一种基于砷化镓衬底的锗雪崩光电探测器的制作方法

摘要

本发明具体公开了一种基于砷化镓衬底的锗雪崩光电探测器的制作方法，所述方法包括以下步骤：S1、将半绝缘砷化镓衬底送入MBE腔中去除表面氧化层；S2、在去除表面氧化层的半绝缘砷化镓衬底上生长一层砷化镓n型接触层；S3、在砷化镓n型接触层上生长一层非掺杂砷化镓雪崩倍增层；S4、在非掺杂砷化镓雪崩倍增层上生长一层p型砷化镓电子调节层；S5、在p型砷化镓电子调节层上生长一层非掺杂锗吸收层；S6、将步骤S5获得的砷化镓衬底通过真空传输输送至用于锗生长的MBE腔内并在砷化镓衬底上生长一层锗p型接触层，从而获得基于砷化镓衬底的锗雪崩光电探测器。本发明通过将晶格匹配的锗材料外延生长在砷化镓衬底上，有效减少了器件的暗电流和制造成本。

权利要求

1.一种基于砷化镓衬底的锗雪崩光电探测器的制作方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、将半绝缘砷化镓衬底送入砷化镓材质的MBE腔中去除其表面氧化层；

S2、在去除表面氧化层的半绝缘砷化镓衬底上生长一层砷化镓n型接触层；

S3、在砷化镓n型接触层上生长一层非掺杂砷化镓雪崩倍增层；

S4、在非掺杂砷化镓雪崩倍增层上生长一层p型砷化镓电子调节层，完成半绝缘砷化镓衬底的砷化镓部分生长；

S5、将步骤S4中完成砷化镓部分生长的半绝缘砷化镓衬底通过真空传输输送至锗材质的MBE腔内并在p型砷化镓电子调节层上生长一层非掺杂锗吸收层；

S6、在非掺杂锗吸收层上生长一层锗p型接触层，从而获得基于砷化镓衬底的锗雪崩光电探测器。

2.如权利要求1所述的基于砷化镓衬底的锗雪崩光电探测器的制作方法，其特征在于，所述步骤S1具体实现方式为：将半绝缘砷化镓衬底送入温度为500‑650℃之间的砷化镓材质的MBE腔内进行高温脱氧处理，进而去除半绝缘砷化镓衬底的表面氧化层。

3.如权利要求2所述的基于砷化镓衬底的锗雪崩光电探测器的制作方法，其特征在于，所述半绝缘砷化镓衬底为非掺杂。

4.如权利要求3所述的基于砷化镓衬底的锗雪崩光电探测器的制作方法，其特征在于，所述步骤S2具体实现方式为：控制砷化镓材质的MBE腔内温度在500‑600℃之间，砷化镓材

17 18 ‑3

质载流子浓度在1×10 ‑5×10 cm 之间，使去除表面氧化层的砷化镓衬底上生长一层厚度为150‑300nm的砷化镓n型接触层，生长速率为每秒钟0.1–1原子层。

5.如权利要求4所述的基于砷化镓衬底的锗雪崩光电探测器的制作方法，其特征在于，所述步骤S3具体实现方式为：控制砷化镓材质的MBE腔内保持温度在500‑600℃之间，并在砷化镓n型接触层上生长一层厚度为100‑500nm的非掺杂雪崩倍增层。

6.如权利要求5所述的基于砷化镓衬底的锗雪崩光电探测器的制作方法，其特征在于，所述步骤S4具体实现方式为：控制砷化镓材质的MBE腔内保持温度在500‑600℃之间，砷化

17 18 ‑3

镓材质载流子浓度在1.0×10 ‑1.0×10 cm 之间，并在非掺杂雪崩倍增层上生长一层厚度为10‑100nm的p型砷化镓电子调节层。

7.如权利要求6所述的基于砷化镓衬底的锗雪崩光电探测器的制作方法，其特征在于，所述步骤S5具体实现方式为：将步骤S4中完成砷化镓部分生长的半绝缘砷化镓衬底通过真空传输输送至锗材质的MBE腔内并控制锗材质的MBE腔中温度处于400‑600℃之间，并在p型砷化镓电子调节层上生长一层厚度为500‑1500nm的非掺杂锗吸收层。

8.如权利要求7所述的基于砷化镓衬底的锗雪崩光电探测器的制作方法，其特征在于，所述步骤S6具体实现方式为：控制锗材质的MBE腔中温度在400‑600℃之间，锗材质载流子

19 19 ‑3

浓度在2×10 ‑5×10 cm 之间，然后在非掺杂锗吸收层上生长一层厚度为50‑200nm的锗p型接触层，进而获得基于砷化镓衬底的锗雪崩光电探测器。

说明书

一种基于砷化镓衬底的锗雪崩光电探测器的制作方法

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体衬底技术领域，尤其涉及一种基于砷化镓衬底的锗雪崩光电探测器的制作方法。

