有第一导电类型的InP作为第一吸收层结构的下接触层；在所述第一吸收层结构的下接触层之上形成有本征Inx1Ga1－x1Asy1P1－y1作为第一吸收层，所述0＜x1＜1，0＜y1＜1且y1＝2.2*1－x1，所述第一吸收层覆盖部分下接触层；在所述第一吸收层之上形成有第二导电类型的InP作为公共接触层，相邻两个吸收层结构之间形成有滤波层，所述滤波层的吸收波长介于其接触的两个吸收层结构的吸收波长之间；在所述公共接触层之上形成有本征Inx2Ga1－x2Asy2P1－y2或者Inx6Ga1－x6As作为第二吸收层，所述0＜x2＜1，0＜y2＜1，y2＝2.2＊1－x2且x1＜x2；所述0.53＜x6＜0.6；所述第二吸收层覆盖部分公共接触层，且与InP晶格匹配；在所述第二吸收层之上形成有第一导电类型的InP作为上接触层；在所述下接触层、公共接触层的暴露部分和上接触层上形成有电极；所述公共接触层的结构由如下结构取代：在第一吸收层之上形成有第二导电类型的InP第一电子势垒层，在所述第一电子势垒层之上形成有第二导电类型的Inx5Ga1－x5Asy5P1－y5滤波层，所述0＜x5＜1，0＜y5＜1且y5＝2.21－x5；x1＜x5＜x2；在所述滤波层至上形成有第二导电类型的InP第二电子势垒层，所述第二电子势垒层覆盖部分滤波层，所述下接触层、滤波层的暴露部分和上接触层上形成有电极；所述探测器在0.95－1.7μm谱段范围内双色探测。

全文数据：单片式多色光电探测器技术领域[0001]本发明属于半导体设计及制造技术领域，涉及光电传感器，具体涉及一种单片式多色光电探测器，特别是单片式InGaAs或InGaAsP双色光电探测器。背景技术[0002]“近红外-短波红外”（0.75-2.5wn谱段是面向光谱传感检测、光谱分析、波长识别等应用最主要的波段范围，在军事、工业、通信、医疗、食品、生化、农业、公共安全等领域应用需求广泛。[0003]目前，在“近红外-短波红外”谱段范围内，基于InGaAs与HgCdTe的器件是最为主流的探测器技术。近年来，随着材料制备技术不断取得进步，二类超晶格（type-IIsuperlattice，T2SL与胶体量子点（Colloidalquantumdots，CQD等新兴探测器技术也得到快速发展。但比较而言，CQD灵敏度有限，主要面向低成本、低性能需求应用;T2SL需要深制冷，且与当前主流技术相比，其性能在短波红外谱段内也并不占优。InGaAs探测器基于成熟的InP基III-V族化合物半导体技术，响应截止波长可覆盖1.7-2.5M范围，尤其在1.7M1响应截止的谱段内拥有最优性能。而对于InPInGaAs材料体系，通过组分调节，InxGai-xAsyPb四元合金材料的禁带宽度可由InP覆盖至InQ.53GaQ.47AS，并且，可实现晶格匹配。因此，利用InxGai—xAsyPi-y四元合金的这一材料物理属性可在〇.9-1.7wn波长范围内实现双多色的响应调制。[0004]近年来，随着应用的快速发展，双多色、超光谱探测己成为重要的需求增长方向。目目U，InGaAs双色探测器主要米用两种技术途径：1同光轴方向叠层装配两个不同波段探测器，该类器件芯片装配繁复，光学损耗极易影响长波响应灵敏度，并且，受结构限制无法制作阵列探测器或焦平面探测器;2采用定制化双色滤光光窗，或片上集成介质膜双色滤波，该技术光学滤波工艺复杂，成本较高，并且，难以实现选择性的单双色探测调控。发明内容[0005]本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种单片式多色光电探测器。[0006]为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种单片式多色光电探测器，其包括：[0007]衬底；[0008]在所述衬底上从下至上依次形成的第一吸收层结构、第二吸收层结构、……、第i吸收层结构、......、第N吸收层结构，所述N为大于1的正整数，所述i为大于1且小于等于N的正整数；[0009]每一个吸收层结构具有一个下接触层、一个吸收层和一个上接触层，相邻两个吸收层结构的接触层共用；[0010]沿从衬底向上的方向，N个吸收层的吸收波长逐渐变长。[0011]本发明采用多色探测器结构设计，能够实现宽光谱段范围内的多色同步探测。[0012]在本发明的一种优选实施方式中，在衬底与所述第一吸收层结构之间形成有腐蚀阻挡层。通过设置腐蚀阻挡层，可将衬底完全剥离，扩宽了可检测的光谱范围，实现可见光波段的拓展。