用于雪崩光电二极管的能带递变倍增区结构及其制备方法

摘要

本发明涉及一种用于雪崩光电二极管的能带递变倍增区结构及其制备方法，其特征在于：采用能带梯度递变的n层材料作为倍增区结构，n为自然数，2≤x≤10；制备方法包括：在生长缓冲层、吸收层、数字递变超晶格过渡层和电荷层后，生长能带梯度递变的n层材料作为倍增区结构。本发明的能带递变倍增区结构可以从本质上提高电子与空穴电离率差，无需外加很高的偏压，从而有利于降低器件的过剩噪声。

说明书

技术领域

本发明属于雪崩光电二极管及其制备领域，特别涉及一种用于雪崩光电二极管的能带递变倍增区结构及其制备方法。

背景技术

雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode，APD)因具有倍增效应而比PN探测器具有更高的灵敏度和探测率，特别适用于微弱光信号的探测，获得了越来越多的重视和应用。从上世纪七十年代APD开始出现起，APD的结构经历了一个不断改进的发展过程。早期的APD结构仍采用PIN结构，只是工作于更高的反向电压下，但较高的工作电压使得器件具有很大的过剩噪声。为了降低器件噪声，研究人员设计了分离吸收区和增益区的结构，在吸收区外增加一个具有相对更宽禁带的倍增区形成吸收区和倍增区分离(Separated Absorption andMultiplication，SAM)的结构，宽禁带倍增区的引入可以降低器件暗电流与噪声，并且吸收区和倍增区结构可以相对独立地进行优化。人们还在窄带隙吸收区和宽带隙倍增区之间引入过渡层以减小能带尖峰效应，构成吸收区和倍增区分离、具有过渡层(Separated AbsorptionGrading and Multiplication，SAGM)结构，进一步降低了器件的噪声，提高了器件的响应速度。再通过引入电荷区，构成所谓吸收区电荷区和倍增区分离、具有过渡层(SeparatedAbsorptionGrading Charge and Multiplication，SAGCM)结构，可以调制电场并调制载流子电离过程。

过剩噪声是APD实际应用过程中一个非常重要的器件参数，它是器件内部倍增过程产生的噪声，由于每一个光生载流子的倍增增益是不同的，所以倍增后的电流具有随机起伏的特性，这种起伏引入的附加噪声就是过剩噪。因此，倍增区结构和材料体系的优化对器件的过剩噪声起着非常重要的作用。如果倍增区是单层较厚材料(体材料)，过剩噪声的大小主要由倍增区材料对电子和空穴的电离率之比值决定，若此比值越大或越小(即材料对电子和空穴的电离率相差越大)，则器件的过剩噪声越小。体材料对电子和空穴的电离率之比值是材料本身的特性，这样倍增区材料可优化的余地很窄。为了降低器件的过剩噪声，研究人员提出了在倍增区引入了超晶格和量子阱结构，通过对异质结导带带阶和价带带阶分布的调制来从本质上改善倍增区中电子和空穴电离率差，从而提高倍增因子并降低过剩噪声，还通过减小倍增区材料厚度来降低器件过剩噪声。目前，经过对倍增区中量子结构的引入和能带工程的优化，人们对于降低APD过剩噪声的努力已经取得了很大进展。然而由于超晶格和量子阱结构是势垒和势阱层交替，若要实现抑制电子或空穴其中一种载流子的电离而基本不限制另一种载流子的电离，需要加上很高的偏压，这又会引起过剩噪声的增大，目前的过剩噪声参数距离实用的要求仍有较大差距，特别是对于卫星遥感、三维成像、高分辨率光谱测量、单光子探测等应用领域而言，对于器件过剩噪声的要求更高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于雪崩光电二极管的能带递变倍增区结构及其制备方法，本发明可以从本质上提高电子与空穴电离率差，无需外加很高的偏压，从而有利于降低器件的过剩噪声。

