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InGaAs的吸收谱为1～1.6μm，可覆盖光纤通信的光波范围，是制作光通信波段光电探测器的理想材料。InGaAs和InP材料可以做到完全的晶格匹配而得到高质量的In0.53Ga0.47As／InP材料体系且它的电子迁移率非常高。这些特点使得InGaAs／InP PIN光电探测器具有极高的响应速度和很小的暗电流，广泛应用于通信、红外遥感、光学检测等领域中。
为了有效地检测微弱信号，多波长分光系统和半导体微型光谱仪中的光电探测器都需要有较高的响应度。所以，通过优化探测器的外延层结构制作了—种高响应度的平面型InGaAs／InP PIN光电探测器。
2 器件设计与制作
光电探测器的响应度表征了探测器将入射光信号转换为电信号的能力。若α为材料的吸收系数，Rf为入射面的反射率，ω为吸收层的厚度，则响应度R可表示为
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由式(1)可见，可通过以下方法优化探测器的材料和结构来提高器件的响应度。
首先，引入合适的增透膜。为了提高器件的响应度，可以在探测器的入射面制作一层介质增透膜以减少光反射率。对于InP／InGaAs PIN探测器，氮化硅是一种理想的增透膜。当探测器用于λ1～λ2波段的光谱探测时，为了能使该波段的透射率比较均匀，增透膜的厚度一般取该波段的中心波长对应的膜厚，即d=λ／4n(其中d为增透膜的厚度，λ=λ1+λ2)／2为中心波长，n为增透膜折射率)。我们制作的探测器主要用于1000～1600 nm光谱的测量，当氮化硅的折射率取n=1.86时，则氮化硅增透膜的厚度d=1300／(4×1.86)=175(nm)，此时增透膜的增透效果最好。
其次，设计合适的耗尽层宽度。在一定波长范围内，InP／InGaAs PIN探测器的响应度与量子效率呈对应关系，二者都是波长的函数。但是探测器的响应度和频率相互制约且都与耗尽层的宽度有关。所以，设计器件时耗尽层的厚度选择至关重要，它影响着器件的量子效率和频率。由于本文主要研究如何制得高响应度的探测器，所以在适当兼顾频率的条件下，结合PIN探测器的耗尽层厚度与量子效率和频率的关系曲线，最终选取InGaAs本征吸收层的厚度为3 μm。
另外，InGaAs／InP PIN探测器中光敏区的电场分布情况也会影响器件的响应度。为了提高器件的响应度，用Ansys软件模拟了光敏区周围的欧姆接触电极选择不同形状时，光敏区对应的的电场分布情况。从模拟结果可以看出，当欧姆接触电极为长方形时，光敏区中央部分的电场分布比较均匀，但四个边角处的电场都很大，这种情况的出现容易导致探测器发生击穿。可见，当探测器的欧姆接触电极的图形存在尖角时，容易导致光敏区的电场分布不均匀。图1示出了利于光敏区电场均匀分布的探测器芯片的显微照片。由图1可见，光敏区周围的欧姆接触电极的图形避免了尖角的出现，从而提高了光敏区电场分布的均匀性。
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本文制作了正面人光的平面型InGaAs／InPPIN探测器，其结构如图2所示。首先采用MOCVD技术在低阻值的InP衬底上生长0.5μm的InP缓冲层，再生长3 μm的本征In0.53Ga0.47As吸收层；其次在本征吸收层上生长1 μm的弱n型InP盖层，用PECVD技术淀积0.2 μm的Si3N4扩散掩膜层，采用闭管扩散工艺将Zn3P2扩散进InP盖层形成p型光敏区。接着用Au／Zn／Au制作p-InP欧姆接触，减薄衬底至200μm，再用Au／Ge／Ni／Au制作n-InP欧姆接触。最后在光敏区上淀积0.175μm的Si3N4增透膜并用同轴封装方式完成器件的制作。
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3 结果与讨论
采用上述工艺制作了平面型InGaAs／InP PIN红外探测器并测量了其光谱响应，结果如图3所示。
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由图3可见，光谱响应曲线存在明显的起伏形状，在1000～1590nm波段是波浪式的上升并产牛多个峰谷，而在1590 nm以后急剧下降。响应度的波浪式上升是由于入射光在多层界面间的多次反射，导致表面透射率随波长呈现明显的起伏。由图3还可以看出响应度曲线在1590 nm以后急剧下降，同时InP晶片的透射率也是急剧下降，两者下降的一致性说明了响应度的下降主要是由于InP材料的吸收引起的，初步估计是自由载流子在同一带内的跃迁引起的吸收造成的。测量探测器在1550nm单一波长的激光辐照下不同反向偏压时的响应度曲线，如图4所示。由图4可见，探测器在5 V反向偏压下其响应度可达0.95 A／W，而且随着反向偏压的增大，器件的响应度继续增加。这足由于随着反向偏压的增大，耗尽层的宽度逐渐增加使得入射光子的量子效率增加。由式(1)可知，在一定波长下，量子效率和响应度呈线性关系，所以随着，反向偏压的增大器件的响应度逐渐增加。