一种基于多级级联结构的中红外波导集成探测器的制作方法

本发明涉及半导体，尤其涉及一种基于多级级联结构的中红外波导集成探测器。

背景技术：

1、红外探测在航天、工业、医疗以及日常生活等方面均有广泛的应用。在光学差分探测，双光梳光谱测量，自由空间通信等应用中，需要红外探测器有很高的响应速度。中红外波段包括很多气体的特征吸收谱，中红外探测器可以用于多种气体和液体的成分检测。在光学差分探测方法中，探测的拍频信号在1s内有上百万个周期，信号脉冲的探测要求探测器有很高的响应速度；双光梳光谱测量应用中，为了提高分辨率，需要光频梳的重复频率尽量小，在时域上表现为光脉冲序列的周期尽量短，这也要求红外探测器具有尽量高的响应速度，才能有效探测到光频梳中的脉冲信号。中红外波段是大气的一个透过窗口，在自由空间光通信中具有安全性高的特点，为了实现海量数据传输的中红外光通信，同样需要高带宽和高灵敏的中红外探测器。

2、探测器的响应时间主要由光生载流子通过漂移或扩散从产生到被收集的时间决定。传统的中红外探测器，光垂直于器件表面入射，提高响应速度的方法是减小吸收区的厚度，但同时会导致量子效率和探测率的降低。而在波导探测器中，光入射方向和光生载流子运动方向是垂直的，吸收区厚度可以比垂直入射探测器短，解决了响应速度和量子效率的矛盾。

3、为了提高探测器的响应速度，波导集成探测器中的吸收区厚度一般在几百纳米，为了实现对入射光的充分吸收，需要增加器件长度，但是暗电流也会随着器件长度的增加而提高，这限制了中红外波导探测器的灵敏度。因此，本领域亟需发展一种高灵敏度和高响应速度的中红外探测器。

技术实现思路

1、本发明的目的为提供一种基于多级级联结构的中红外波导集成探测器，以解决现有的探测器无法同时满足高灵敏度和高响应速度的问题。

2、为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明提供了一种基于多级级联结构的中红外波导集成探测器，所述中红外波导集成探测器由下至上顺次包括衬底、下包层、下波导层、上包层、上波导层和顶部接触层；其中上波导层包括2～10周期级联结构的吸收层。

4、作为优选，所述衬底为inas衬底；所述衬底的厚度为400～600μm。

5、作为优选，所述下包层的材质为inas；所述下包层的厚度为1000～2500nm；所述下包层中，n型掺杂浓度为1×1018～5×1018cm-3。

6、作为优选，所述下波导层的材质为gaasxsb1-x，其中，x为0.01～0.1；所述下波导层的厚度为500～2000nm。

7、作为优选，所述上包层的材质为inas；所述上包层的厚度为500～1500nm；所述上包层中，n型掺杂浓度为1×1018～5×1018cm-3。

8、作为优选，所述上波导层包括2～10周期相同的级联结构的吸收层；所述上波导层中，每个周期级联结构的吸收层由下至上顺次包括弛豫区、吸收区和隧穿区。

9、作为优选，所述弛豫区包括3～10个inas/alasxsb1-x量子阱，其中，x为0.1～0.2；每个量子阱中，inas的厚度独立的为3～10nm，alasxsb1-x的厚度独立的为1～4nm；所述弛豫区中，n型掺杂浓度为5×1015～2×1016cm-3。

10、作为优选，所述吸收区包括20～100周期inas/gaasxsb1-x超晶格，其中，x为0.01～0.1；每周期超晶格中，inas的厚度独立的为1～3nm，gaasxsb1-x的厚度独立的为1～4nm；所述吸收区中，p型掺杂浓度为5×1015～5×1016cm-3。

11、作为优选，所述隧穿区包括2～10周期gaasxsb1-x/alasxsb1-x超晶格，其中，x为0.01～0.2；每周期超晶格中，gaasxsb1-x的厚度独立的为2～4nm，alasxsb1-x的厚度独立的为1～4nm；所述隧穿区中，p型掺杂浓度为5×1015～2×1016cm-3。

