CN101545884A - InGaAs/InP平面型光电探测器扩散结的检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种InGaAs/InP平面型光电探测器扩散结的检测方法，包括步骤：待测晶片或器件经过扩散区域的剖面试样制备，剖面上扩散区及其附近区域微分电容显微分布的侦测，由微分电容显微分布特征确定PN结的位置和扩散深度。该方法适用于小尺寸的扩散窗口和平面型光电探测器光敏单元检测，空间分辨高并能提供侧向扩散深度的信息。
Description
技术领域
本发明是有关一种半导体元件的检测方法，特别是关于一种InGaAs/InP平面型光电探测器扩散结的检测方法。
背景技术
半导体光电探测器是实现光电信息转换的传感器件。在近红外波段(光波波长：1～3微米)，InGaAs/InP因其优异的材料特性而成为该波段光电探测器的主要应用材料。InGaAs/InP探测器结构主要分为平面型和台面型两类；其中平面型结构避免了台面器件侧壁带来的漏电和表面复合等影响光电效率的因素，能够得到较好的探测性能，因此在InGaAs/InP的两种主要光电探测器：雪崩光电二极管(APD)和PIN近红外探测器中均被广泛采用。平面型器件结构中PN结的制备一般采用p型杂质扩散形成扩散结的方法，先在外延晶片表面沉积扩散掩模，然后在掩模上选择腐蚀形成扩散窗口，再采用Zn等杂质扩散的方法在i-InP顶层实现p型掺杂(扩散结)。在平面型InGaAs/InP器件工艺中，p型扩散的效果，如扩散深度、侧向扩散和浓度分布等对器件的光电性能有决定性的影响。
目前，检测InGaAs/InP扩散结分布特征的方法主要有二次离子质谱(SIMS)和电化学电容-偏压法(ECV或ECCV)。其中SIMS方法测量p型杂质在材料深度方向的浓度分布，在扩散前沿杂质浓度一般渐进递变，因此不易精确判定PN结的结区位置；ECV法能够感测载流子的深度分布，空间分辨可至纳米级，但易受腐蚀缺陷和测量条件的影响；并且ECV方法只适用于块体材料的载流子分布测量，无法应用于亚毫米甚至微米尺寸的指定扩散窗口或光敏元单元的检测；常用的SIMS方法在用于窗口或光敏元尺寸小于100微米的杂质分布测量时也会产生较大的误差。另外上述两种方法均不能提供杂质侧向扩散的信息。
发明内容
鉴于此，本发明的目的是提供一种InGaAs/InP平面型光电探测器扩散结的检测方法，该方法适用于小尺寸的扩散窗口和探测器光敏元检测，空间分辨高并能提供侧向扩散深度的信息。
本发明提供一种InGaAs/InP平面型光电探测器扩散结的检测方法，该光电探测器至少包括一衬底，一底电极，一光敏层，一顶电极；其中底电极在衬底之上，为n型InP；光敏层在底电极层上方，为非掺杂i-InGaAs；顶电极层在光敏层上方，原片为非掺杂i-InP，杂质经窗口扩散局部形成p型区域。
此方法先对晶片进行抛角流片生成n型欧姆接触电极，对探测器光敏元的检测则直接利用器件的n型电极；然后划片获得光洁平整剖面，再以n型欧姆接触为公共电极测量剖面扩散区域的微分电容分布，根据材料深度方向和侧向的微分电容分布确定扩散形成PN结的位置和扩散深度。
上述方法中，平整的晶片剖面由划片解理获得，InGaAs/InP晶体品质高，力学特征适合自然解理，得到的剖面平整度通常很高，因此试样制备较为简易。
剖面的微分电容分布可以由扫描电容显微镜测得，微分电容(dC/dV)对材料的多数载流子种类和浓度敏感，因此在典型的p型掺杂向弱n型的非掺杂i区过渡时信号变化显著，可以利用空间电荷区的分布特征精确判定PN结的位置，再结合晶片上表面和扩散窗口的位置得到p型杂质在深度方向和侧向的扩散深度。
与现有技术相比，本发明具有如下优势：
本发明能够对尺寸小于100微米的扩散窗口和探测器光敏元进行检测，尤其适用于大规模线列或面阵器件的探测单元检测。
本发明是对扩散窗口或探测器单元剖面载流子分布的二维成像式扫描，可以同时获得深度方向和侧向杂质扩散深度的信息，空间分辨优于30纳米。
另外，本发明提供的方法实施便利，所获结区特征明显；对试样无特殊要求，且检测是非损耗的，可重复进行。
附图说明
图1是本发明的检测方式示意图；
图2是本发明实施例1的器件结构扩散结的剖面微分电容扫描像；
图3是本发明实施例1的器件结构扩散结深度方向的微分电容分布曲线；
图4是本发明实施例1的器件结构扩散窗口侧向微分电容分布曲线；
图5是本发明实施例2的器件结构扩散结的剖面微分电容扫描像；
图6是本发明实施例2的器件结构扩散结深度方向的微分电容分布曲线；
图7是本发明实施例2的器件结构扩散窗口侧向微分电容分布曲线。
其中：
101—扩散掩模层；
102—扩散窗口；
103—晶片顶层；
104—光敏层；
105—底电极层；
