[发明专利]APD红外探测器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及短波红外雪崩二极管探测器技术，特别涉及一种降低暗计数的APD红外探测器及其制作方法。

背景技术

在最近的几年里，量子通讯技术得到极大的发展，受到人们广泛的重视。而量子通讯实用化的关键技术之一为需要有高灵敏度的光子探测器。因此人们将目光转向雪崩光电二极管(APD)探测器。工作于盖格模式的APD有着量子效率高、增益大的特点。单个的载流子就能引起自持的雪崩击穿，形成宏观的电流，从而可以实现单光子探测。

基于磷化铟/铟镓砷材料(InP/InGaAs)的APD可以响应通讯波段1550nm红外光，同时也有较好的性能，因此目前商品化的APD器件大都采用InP/InGaAs材料，它适用于高速光纤通信。

为了达到很高的灵敏度，APD器件需要工作于较高的反向偏置电压下，使得耗尽层贯穿整个吸收层。偏压的提高伴随着暗电流的增加，这是因为在制冷的工作环境下，隧穿电流是暗电流的主要因素，它与电场分布有着重要的关系。因此暗电流(暗计数)是限制APD性能的几个主要因素之一。

通过降低器件尺寸、改进材料质量、调节器件结构和改变器件工作环境可以降低APD探测器的暗电流。在降低器件尺寸方面，受限于工艺和技术的限制，目前器件的尺寸(光敏元尺寸)一般为直径50μm，要想进一步降低器件的光敏元尺寸，人们只能寻求在器件结构上的突破。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种低暗计数的APD红外探测器，能有效地通过减少p结光敏元面积来减小器件的有效工作尺寸，很好地抑制器件的暗计数。

实现本发明第一个目的的技术方案是一种APD红外探测器，包括APD及与其相结合的光子耦合腔；所述光子耦合腔包括金属反射层、透明介质层、金属阻挡环和金属光栅层；所述金属反射层、透明介质层和金属光栅层按照从下向上的顺序依次生长在APD的p+-InP结上；所述金属阻挡环位于透明介质层的外围，并连接金属反射层和金属光栅层；所述金属光栅层为同心的多环金属环结构；所述金属反射层为两个同心金属环结构。

所述APD红外探测器还包括生长在APD的p+-InP结上的P电极；所述P电极与p+-InP结、金属反射层以及金属光栅层为同心结构；所述P电极通过金属带与金属反射层相连。

所述金属反射层位于中心的圆作为P电极；所述P电极通过金属带与金属反射层相连。

所述APD的p+-InP结上生长有两个圆环柱形的通光孔，两个通光孔分别生长在金属反射层的两个金属环之间以及金属环与P电极之间；所述通光孔内填充有透明介质。

所述金属反射层、P电极、透明介质层、金属阻挡环和金属光栅层形成圆环型的金属-介质-金属耦合汇聚光栅结构；所述金属光栅层的光栅周期L为相邻两个金属环的内壁之间的距离，函数为光栅常数D为相邻两个金属环之间的间距，D＝0.4μm，占空比f＝D/L＝0.4/1；所述金属反射层的两个金属环之间的距离D1＝0.5μm。

所述金属反射层、金属阻挡环和金属光栅层分别为Au反射层、Au阻挡环和Au光栅层；所述透明介质层及通光孔内填充的透明介质均为二氧化硅。

所述的APD为吸收、渐变、电荷、倍增层分离结构的磷化铟/铟镓砷雪崩光电二极管。

本发明的第二个目的是提供一种低暗计数的APD红外探测器的制作方法。

实现本发明第二个目的的技术方案是一种APD红外探测器的制作方法，包括以下步骤：

①在APD的i-InP层上热扩散Zn₃P₂形成圆形的p+-InP结；所述扩散工艺为闭管扩散，扩散温度为500摄氏度，扩散时间为25min；

②在p+-InP结上采用正胶电子束光刻出圆形的P电极，等离子空气清洗5-8分钟之后，再采用电子束蒸发形成Ti/Pt/Au电极，之后去光刻胶、退火，使P电极合金化；所述P电极的中心与p+-InP结的中心对准；

③在p+-InP结上采用正胶电子束光刻出两个同心圆环形状的Au反射层，等离子空气清洗5-8分钟之后，再沉积出金属反射层；所述金属反射层有将P电极与金属反射层相连的Au带；

④在p+-InP结上采用正胶电子束光刻出圆环形的通光孔，再利用等离子体增强化学气相沉积法生长出SiO₂薄膜填充通光孔；

⑤在金属反射层和P电极之上，利用等离子体增强化学气相沉积法生长出SiO₂薄膜形成透明介质层；