一种具有透明电极的铟镓砷光电探测器

摘要

本发明公开了一种具有透明电极的InGaAs光电探测器，其中正面透明电极由石墨烯构成。石墨烯通过化学气相沉积转移法制备，置于InP帽层之上，作为环形正电极，取代传统的金属电极。石墨烯因其优越的透光性能，在相同光敏台面的情况下，可以大大提高器件的光谱响应度和耦合效率。

说明书

技术领域

本发明涉及光电探测器领域，特别涉及一种铟镓砷光电探测 器。

背景技术

以光子作为传播载体的光纤通讯，在过去的几十年间得到了飞 速发展。作为光纤通讯的重要组成部分，光电探测器对于光纤通讯 至关重要，光电探测器的响应频率直接决定着光纤通讯的传输速 率。光纤通讯的特征波长是1.31um和1.55um，而这恰好与 In_0.53Ga_0.47As(以下以InGaAs替代In_0.53Ga_0.47As)材料的光谱响应曲 线匹配。因此，基于InGaAs的PIN光电探测器成为了光纤通讯的 首选。

为了获得更高的响应速率，InGaAs探测器要求有更小的光敏区 面积，以减小器件的结电容，而光敏区面积的减小会导致器件的响 应度下降，探测能力受到影响，因此，在设计InGaAs光电探测器 结构时，应同时考虑这两方面的影响。对于选定的光敏区面积，传 统器件一般采用蒸镀金属，制备环形金属电极。环形金属电极覆盖 区域不能透光，因此，实际的受光区面积，小于P型半导体区域的 面积，这将导致光电探测器的响应度降低。

石墨烯材料从被发现开始，迅速成为材料界的研究热点。这种 二维单原子层的碳材料具有超高的导电性和导热性，极强的机械强 度和气密性，在很宽的光谱范围内透光率超过97％，是天然的透明 电极的极佳选择。

发明内容

本发明旨在提供一种具有透明电极的InGaAs光电探测器结构， 用以解决现有InGaAs光电探测器因为使用不透光的金属作为正电 极导致的光电探测率降低的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

a)选用一N型掺杂InP衬底，在其上通过外延生长非掺杂InP缓冲层、 本征InGaAs吸收层、P型掺杂InP帽层；

b)选用一表面有二氧化硅的硅衬底，在其上蒸镀一层金属镍(Ni)；

c)将b步骤中制备的衬底，放入化学气相沉积系统中，通入甲烷(CH₄) 和氢气(H₂)，在氩气(Ar)气氛下高温裂解，生成石墨烯；

d)通过刻蚀掉金属镍，将石墨烯与硅衬底分离，然后转移至a步骤制 备的外延片表面；

e)通过反应离子刻蚀(RIE)，制备环形石墨烯正电极；

f)通过湿法或干法刻蚀出光敏区台面，然后旋涂聚酰亚胺进行钝化；

g)蒸镀压焊区金属，然后表面蒸镀一层SiN膜，作为器件的减反射膜；

h)通过干法刻蚀掉压焊区的SiN，减薄衬底，蒸镀N型金属电极电极。

本发明以台面型器件结构为例，作为该发明方法的说明，但需注 意，本发明同样适用于平面型器件结构。

本发明与传统的铟镓砷光电探测器相比，正电极采用透明的石墨 烯材料。假设环形正电极的宽度为d um，P型台面的半径为R um，则 采用透明电极后，受光区面积增加了π(R²-(R-d)²)um²，相应的， 光电探测率也大大提高。对于InGaAs光电探测器来说，正电极必须有 一定的宽度(导电性以及工艺精度的要求)，因此，当R越小，此种结 构的效果就越明显。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案。需要说明的是， 附图只是为了便于理解，并不是与实际结构等比例的。

附图中：1为N型掺杂InP衬底；2为非掺杂InP缓冲层；3为 本征InGaAs吸收层；4为P型掺杂InP帽层；5为石墨烯；6为钝 化层；7为压焊区金属；8为减反层；9为N型金属电极；101为硅 衬底；102为二氧化硅；103为金属镍。

图1在N型掺杂InP衬底上，通过外延生长非掺杂InP缓冲层、 本征InGaAs吸收层、P型掺杂InP帽层；

图2化学气相沉积方法制备石墨烯；

图3石墨烯转移至InGaAs光电探测器外延片表面；

图4刻蚀出环形石墨烯电极图形；

图5刻蚀出光敏区台面；

图6对台面进行钝化；

图7制备压焊区金属；

图8制备减反层；制备N型金属电极。

具体实施方式

实施例1：

首先，选用一N型掺杂的InP衬底，在其上通过外延生长非掺 杂InP缓冲层(0.5μm)、本征InGaAs吸收层(1.5μm)、P型掺杂 InP帽层(2e18,0.5μm)。

选用一表面有二氧化硅的硅衬底，在其上蒸镀300nm的金属镍， 然后放置在化学气相沉积反应室内。加热到900℃，在氩气气氛下， 通入甲烷和氢气，生成石墨烯。反应完成后，将生长有石墨烯的衬 底片浸泡于三氯化铁(FeCl₃)溶液中，刻蚀掉金属镍，使石墨烯与 衬底分离。然后将石墨烯材料转移至InGaAs探测器外延片表面。

外延片表面旋涂光刻胶，曝光显影，然后通过反应离子刻蚀 (RIE)通氧气刻蚀掉不需要的石墨烯，制备环形石墨烯电极。旋 涂光刻胶，曝光显影，然后通过湿法刻蚀，腐蚀出光敏区台面图形。 旋涂聚酰亚胺，通过光刻显影，去除光敏区上的聚酰亚胺，然后退 火形成钝化层。再次匀胶光刻，蒸镀压焊区金属图形。然后用等离 子体增强化学气相沉积(PECVD)方法制备一层氮化硅(SiN)减反 层。最后减薄衬底至100μm，抛光，蒸镀N型金属电极。器件制备 完成。