背景技术

[0002] 随着互联网的爆炸性发展，对于信息传输的需求越来越大。在波分复用系统中，雪崩光电探测器(Avalanche Photodiode Detectors,APD)有着广泛的应用。APD是一种在施
加高反向电压的情况下，利用雪崩倍增效应来提高光检测敏感度的光探测器。APD结构中主
要为两部分，光吸收区和雪崩倍增区。现阶段比较成熟的产品为锗硅APD，即利用锗材料本
身吸收波长处于通讯波段的特点作为光吸收区，用硅做雪崩倍增区。但由于锗硅之间晶格
不匹配，造成一定数量的位错，从而导致APD中暗电流的增大。

[0003] 在传统InGaAs/InP(砷化镓铟/磷化铟)APD器件中，由于InP(磷化铟)晶圆尺寸(最大为4英寸)以及制作成本限制，无法将其总成本降低。而将APD器件生长在6英寸GaAs(砷化
镓)晶圆上可将制作成本巨幅减少。同时通讯波段的GaAs基的APD因为需要使用到应力材料
(如InGaAs),暗电流会因为产生的位错而增加，从而影响信噪比。将APD性能与成本有效兼
容将会是新一代商用APD的主要特点。

[0004] 鉴于此，研究一种低暗电流和低成本的基于砷化镓衬底的锗雪崩光电探测器的制作方法是光电技术领域技术人员亟待解决的重要问题之一。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种基于砷化镓衬底的锗雪崩光电探测器的制作方法，所述方法利用MBE设备在砷化镓衬底上制备数层砷化镓和锗外延层。该方法能够有效抑制位错
缺陷所带来的暗电流，从而提高了包括响应度等器件性能。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明提供一种基于砷化镓衬底的锗雪崩光电探测器的制作方法，所述方法包括以下步骤：

[0007] S1、将半绝缘砷化镓衬底送入砷化镓材质的MBE腔中去除其表面氧化层；

[0008] S2、在去除表面氧化层的半绝缘砷化镓衬底上生长一层砷化镓n型接触层；

[0009] S3、在砷化镓n型接触层上生长一层非掺杂砷化镓雪崩倍增层；

[0010] S4、在非掺杂砷化镓雪崩倍增层上生长一层p型砷化镓电子调节层，完成半绝缘砷化镓衬底的砷化镓部分生长；

[0011] S5、将步骤S4中完成砷化镓部分生长的半绝缘砷化镓衬底通过真空传输输送至锗材质的MBE腔内并在p型砷化镓电子调节层上生长一层非掺杂锗吸收层；

[0012] S6、在非掺杂锗吸收层上生长一层锗p型接触层，从而获得基于砷化镓衬底的锗雪崩光电探测器。

[0013] 优选地，所述步骤S1具体实现方式为：将半绝缘砷化镓衬底送入温度为500‑650℃之间的砷化镓材质的MBE腔内进行高温脱氧处理，进而去除半绝缘砷化镓衬底的表面氧化
层。

[0014] 优选地，所述半绝缘砷化镓衬底为非掺杂。

[0015] 优选地，所述步骤S2具体实现方式为：控制砷化镓材质的MBE腔内温度在500‑60017 18 ‑3
℃之间，其载流子浓度在1×10 ‑5×10 cm 之间，使去除表面氧化层的砷化镓衬底上生长
一层厚度为150‑300nm的砷化镓n型接触层，生长速率为每秒钟0.1–1原子层。

[0016] 优选地，所述步骤S3具体实现方式为：控制砷化镓材质的MBE腔内保持温度在500‑600℃之间，并在砷化镓n型接触层上生长一层厚度为100‑500nm的非掺杂雪崩倍增层。

[0017] 优选地，所述步骤S4具体实现方式为：控制砷化镓材质的MBE腔内保持温度在500‑17 18 ‑3
600℃之间，其载流子浓度在1.0×10 ‑1.0×10 cm 之间，并在非掺杂雪崩倍增层上生长
一层厚度为10‑100nm的p型砷化镓电子调节层。

[0018] 优选地，所述步骤S5具体实现方式为：将步骤S4中完成砷化镓部分生长的半绝缘砷化镓衬底通过真空传输输送至锗材质的MBE腔内并控制锗材质的MBE腔中温度处于400‑
600℃之间，并在p型砷化镓电子调节层上生长一层厚度为500‑1500nm的非掺杂锗吸收层。

[0019] 优选地，所述步骤S6具体实现方式为：控制锗材质的MBE腔中温度在400‑600℃之19 19 ‑3
间，其载流子浓度在2×10 ‑5×10 cm 之间，然后在非掺杂锗吸收层上生长一层厚度为
50‑200nm的锗p型接触层，进而获得基于砷化镓衬底的锗雪崩光电探测器。

[0020] 与现有技术比较，本发明首先将半绝缘砷化镓衬底送入砷化镓材质的MBE腔内去除表面氧化层，并在去除表面氧化层的半绝缘砷化镓衬底上进行砷化镓部分生长，然后将
完成砷化镓部分生长的半绝缘砷化镓衬底通过真空传输输送至锗材质的MBE腔内进行锗材
料生长，实现了将锗材料外延到半绝缘砷化镓衬底上，有效地将III‑V族材料和IV族材料有
效结合起来。本发明通过将晶格匹配的锗材料外延生长在砷化镓衬底上，使得砷化镓衬底
上无反向畴和高密度位错，因此能够有效减少砷化镓衬底上的锗雪崩光电探测器暗电流及
其制造成本。

