APD红外探测器及其制作方法技术

本发明专利技术公开了APD红外探测器及其制作方法，APD红外探测器包括APD及与其相结合的光子耦合腔；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；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；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；金属光栅层为同心的多环金属环结构；金属反射层为两个同心金属环结构。本发明专利技术在APD红外探测器的p+-InP结上形成MIM结构的耦合汇聚光栅，通过对入射光的汇聚来缩小APD器件的p+-InP结尺寸，缩小器件的电学有效工作尺寸，从而可以在材料和器件制备工艺走到工艺极限时，在不损失量子效率下进一步抑制暗计数。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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Aro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，Aro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Aro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50 μ m，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。
技术实现思路
本专利技术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。实现本专利技术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Aro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-金属稱合汇聚光栅结构；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z = ^^她=1 μ m，光栅常数D为相邻两个金属环之间的间距，D =O. 4 μ m,占空比f = D/L = O. 4/1 ;所述金属反射层的两个金属环之间的距离Dl = O. 5 μ m。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。本专利技术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。实现本专利技术第二个目的的技术方案是一种Aro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；⑥在透明介质层上正胶电子束光刻金属阻挡环，再刻蚀穿透明介质层的SiO2薄膜，在透明介质层外围沉积Au形成金属阻挡环；。⑦在透明介质层上正胶电子束光刻金属光栅层，再沉积Au形成金属光栅层；金属光栅层的参数如下周期长度L = IOOOnm,占空比f = O. 4/1,光栅为圆环型结构。所述第①步中的p+_InP结的直径为6μπι;所述第②步中的Ti/Pt/Au电极的厚度为200/300/1500埃，P电极的直径为2400nm ;所述第③步中的金属反射层的厚度为200nm, Au带宽度为560nm ;所述第④步中填充通光孔的SiO2薄膜的厚度为200nm ;所述第⑤步中的透明介质层的SiO2薄膜的厚度为IlOOnm ;所述第⑥步中的金属阻挡环的宽度为O. 56-2 μ m ;所述第⑦步中的金属光栅层的厚度为200nm，直径为50 μ m。采用了上述技术方案后，本专利技术具有以下的有益效果(1)耦合汇聚光栅结构的上层金属耦合透射光栅，是通过周期性结构激发金属表面耦合模式和缝的波导耦合模式，能达到增强透射的目的，本专利技术通过在APD红外探测器的p+_InP结上形成金属-介质-金属结构的稱合汇聚光栅，将APD红外探测器和稱合汇聚光栅结构相结合,可以通过对入射光的汇聚，来缩小AH)器件的p+-InP结尺寸，缩小器件的有效工作尺寸，从而可以在材料和器件制备工艺走到工艺极限时，在不损失量子效率前提下进一步抑制暗计数。(2)本专利技术为了提高APD的探测响应灵敏度，得到更大的倍增因子M，需要有适当的雪崩长度，因此本专利技术选用吸收、渐变、电荷、倍增层分离结构的APD。(3)本专利技术的制作方法步骤清晰简单，易于实际操作，实用性强。附图说明为了使本专利技术的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本专利技术作进一步详细的说明，其中 图I为本专利技术的APD红外探测器的结构示意图。图2为图I的中心纵向垂直截面示意图。图3为图I的中心横向垂直截面示意图。图4为本专利技术的金属光栅层的光透过率。图5为本专利技术的APD红外探测器在金属反射层下方I μ m处的光透过率。图6为本专利技术的APD红外探测器的电场分布。附图中标号为APDl、p+_InP结2、金属反射层3、P电极4、透明介质层5、金属阻挡环6、金属光栅层7、通光孔8。具体实施例方式(实施例I)见图I、图2和图3，本实施例的APD红外探测器，包括APDl及与其相结合的光子耦合腔。APDl为相应响应波长峰值为λ = 1550nm左右的吸收、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。光子耦合腔包括金属反射层3、P电极4、透明介质层5、金属阻挡环6和金属光栅层7，形成圆环型的金属-介质-金属(MIM)耦合汇聚光栅结构。P电极4、金属反射层3、透明介质层5和金属光栅层7按照从下向上的顺序依次生长在APDl的p+-InP结2上，各中心对准；金属反射层3为Au反射层，为两个同心Au环结构，厚度为200nm,两个Au环之间的距离Dl = O. 5L μ 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种APD红外探测器，其特征在于：包括APD(1)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(3)、透明介质层(5)、金属阻挡环(6)和金属光栅层(7)；所述金属反射层(3)、透明介质层(5)和金属光栅层(7)按照从下向上的顺序依次生长在APD(1)的p+？InP结(2)上；所述金属阻挡环(6)位于透明介质层(5)的外围，并连接金属反射层(3)和金属光栅层(7)；所述金属光栅层(7)为同心的多环金属环结构；所述金属反射层(3)为两个同心金属环结构。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陆卫，李倩，曾巧玉，陈效双，王文娟，李宁，李志锋，
申请(专利权)人：常州光电技术研究所，中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：