本发明的一种用于雪崩光电二极管的能带递变倍增区结构，其特征在于：采用能带梯度递变的n层材料作为倍增区结构，其中n为自然数，2≤x≤10，倍增区结构材料在倍增区一侧材料禁带宽度最大，往另一侧方向各层材料禁带宽度逐渐减小，在另一侧材料禁带宽度最小。

所述的倍增区结构各层材料晶格匹配，可有效避免失配位错。

以包含In_0.52Al_xGa_0.48-xAs能带递变倍增区的In_0.53Ga_0.47As雪崩光电二极管外延材料为例，所述倍增区结构采用四层不同组分的In_0.52Al_xGa_0.48-xAs材料构成能带梯度递变结构，其中0.24≤x≤0.48，每层厚度为50nm。

本发明的一种用于雪崩光电二极管的能带递变倍增区结构的制备方法，包括：

(1)在正式生长之前先通过预备生长确定在InP衬底上生长晶格匹配的材料的束源炉温度、衬底温度；

(2)采用分子束外延或金属有机物气相外延法生长，在生长缓冲层、吸收层、数字递变超晶格过渡层和电荷层后，生长能带梯度递变的n层材料作为倍增区结构，其中n为自然数，2≤x≤10；

(3)最后生长上接触层，得到倍增区结构为能带递变的雪崩光电二极管。

以包含In_0.52Al_xGa_0.48-xAs能带递变倍增区的In_0.53Ga_0.47As雪崩光电二极管外延材料为例，其具体步骤如下：

(1)在正式生长之前先通过预备生长确定在InP衬底上生长晶格匹配的In_0.52Al_0.48As、In_0.53Ga_0.47As和In_0.52Al_xGa_0.48-xAs时的束源炉温度、衬底温度，其中0.24≤x≤0.48；

(2)在生长缓冲层、吸收层、数字递变超晶格过渡层和电荷层后，生长总厚度为200nm的不掺杂能带递变倍增区结构，以四层厚度均为50nm的材料组成，依次为In_0.52Al_0.24Ga_0.24As、In_0.52Al_0.32Ga_0.16As、In_0.52Al_0.40Ga_0.08As和In_0.52Al_0.48As。

(3)最后生长厚度为0.6μm的高掺杂Be的InP上接触层。

所述步骤(3)中的用Be进行高掺杂的参数为p＞2×10¹⁸cm^-3。

本发明确定了APD倍增区的能带递变结构，主要包括：

(1)倍增区结构的设计

通过在倍增区中引入了超晶格和量子阱结构可以降低器件的过剩噪声，利用导带带阶或价带带阶来抑制在反向偏压下的电子或空穴的电离。然而，由于超晶格和量子阱结构是势垒和势阱层交替，若要实现抑制电子或空穴其中一种载流子的电离而基本不限制另一种载流子的电离，需要加上很高的偏压，这会引起过剩噪声的增大。本发明的思想是在倍增区中采用能带梯度递变的多层材料，材料在倍增区一侧材料禁带宽度最大，往另一侧方向各层材料禁带宽度逐渐减小，在另一侧材料禁带宽度最小，形成天然的递变能带，只对一种载流子的电离产生限制，对偏压的大小没有要求。以电子倍增型APD为例，外加负偏压电极一侧的材料禁带宽度最大，往外加正偏压电极方向各层材料禁带宽度逐渐减小，在靠近外加正偏压一侧的材料禁带宽度最小，导带带阶不会对电子的移动产生限制而价带带阶对空穴的移动产生多级限制从而等效限制了空穴的电离。

(2)倍增区材料体系的选取

在选取倍增区材料体系的时候主要需要考虑三个方面，首先材料能带结构要满足上述能带梯度递变结构；其次所选取的倍增区材料体系最好要满足各层材料晶格匹配，从而可有效减少失配位错；再次所选取的材料体系要利于生长，方便控制。例如，对于在短波红外光纤通信、遥感成像等领域具有广阔应用前景的InP基In_0.53Ga_0.47AsAPD，可选取具有不同Al组分x的In_0.53(Al_xGa_1-x)As三元或四元系材料体系作为倍增区材料，可在保持材料晶格匹配的基础上构成能带梯度递变结构，同时材料体系具有较成熟的材料生长工艺，适合采用分子束外延或金属有机物气相外延方法生长。

