本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件，尤其涉及雪崩光電探測器。

背景技術(shù)：

1、具有內(nèi)增益的紅外雪崩光電探測器在民用和軍事領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用，其中在近紅外0.75-3μm波段的紅外探測器以吸收層為in0.53ga0.47as和倍增層為inp組成的in0.53ga0.47as/inp紅外探測器的性能最為顯著，且作為高性能探測器應(yīng)用在波長1310nm和1550nm的光通信系統(tǒng)中。目前，近波紅外探測器廣泛使用的材料和結(jié)構(gòu)主要為insb/hgcdte焦平面陣列和銻基inas/inassbt2sl的nbn/pbn/cbird型結(jié)構(gòu)探測器。然而，在降低器件暗電流提高信噪比的同時，相關(guān)系統(tǒng)一直處于低溫環(huán)境中工作，且配備的制冷系統(tǒng)導(dǎo)致體積大，成本高，實用性差。因此，為了提高器件的工作溫度以減輕制冷系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，需要器件本身能產(chǎn)生較低的暗電流和高的響應(yīng)度的以實現(xiàn)高性能的探測目標(biāo)。此外，石墨烯與黑磷等二維材料由于材料本身和制備工藝的局限性，尚處于探索階段，故沒有大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)而沒有市場化。

2、近年來隨著半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展，探索出ⅲ-ⅴ族半導(dǎo)體材料中的三元化合物in0.52al0.48as，其載流子電離系數(shù)和電子遷移率均大于inp，利用材料的這種特性作為器件倍增層更具有優(yōu)勢，而且該材料的制備工藝比較成熟，是近紅外探測器制備的理想材料選擇。因此，其組成in0.53ga0.47as/in0.52al0.48as探測器在噪聲和溫度變化等方面可以體現(xiàn)出更高的光電性能，但在室溫下存在復(fù)合速率較高，暗電流較大等問題。

3、公開號為cn114361285a,公開日為2022.04.15的中國專利文獻(xiàn)公開一種1.55微米波段雪崩光電探測器及其制備方法。該光電探測器結(jié)構(gòu)利用分子束外延技術(shù)在襯底層上依次生長陰極接觸層、n型電荷層、inas/alas數(shù)字合金倍增層、p型電荷層，能帶過渡層、本征吸收層、p型摻雜吸收層、電子阻擋層、陽極接觸層。該探測器存在的問題在于：(1)倍增層inas/alas數(shù)字合金的制備工藝極其復(fù)雜，尤其是每個生長周期包含單分子層的厚度不易控制，導(dǎo)致器件整體光電性能的下降；(2)吸收層結(jié)構(gòu)為同質(zhì)in0.53ga0.47as結(jié)構(gòu)，俄歇復(fù)合產(chǎn)生的電流并沒有被抑制，同時p型重?fù)诫s的吸收層會加劇肖克利-霍爾-里德復(fù)合電流的產(chǎn)生，導(dǎo)致電流的增大；(3)在高電場作用下，倍增層inas/alas也容易發(fā)生帶間隧穿現(xiàn)象，通過制冷系統(tǒng)無法進(jìn)行有效緩解，在高溫工作時極易受到隧穿電流對器件性能的影響；(4)所采用的分子束外延技術(shù)相比于磁控濺射方法制備器件，其成本更高，且不利于大規(guī)模生產(chǎn)，無法加快光電子器件市場化進(jìn)程。

4、現(xiàn)有技術(shù)制備的光電探測器在室溫下工作時存在暗電流高，靈敏度低，且吸收層厚度和量子效率與與帶寬也相互制約等問題，由于器件結(jié)構(gòu)設(shè)計，各層材料的選擇及各層厚度和摻雜濃度的不合理匹配等導(dǎo)致目前制備的器件產(chǎn)生暗電流高、響應(yīng)度、量子效率及靈敏度低等性能方面的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為解決光電探測器在室溫環(huán)境下工作時產(chǎn)生的暗電流高，靈敏度差等問題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

2、一種雪崩光電探測器，包括正電極層和負(fù)電極層，從負(fù)電極層至正電極層依次包括襯底、緩沖層、吸收層、漸變層、電荷層、倍增層以及接觸層，其特征在于：所述的襯底材料為n型inp，所述的緩沖層材料為n型inp，所述的吸收層材料為i型in0.53ga0.47as，所述的漸變層材料為ingaasp，所述的電荷層材料為p型in0.52al0.48as，所述的倍增層材料為i型in0.52al0.48as，所述的接觸層材料為p型in0.52al0.48as；還包括覆蓋在探測器側(cè)表面的鈍化層；所述的襯底的摻雜濃度為3×1018cm-3，厚度為3.0μm；緩沖層的摻雜濃度為2×1017cm-3，厚度為0.50μm；吸收層的摻雜濃度為1×1016cm-3，厚度為1.50μm；漸變層ingaasp4的摻雜濃度為1×1016cm-3，厚度為0.05μm；電荷層的摻雜濃度為1×1017cm-3，厚度為0.25μm；倍增層的摻雜濃度為1×1016cm-3，厚度為0.50μm；接觸層的摻雜濃度為1×1018cm-3，厚度為2.50μm。

