[发明专利]光探测器集成器件及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光信号探测技术领域，特别涉及一种光探测器集成器件及制备方法。

背景技术

移动性、无线化、数字化和宽带化是当今信息业的发展趋势，超高速、超大容量成为信息传送追求的主要目标。随着社会信息化程度的深入，城域以太网、IPTV、高清电视、移动多媒体、视频流媒体等新业务的不断涌现，人类社会对于信息传输带宽的需求一直在以惊人的速度增长。与此同时，人们对于无线通信的需求也急剧增长，尤其随着3G、4G时代的到来使人们实现“任何时间、任何地点以任何方式”获得各种多媒体信息的梦想成为现实的同时，带来的是对更大的传输容量和更快的传输速率的需求与挑战。因此，对整个系统中光信号探测部分——光电探测器提出了更大带宽的挑战。

为此，NTT公司的T.Ishibashi等人提出了单载流子传输探测器(Uni-Traveling-Carrier Photodiode，UTC-PD)，替代传统的PIN型光电二极管，实现了响应速率的大幅提升。传统的PIN型光电二极管，其吸收区在耗尽区，产生的光生电子-空穴载流子对在电场的作用下分别向N型收集区和P型收集区漂移，直至被收集并形成电流。但是由于空穴载流子的漂移速率很慢，比电子的漂移速率慢得多，因此探测器的电流响应速率主要受限于空穴的渡越时间。而UTC探测器，采用了将吸收区放在P型区的做法，电子-空穴对在P型区产生，由于空穴是多子，直接通过大量空穴的集体运动就能在其弛豫时间内被收集，虽然电子需要经过P区吸收区和I型耗尽区后到达N区才能被收集，但是由于电子本身的漂移速率要比空穴快得多，因此相比传统的PIN型探测器，UTC探测器获得了更高的响应速率。

近年来，随着微波光子学领域的发展，不仅要求探测器具有大带宽的特性，同时也要求探测器具有很好的响应度，即光电转换效率，以提高系统的增益特性，以及较高的饱和电流。探测器的光电转换效率，一方面受限于吸收材料的吸收系数，另一方面受限于吸收材料的厚度。对于面向光通信波段的半导体光电探测器来说，通常都采用InGaAs等窄禁带半导体材料作为吸收材料，以In_0.53Ga_0.47As材料为例，其光吸收系数约为0.7μm^-1。

对于波导结构的探测器来说，沿光传输方向的吸收区厚度通常都达到几十微米量级，长度足以将波导中的光完全吸收，光电转换效率很容易做的很高。但是波导结构探测器的响应度主要是受到光纤耦合损耗的限制。虽然国内外科研工作者设计了不同的波导结构来提高光纤耦合效率，比如采用消逝场耦合的稀释波导技术，能够获得很高的耦合效率。但是此类结构设计复杂，制作工艺难度大，器件的成本相对也高。同时，波导结构光探测器难以实现很高的饱和电流。对于台面结构探测器来说，更容易实现较高的饱和特性，然而由于光入射的方向垂直与器件表面，要提高吸收效率，则需要提高吸收区的厚度。但是不论是对于传统的PIN结构探测器，还是单载流子传输探测器，增加吸收区的厚度都会导致载流子的渡越时间相应增加，从而导致探测器带宽恶化。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何在保持UTC探测器响应带宽和饱和功率的前提下提高探测器的光电转换效率。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种光探测器集成器件，包括：半导体衬底、由下到上层叠在所述半导体衬底之上的至少两个单载流子传输探测器，所述每个单载流子传输探测器均包括：P型宽禁带阻挡层、P型窄禁带吸收层、非高掺杂宽禁带载流子耗尽层、N型宽禁带载流子收集层及至少一层重掺杂欧姆接触层；位于最底部的单载流子传输探测器底部的重掺杂欧姆接触层上设置有第一电极，位于最顶部的单载流子传输探测器顶层的重掺杂欧姆接触层上设置有第三电极。

其中，包括两个单载流子传输探测器，位于所述半导体衬底上的第一单载流子传输探测器和位于所述第一单载流子传输探测器上的第二单载流子传输探测器，

所述第一单载流子传输探测器包括：位于所述第一单载流子传输探测器底层的P型重掺杂欧姆接触层，依次往上层叠的P型宽禁带电荷阻挡层，P型窄禁带吸收层，非高掺杂宽禁带载流子耗尽层，N型宽禁带载流子收集层，N型重掺杂欧姆接触层；

所述第二单载流子传输探测器包括：位于所述第二单载流子传输探测器顶层的P型重掺杂欧姆接触层，依次往下层叠的P型宽禁带电荷阻挡层，P型窄禁带吸收层，非高掺杂宽禁带载流子耗尽层，N型宽禁带载流子收集层，所述N型重掺杂欧姆接触层。