有益效果

本发明可以从本质上提高电子与空穴电离率差，无需外加很高的偏压，从而有利于降低器件的过剩噪声。

附图说明

图1为本发明提供的用于雪崩光电二极管的能带递变倍增区能带结构示意图；

图2为用于In_0.53Ga_0.47As雪崩光电二极管的In_0.52Al_xGa_0.48-xAs能带递变倍增区能带结构示意图；

图3为一种包含In_0.53(Al_xGa_1-x)As能带递变倍增区的In_0.53Ga_0.47As雪崩光电二极管材料结构图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

(1)需要生长In_0.53Ga_0.47As雪崩光电二极管外延材料，采用吸收区电荷区和倍增区分离、具有过渡层(SAGCM)结构，以半绝缘或导电InP单晶材料作为探测器的衬底，InP材料作为缓冲层并用Si进行高掺杂(同时作为下接触层，n＞2×10¹⁸cm^-3)，In_0.53Ga_0.47As材料作为吸收层进行低掺杂Si或不掺杂(n～2×10¹⁶cm^-3)，较低掺杂Si的In_0.52Al_0.48As作为电荷层(n～2×10¹⁷cm^-3)，不掺杂In_0.53Ga_0.47As/In_0.52Al_0.48As超晶格作为吸收层和电荷层中间的过渡层，倍增区采用不掺杂的四层不同组分的In_0.52Al_xGa_0.48-xAs材料构成能带梯度递变结构，外加偏压下倍增区中能带结构示意图如图2所示；

(2)外延生长采用常规分子束外延方法，在正式生长之前先通过预备生长确定在InP衬底上生长晶格匹配的InP、In_0.52Al_0.48As、In_0.53Ga_0.47As和In_0.52Al_xGa_0.48-xAs时的束源炉温度、衬底温度等生长条件，以生长InP的衬底温度490℃、生长In_0.52Al_0.48As、In_0.53Ga_0.47As和In_0.52Al_xGa_0.48-xAs时衬底温度530℃为例；

(3)外延材料结构图如图3所示。在对Epi-Ready InP衬底进行氧化物脱附处理后先以衬底温度490℃生长厚度约1μm的高掺杂Si的n型InP缓冲层，n＞2×10¹⁸cm^-3；

(4)然后以衬底温度530℃生长厚度约1μm的低掺杂或不掺杂的n型In_0.53Ga_0.47As吸收层，n约为2×10¹⁶cm^-3；

(5)再以衬底温度530℃生长总厚度约100nm的低掺杂Si或不掺杂的n型In_0.53Ga_0.47As/In_0.52Al_0.48As厚度数字递变超晶格过渡层，每个周期厚度10nm，每周期中In_0.53Ga_0.47As与In_0.52Al_0.48As层厚的比值依次为9∶1、8∶2……2∶8、1∶9，n约为2×10¹⁶cm^-3；

(6)然后以衬底温度530℃生长50nm较低掺杂Si的In_0.52Al_0.48As电荷层，n约为2×10¹⁷cm^-3：

(7)接下去以衬底温度530℃生长总厚度为200nm的不掺杂能带递变倍增区结构，以四层厚度均为50nm的材料组成，依次为In_0.52Al_0.24Ga_0.24As、In_0.52Al_0.32Ga_0.16As、In_0.52Al_0.40Ga_0.08As和In_0.52Al_0.48As；

(8)最后以衬底温度530℃生长厚度约0.6μm高掺杂Be的InP上接触层，p＞2×10¹⁸cm^-3

(9)结束生长，在保护气氛下降温，取出外延材料进行必要的测试和器件工艺制作。