附图说明

[0021] 图1是本发明一种基于砷化镓衬底的锗雪崩光电探测器制作方法的流程图，

[0022] 图2是本发明一种基于砷化镓衬底的锗雪崩光电探测器的结构图。

具体实施方式

[0023] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

[0024] 图1示出了本发明提出的基于砷化镓衬底的锗雪崩光电探测器制作方法的流程图。

[0025] 图2示出了本发明提出的基于砷化镓衬底的锗雪崩光电探测器的结构图。如图2所示，基于砷化镓衬底的锗雪崩光电探测器包括：半绝缘砷化镓衬底(GaAs衬底)，砷化镓n型
接触层(200nm n型GaAs接触层)，非掺杂砷化镓雪崩倍增层(300nm GaAs雪崩倍增层)，砷化
镓电子调节层(50nm p型GaAs电子调节层)，非掺杂锗吸收层(1000nm Ge吸收层)，锗p型接
触层(200nm p型Ge接触层)。

[0026] 如图1～图2所示，一种基于砷化镓衬底的锗雪崩光电探测器的制作方法，所述方法包括以下步骤：

[0027] S1、将半绝缘砷化镓衬底送入砷化镓材质的MBE腔中去除其表面氧化层；

[0028] 在半绝缘砷化镓衬底表面氧化层去除过程中，通过控制砷化镓材质的MBE(Molecular beam epitaxy，分子束外延)腔中的温度在600℃对半绝缘砷化镓衬底进行高
温脱氧处理，从而去除其表面氧化层。

[0029] S2、在去除表面氧化层的半绝缘砷化镓衬底上生长一层砷化镓n型接触层；

[0030] 在砷化镓n型接触层生长过程中，控制砷化镓材质的MBE腔内温度在580℃，然后在去除表面氧化层的半绝缘砷化镓衬底上生长一层厚度为200nm的砷化镓n型接触层，其n型
18 ‑3
载流子浓度为2×10 cm 。

[0031] S3、在砷化镓n型接触层上生长一层非掺杂砷化镓雪崩倍增层；

[0032] 在非掺杂砷化镓雪崩倍增层生长过程中，控制砷化镓材质的MBE腔内温度在580℃，然后在砷化镓n型接触层表面上生长一层厚度为300nm的非掺杂砷化镓雪崩倍增层。

[0033] S4、在非掺杂砷化镓雪崩倍增层上生长一层p型砷化镓电子调节层，完成半绝缘砷化镓衬底的砷化镓部分生长；

[0034] 在p型砷化镓电子调节层生长过程中，控制砷化镓材质的MBE腔内温度为580℃，然后在非掺杂雪崩倍增层上生长一层厚度为50nm的p型砷化镓电子调节层，其载流子浓度在
17 ‑3
5.0×10 cm ，即，完成半绝缘砷化镓衬底的砷化镓部分生长。

[0035] S5、在p型砷化镓电子调节层上生长一层非掺杂锗吸收层；

[0036] 在非掺杂锗吸收层5生长过程中，首先将步骤S4中完成砷化镓部分生长的半绝缘砷化镓衬底通过真空传输输送至锗材质的MBE腔内并控制锗材质的MBE腔内温度在500℃，
然后在p型砷化镓电子调节层上生长一层厚度为1000nm的非掺杂锗吸收层。

[0037] S6、在非掺杂锗吸收层上生长一层锗p型接触层，从而获得基于砷化镓衬底的锗雪崩光电探测器。

[0038] 在锗p型接触层生长过程中，控制锗材料MBE腔内温度为500℃，然后在非掺杂锗吸19 ‑3
收层5上生长一层厚度为200nm的锗p型接触层，其载流子浓度保持在2.0×10 cm ，从而获
得基于砷化镓衬底的锗雪崩光电探测器。

[0039] 本实施例中，首先将半绝缘砷化镓衬底送入砷化镓材质的MBE腔内去除表面氧化层，并在去除表面氧化层的半绝缘砷化镓衬底上进行砷化镓部分生长，然后将完成砷化镓
部分生长的半绝缘砷化镓衬底通过真空传输输送至锗材质的MBE腔内进行锗材料生长，实
现了将锗材料外延到半绝缘砷化镓衬底上，有效地将III‑V族材料和IV族材料有效结合起
来，通过将晶格匹配的锗材料外延生长在砷化镓衬底上，使得砷化镓衬底上无反向畴和高
密度位错，因此减少了半绝缘砷化镓衬底上的锗雪崩光电探测器暗电流及其制造成本。

[0040] 以上对本发明所提供的一种基于砷化镓衬底的锗雪崩光电探测器的制作方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施
例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人
员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和
修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。