[0013]在本发明的另一种优选实施方式中，相邻两个吸收层结构之间形成有滤波层，所述滤波层的吸收波长介于其接触的两个吸收层结构的吸收波长之间。大大增加了探测谱段范围调制的自由度，可实现窄带通多色探测。[0014]在本发明的另一种优选实施方式中，N为2。[0015]在本发明的另一种优选实施方式中，单片式多色光电探测器包括：[0016]InP衬底;在所述InP衬底上形成有第一导电类型的InP作为第一吸收层结构的下接触层;在所述第一吸收层结构的下接触层之上形成有本征IibdGai-^AsyiPi-y；!作为第一吸收层，所述0xll，0yll且yl=2.2*l-xl，所述第一吸收层覆盖部分下接触层;在所述第一吸收层之上形成有第二导电类型的InP作为公共接触层;在所述公共接触层之上形成有本征Inx2Gai-x2Asy2Pi-y2或者InX6Gai-X6As作为第二吸收层，所述0x21，0y21且y2=2.2*1-x2;xlX2;所述0_53x60.6;所述第二吸收层覆盖部分公共接触层，且与lnp晶格匹配;在所述第二吸收层之上形成有第一导电类型的InP作为上接触层;在所述下接触层、公共接触层的暴露部分和上接触层上形成有电极。[0017]本发明采用双色探测器结构设计，利用InxGai-xAsyPi-y吸收层的带隙调节，可实现0•95-1.7wn谱段范围内的双色探测，双色谱段范围可连续调制。[0018]在本发明的另一种优选实施方式中，在所述InP衬底与下接触层之间形成有腐蚀阻挡层优选Im.53Gao.47As。设置腐蚀阻挡层便于剥离InP衬底，若InP衬底被完全剥离，则工作波长将有效覆盖0.6-1.7wii的宽光谱范围。扩展了可探测光谱范围。[0019]在本发明的另一种优选实施方式中，公共接触层的结构由如下结构取代:在第一吸收层之上形成有第二导电类型的InP第一电子势垒层，在所述第一电子势垒层至上形成有第二导电类型的Inx5Gai-x5Asy5Pi-y5滤波层，所述0x5l，0y5l且y5=2.2*l-x5;xlx5x2;在所述滤波层至上形成有第二导电类型的inp第二电子势垒层，所述第二电子势垒层覆盖部分滤波层，所述下接触层、滤波层的暴露部分和上接触层上形成有电极。[0020]本发明插入p-InGaAsP滤波层作为公共接触层，不仅大大增加了双色探测谱段范围调制的自由度，可实现窄带通双色探测，而且，以宽带隙的p-InP作为电子势垒层，有利于降低探测器暗电流。本发明设计的探测器结构不仅满足双色宽谱段探测需求，而且可满足部分特定光谱识别应用的窄带通双色探测要求，应用灵活。[0021]在本发明的另一种优选实施方式中，单片式多色光电探测器中：[0022]弟一吸收层的厚度为2•0-3•5um，带隙截止波长为入ci;[0023]第二吸收层的厚度为2.0-3.5um，带隙截止波长彡1•7M1，[0024]滤波层厚度为2•Oum-3•5mi，带隙截止波长入C2。[0025]防止待探测信号被先经过的吸收层吸收，保证探测效果。[0026]本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。附图说明[0027]本发明的上述和或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：_[0028]图1是本发明第一种优选实施例中单片式多色光电探测器的结构示意图；[0029]图2是图1所示结构衬底完全剥离后的室温光谱响应示意图；[0030]图3是图1所示结构衬底未剥离的室温光谱响应示意图；[0031]图4是本发明第二种优选实施例中单片式多色光电探测器的结构示意图；[0032]图5是图4所示结构衬底未剥离的室温光谱响应示意图。具体实施方式[0033]下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。[0034]在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。[0035]在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。[0036]本发明提供了一种单片式多色光电探测器，其包括衬底，可选择任意的半导体衬底，具体可以为但不限于通用的IV族，m-v族，n-vi族的半导体衬底，或蓝宝石衬底，例如InP衬底。还包括在衬底上从下至上设定从衬底至外延测层的方向为从下至上的方向）依次形成的第一吸收层结构、第二吸收层结构、……、第i吸收层结构、……、第N吸收层结构，所述N为大于1的正整数，所述i为大于1且小于等于N的正整数。