3、所述正電極層為叉指電極；所述負(fù)電極層為柵條狀電極。

4、p型半導(dǎo)體材料，其受主摻雜劑為be或zn；n型半導(dǎo)體材料，其施主摻雜劑為te或sn。

5、緩沖層、吸收層、漸變層、電荷層、倍增層以及接觸層均采用磁控濺射技術(shù)進(jìn)行沉積。

6、采用以上技術(shù)方案通過在現(xiàn)有sacm(separate?absorption,charge?andmultiplication)結(jié)構(gòu)光電探測器的基礎(chǔ)上進(jìn)行各層厚度與摻雜濃度的重新設(shè)計，并對傳統(tǒng)的接觸層和倍增層材料采用可調(diào)帶隙的三元化合物進(jìn)行替換，技術(shù)方案具體為：詳細(xì)給出設(shè)計器件各層厚度及摻雜濃度的最優(yōu)組合，同時選用三元化合物in0.52al0.48as作為接觸層和倍增層，作為接觸層時使該層在實現(xiàn)重?fù)诫s提高器件量子效率、降低比接觸電阻的同時，也可使該界面異質(zhì)結(jié)的空間電荷區(qū)寬度變窄，有助于提升該區(qū)域的電場強(qiáng)度，且能夠在電極與接觸層之間形成良好的歐姆接觸以降低暗電流；作為倍增層在降低暗電流的同時產(chǎn)生較高的內(nèi)部增益以提高器件的靈敏度，改善器件在室溫下的工作性能；解決了目前制備器件在室溫下工作時產(chǎn)生的暗電流高，靈敏度低的問題。

技術(shù)特征：

1.一種雪崩光電探測器，包括正電極層和負(fù)電極層，從負(fù)電極層至正電極層依次包括襯底、緩沖層、吸收層、漸變層、電荷層、倍增層以及接觸層，其特征在于：所述的襯底材料為n型inp，所述的緩沖層材料為n型inp，所述的吸收層材料為i型in0.53ga0.47as，所述的漸變層材料為ingaasp，所述的電荷層材料為p型in0.52al0.48as，所述的倍增層材料為i型in0.52al0.48as，所述的接觸層材料為p型in0.52al0.48as；還包括覆蓋在探測器側(cè)表面的鈍化層；所述的襯底的摻雜濃度為3×1018cm-3，厚度為3.0μm；緩沖層的摻雜濃度為2×1017cm-3，厚度為0.50μm；吸收層的摻雜濃度為1×1016cm-3，厚度為1.50μm；漸變層ingaasp4的摻雜濃度為1×1016cm-3，厚度為0.05μm；電荷層的摻雜濃度為1×1017cm-3，厚度為0.25μm；倍增層的摻雜濃度為1×1016cm-3，厚度為0.50μm；接觸層的摻雜濃度為1×1018cm-3，厚度為2.50μm。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雪崩光電探測器，其特征在于：所述正電極層為叉指電極；所述負(fù)電極層為柵條狀電極。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雪崩光電探測器，其特征在于：p型半導(dǎo)體材料，其受主摻雜劑為be或zn；n型半導(dǎo)體材料，其施主摻雜劑為te或sn。

4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種雪崩光電探測器，其特征在于：緩沖層、吸收層、漸變層、電荷層、倍增層以及接觸層均采用磁控濺射技術(shù)進(jìn)行沉積。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件，尤其涉及雪崩光電探測器技術(shù)領(lǐng)域，包括正電極層和負(fù)電極層，從負(fù)電極層至正電極層依次包括襯底、緩沖層、吸收層、漸變層、電荷層、倍增層以及接觸層，其特征在于：所述的襯底材料為N型InP，所述的緩沖層材料為N型InP，所述的吸收層材料為I型In<subgt;0.53</subgt;Ga<subgt;0.47</subgt;As，所述的漸變層材料為InGaAsP，所述的電荷層材料為P型In<subgt;0.52</subgt;Al<subgt;0.48</subgt;As，所述的倍增層材料為I型In<subgt;0.52</subgt;Al<subgt;0.48</subgt;As，所述的接觸層材料為P型In<subgt;0.52</subgt;Al<subgt;0.48</subgt;As；并對各層厚度與摻雜濃度的重新設(shè)計，解決了目前制備器件在室溫下工作時產(chǎn)生的暗電流高，靈敏度低的問題。

技術(shù)研發(fā)人員：杜鵬飛,耿東恒,南慧杰,李偉林
受保護(hù)的技術(shù)使用者：陜西航天時代導(dǎo)航設(shè)備有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/10