12、作为优选，所述顶部接触层的材质为gaasxsb1-x，其中，x为0.01～0.1；所述顶部接触层的厚度为10～100nm；所述顶部接触层中，n型掺杂浓度为1×1018～5×1018cm-3。

13、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明有益效果如下：

14、本发明的中红外波导集成探测器，上波导层中包含多级级联结构吸收层，可以提高对入射光的吸收效率，降低吸收长度，为研制高灵敏度和高响应速度的中红外探测器提供了新方法。

技术特征：

1.一种基于多级级联结构的中红外波导集成探测器，其特征在于，所述中红外波导集成探测器由下至上顺次包括衬底、下包层、下波导层、上包层、上波导层和顶部接触层；其中上波导层包括2～10周期级联结构的吸收层。

2.根据权利要求1所述基于多级级联结构的中红外波导集成探测器，其特征在于，所述衬底为inas衬底；所述衬底的厚度为400～600μm。

3.根据权利要求2所述基于多级级联结构的中红外波导集成探测器，其特征在于，所述下包层的材质为inas；所述下包层的厚度为1000～2500nm；所述下包层中，n型掺杂浓度为1×1018～5×1018cm-3。

4.根据权利要求1～3任一项所述基于多级级联结构的中红外波导集成探测器，其特征在于，所述下波导层的材质为gaasxsb1-x，其中，x为0.01～0.1；所述下波导层的厚度为500～2000nm。

5.根据权利要求4所述基于多级级联结构的中红外波导集成探测器，其特征在于，所述上包层的材质为inas；所述上包层的厚度为500～1500nm；所述上包层中，n型掺杂浓度为1×1018～5×1018cm-3。

6.根据权利要求1、2、3或5所述基于多级级联结构的中红外波导集成探测器，其特征在于，所述上波导层包括2～10周期相同的级联结构的吸收层；所述上波导层中，每个周期级联结构的吸收层由下至上顺次包括弛豫区、吸收区和隧穿区。

7.根据权利要求6所述基于多级级联结构的中红外波导集成探测器，其特征在于，所述弛豫区包括3～10个inas/alasxsb1-x量子阱，其中，x为0.1～0.2；每个量子阱中，inas的厚度独立的为3～10nm，alasxsb1-x的厚度独立的为1～4nm；所述弛豫区中，n型掺杂浓度为5×1015～2×1016cm-3。

8.根据权利要求7所述基于多级级联结构的中红外波导集成探测器，其特征在于，所述吸收区包括20～100周期inas/gaasxsb1-x超晶格，其中，x为0.01～0.1；每周期超晶格中，inas的厚度独立的为1～3nm，gaasxsb1-x的厚度独立的为1～4nm；所述吸收区中，p型掺杂浓度为5×1015～5×1016cm-3。

9.根据权利要求7或8所述基于多级级联结构的中红外波导集成探测器，其特征在于，所述隧穿区包括2～10周期gaasxsb1-x/alasxsb1-x超晶格，其中，x为0.01～0.2；每周期超晶格中，gaasxsb1-x的厚度独立的为2～4nm，alasxsb1-x的厚度独立的为1～4nm；所述隧穿区中，p型掺杂浓度为5×1015～2×1016cm-3。

10.根据权利要求1所述基于多级级联结构的中红外波导集成探测器，其特征在于，所述顶部接触层的材质为gaasxsb1-x，其中，x为0.01～0.1；所述顶部接触层的厚度为10～100nm；所述顶部接触层中，n型掺杂浓度为1×1018～5×1018cm-3。

技术总结
本发明属于半导体技术领域，本发明公开了一种基于多级级联结构的中红外波导集成探测器。本发明所述中红外波导集成探测器由下至上依次包括衬底、下包层、下波导层、上包层、上波导层和顶部接触层；其中上波导层包括若干周期级联结构的吸收层；所述每个周期级联结构的吸收层由下至上依次包括弛豫区、吸收区和隧穿区。本发明采用多级级联结构的吸收层，可以有效减小吸收长度，提高探测器的灵敏度和响应速度。

技术研发人员：柴旭良,周易,陈建新
受保护的技术使用者：国科大杭州高等研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13