优选的N为2。每一个吸收层结构具有一个下接触层、一个吸收层和一个上接触层，相邻两个吸收层结构的接触层共用，沿从衬底向上的方向，N个吸收层的吸收波长逐渐变长。[0037]在本发明的一个优选实施方式中，如图1所示图中仅仅是示意的给出了各区域的尺寸，具体的尺寸可以根据器件参数的要求进行设计），本发明提供一种单片式n-i-p-i-n型双色InGaAsP光电探测器，基于InPInGaAsP材料体系的能带调制原理，解决目前同类探测器存在的多片式结构问题与单双色探测选择调控难题。该单片式多色光电探测器包括：[0038]InP衬底；[0039]在所述InP衬底上形成有第一导电类型优选为N型）的InP作为第一吸收层结构的下接触层；[0040]在所述第一吸收层结构的下接触层之上形成有本征IrbdGainAsyiPi-n作为第一吸收层，所述〇xll，〇yKl且yl=2_2*l-xl，所述第一吸收层覆盖部分下接触层；[0041]在所述第一吸收层之上形成有第二导电类型的InP作为公共接触层；[0042]在所述公共接触层乙上形成有本征Inx2Gai_x2Asy2Pl—yS或者InxsGai—xsAs作为第二吸收层，所述0x2l，0y2l且y2=2.2*l-x2;xlx2;0_53x60_6;所述第二吸收层覆盖部分公共接触层，且与InP晶格匹配；[0043]在所述第二吸收层之上形成有第一导电类型的InP作为上接触层；[0044]在所述下接触层、公共接触层的暴露部分和上接触层上形成有电极。[0045]在本实施方式中，在InP衬底与下接触层之间可形成腐蚀阻挡层。[0046]在本发明另外的优选实施方式中，如图4所示，公共接触层的结构由如下结构取代：[0047]在第一吸收层之上形成有第二导电类型的InP第一电子势垒层，在所述第一电子势垒层之上形成有第二导电类型的InX5Gai-x5Asy5Pi-y5滤波层，所述0051，0〈751且75=2_2*l_x5;xl〈x5x2;在所述滤波层至上形成有第二导电类型的InP第二电子势垒层，所述第二电子势垒层覆盖部分滤波层，所述下接触层、滤波层的暴露部分和上接触层上形成有电极。[0048]本发明将短波波长响应PIN探测器PD1与长波波长响应PIN探测器pD2相结合，PD1采用p-on-n结构，PD2采用n-on-p结构，PD1与PD2共用P电极，形成背入射式的n-i-p-i-n型器件结构，通过电极偏置的切换实现响应光谱的调制。如图4所示，采用双色探测+片内滤波设计方案，在短波波长响应PIN探测器PD1与长波波长响应PIN探测器PD2之间插入p-InGaAsP滤波层公共接触层），实现双色探测谱段的连续调制。[0049]在本发明的一种优选实施方式中，具体组分选择和制备流程为：[0050]利用M0CVD或MBE外延技术，在InP单晶衬底上依次生长p-on-n型PD1结构与n—on_p型PD2结构层次，InP衬底材料采用掺Fe的I型半绝缘衬底或掺S的N型衬底。[0051]首选，在InP单晶衬底上生长N+-InP下接触层，N+-InP下接触层厚度为0.2wn-1.0ym，掺杂浓度彡2E+18cnf3,施主杂质为Si。在本发明的更加优选的实施方式中，若需剥离inp衬底拓展响应光谱，贝在N+-InP下接触层与InP衬底之间插入一层Ino.53Gao.47As腐蚀阻挡层。[0052]在N+-InP下接触层之上生长本征i-IibdGahiAsyiPhi第一吸收层，第一吸收层的厚度为2•0-3•5wn，背景载流子浓度彡lE+16cnT3，带隙截止波长为入C1。[0053]如图1所不，在第一吸收层之上生长形成p-InP公共接触层，厚度为〇.5wii-l.Oum，有效掺杂浓度彡1E+I8cnf3,受主杂质为Zn或Be。[0054]如图2所不，在第一吸收层之上生长形成p-InP第一电子势垒层，厚度为〇.5ym-l.0wn，有效掺杂浓度彡lE+lScnf3,受主杂质为Zn或Be。在第一电子势垒层之上生长p-Inx4Gai_x4Asy4Pi-y4公共接触层滤波层，厚度为2•Oiim〜3•5um，有效掺杂浓度彡1E+I8cm_3，受主杂质为Zn或Be;带隙截止波长在公共接触层滤波层之上生长p-inp第二电子势垒层，厚度为0.5wn-1.0wn，有效掺杂浓度彡1E+I8cnf3,受主杂质为Zn或Be。[0055]在p-InP之上生长本征i-InX2Gai-x2Asy2Pi-y2第二吸收层，其厚度为2.0-3.5wn，背景载流子浓度彡1E+I6cm_3，带隙截止波长Au彡1•7wii。在第二吸收层之上生长N+-InP上接触顶层厚度为0.2-1.Own，掺杂浓度彡1E+I8cm_3，施主杂质为Si。[0056]采用台面工艺制作探测器器件，利用干法刻蚀或湿法腐蚀形成器件台面;器件台面采用SiNx或Al2〇3介质膜进行钝化;在下接触层、公共接触层的暴露部分和上接触层上形成有电极如图1，或者在下接触层、滤波层的暴露部分和上接触层上形成有电极如图4。上下电极、公共电极采用CrAu双层金属或TiPtAu多层金属。[0057]若需拓展PD1短波响应波长范围，则采用选择性湿法腐蚀剥离InP衬底。[0058]本发明采用双色探测器结构设计，利用InxGai-xAsyPi-y吸收层的带隙调节，可实现0.95-1•7wn谱段范围内的双色探测，双色谱段范围可连续调制，如图3所示;若InP衬底被完全剥离，则工作波长将有效覆盖0.6〜1.7wn的宽光谱范围，如图2所示。插入p-InGaAsP滤波层作为公共接触层，不仅大大增加了双色探测谱段范围调制的自由度，可实现窄带通双色探测，如图5所示。而且，以宽带隙的p-InP作为电子势垒层，有利于降低探测器暗电流。[0059]在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。[00M]尽管己经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解:在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

权利要求：一种单片式多色光电探测器，其特征在于，包括：衬底；在所述衬底上从下至上依次形成的第一吸收层结构、第二吸收层结构、……、第i吸收层结构、……、第N吸收层结构，所述N为大于1的正整数，所述i为大于1且小于等于N的正整数；每一个吸收层结构具有一个下接触层、一个吸收层和一个上接触层，相邻两个吸收层结构的接触层共用；沿光线入射方向，N个吸收层的吸收波长逐渐变长。2.如权利要求1所述的单片式多色光电探测器，其特征在于，在衬底与所述第一吸收层结构之间形成有腐蚀阻挡层。3.如权利要求1或2所述的单片式多色光电探测器，其特征在于，相邻两个吸收层结构之间形成有滤波层，所述滤波层的吸收波长介于其接触的两个吸收层结构的吸收波长之间。4.如权利要求1所述的单片式多色光电探测器，其特征在于，包括N为2。5.如权利要求4所述的单片式多色光电探测器，其特征在于，包括：InP衬底；在所述InP衬底上形成有第一导电类型的InP作为第一吸收层结构的下接触层；在所述第一吸收层结构的下接触层之上形成有本征IlbaGai-xMSylPl-yl作为第一吸收层，所述〇41〈1，〇011且71=2.2*111，所述第一吸收层覆盖部分下接触层；在所述第一吸收层之上形成有第二导电类型的InP作为公共接触层；在所述公共接触层之上形成有本征InX2Gai-x2Asy2Pi-y2或者InX6Gai-x6As作为第二吸收层，所述012〈1，0〈721，72=2.2*112且?^1〇2;所述0.53\60.6;所述第二吸收层覆盖部分公共接触层，且与InP晶格匹配；在所述第二吸收层之上形成有第一导电类型的InP作为上接触层；在所述下接触层、公共接触层的暴露部分和上接触层上形成有电极。6.如权利要求5所述的单片式多色光电探测器，其特征在于，在所述lnp衬底与下接触层之间形成有腐蚀阻挡层，在InP衬底完全剥离后，将腐蚀阻挡层完全去除。7.如权利要求6所述的单片式多色光电探测器，其特征在于，所述腐蚀阻挡层In〇.53Gao.47As〇8.如权利要求5或6所述的单片式多色光电探测器，其特征在于，公共接触层的结构由如下结构取代：在第一吸收层之上形成有第二导电类型的InP第一电子势垒层，在所述第一电子势垒层之上形成有第二导电类型的InuGai-xsAsysPi-ys滤波层，所述0〈x5l，0y5〈l且75=2.21_X5;xl〈x5〈x2;在所述滤波层至上形成有第二导电类型的InP第二电子势垒层，所述第二电子势垒层覆盖部分滤波层，所述下接触层、滤波层的暴露部分和上接触层上形成有电极。9.如权利要求7所述的单片式多色光电探测器，其特征在于，第一吸收层的厚度为2•0-3.5wn，带隙截止波长为入C1;第二吸收层的厚度为2•0-3.5wn，带隙截止波长AC21.7wn滤波层厚度为2•Own-3•5um，带隙截止波长

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