106—扫描电容显微测量回路；
107—晶片材料的深度方向；
108—侧向(横向)；
M1—实施例1的器件结构扩散形成的PN结位置；
M2—实施例1的器件结构扩散窗口边缘位置；
201—实施例1的器件结构扩散形成的p型区域；
202—实施例1的器件结构i-InP层；
Ddepth1—实施例1的器件结构p型杂质扩散深度；
DL1—实施例1的器件结构p型杂质侧向扩散深度；
M3—实施例2的器件结构扩散形成的PN结位置；
M4—实施例2的器件结构扩散窗口边缘位置；
501—实施例2的器件结构扩散形成的p型区域；
502—实施例2的器件结构i-InGaAs层；
Ddepth2—实施例2的器件结构p型杂质扩散深度；
DL2—实施例2的器件结构p型杂质侧向扩散深度。
具体实施方式
为让本发明的上述和其它目的、特征和优点更明显易懂，下文以目前InGaAs/InP光电探测器的两种主要器件类型为实施例，并配合附图，作详细说明。
图1是本发明检测方式的示意图，该方法适用的器件结构至少包括底电极层105，通常为n型InP，光敏层104，通常为非掺杂i-InGaAs，和顶层103，通常是非掺杂i-InP，顶层103经掩模、开窗102和杂质扩散后局部形成p型掺杂区。本发明所述方法是通过侦测扩散晶片剖面的载流子分布特征对扩散结进行检测的，该方法包括试样制备、剖面微分电容侦测和扩散结深度分析三部分。
其中的试样制备包括两个步骤：公共电极的制成和穿过扩散区域的剖面形成。公共电极由晶片经抛角流片形成连接底电极层的欧姆接触，对于线列或面阵器件可以直接由底电极连出；待测剖面由划片自然解理获得，横断面穿过待检测的扩散窗口或光敏元区域。
剖面微分电容由扫描电容显微镜侦测，扫描电容显微镜通过回路106记录晶片剖面上扩散区域反映载流子分布特征的二维微分电容数据。
扩散结分析首先由二维微分电容数据提取深度方向和侧向的微分电容分布曲线；然后进行各材料和特征掺杂层的指认，以及扩散形成的PN结特征判断；最后量测p型杂质不同方向的扩散深度。
实施例1提供了一种InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)扩散结，该雪崩光电二极管结构至少包括一衬底，一底电极，一光敏层，一渐变层，一电场控制层，一倍增层和一顶电极；其中底电极在衬底之上，为n型InP；光敏层在底电极层上方，为非掺杂i-InGaAs；渐变层在光敏层上方，为组份渐变InGaAsP；电场控制层在渐变层上方，为n型InP；倍增层在电场控制层上方，为非掺杂i-InP；顶电极层由非掺杂i-InP层局部经Zn杂质扩散形成p型区。
依据上述方法和步骤获得n型公共电极和平整光洁的解理剖面后，在扩散窗口边缘区域由扫描电容显微镜测得的解理面微分电容分布见图2，在非掺杂i-InP层202中，由于Zn杂质扩散局部区域201的微分电容信号呈现典型的p型载流子响应特征；同时测得的形貌图此处未给出，由形貌图确定的扩散窗口边界位置在图2中用M2标出，在窗口边界外缘的扇形区域微分电容信号也呈现p型特征，显示Zn杂质侧向扩散的信息。
由扫描电容显微像提取的深度方向微分电容分布曲线显示在图3，微分电容信号(dC/dV)在由p型向弱n型的非掺杂层过渡时呈现拐点特征，依据PN结结区的载流子耗尽以及结两侧多数载流子种类反转的常识，可判断微分电容分布变化的奇异点M1为PN结的位置，则M1点距晶片上表面的距离Ddepth1即为p型杂质的扩散深度。
图4是沿晶片上表面侧向108微分电容的分布曲线，其中扩散窗口外侧PN结对应的微分电容拐点位置也用M1标出，该点距扩散窗口边界M2的距离DL1即为p型杂质侧向的扩散深度。
实施例2提供了一种InGaAs/InP近红外PIN光电探测器扩散结，该PIN光电探测器结构至少包括一衬底，一底电极，一光敏层，一顶电极；其中底电极在衬底之上，为n型InP；光敏层在底电极层上方，为非掺杂i-InGaAs；顶电极层在光敏层上方，为非掺杂i-InP，局部经Zn杂质扩散形成p型区。
实施例2器件结构扩散结检测的试样制备和实施例1相同，图5是测得的解理面微分电容分布，由图中可见，p型扩散区已经进入InGaAs光敏层，并且Zn杂质在InGaAs层中的侧向扩散速度明显快于InP层。
图6和图7分别是实施例2的扩散结深度方向和侧向的微分电容分布曲线，由微分电容分布特征确定的PN结位置M3，结合扩散窗口边界M4和晶片上表面位置，得到实施例2器件p型杂质的纵向和侧向扩散深度Ddepth2，DL2.
从实施例1和2可以看出本发明提供的扩散结检测方法侦测晶片或器件扩散区域剖面的二维载流子分布特征，因此可以直接获得扩散结在不同材料层的分布状况；并且PN结的微分电容分布特征显著，空间分辨高(≤30纳米)。
Claims (5)
1.一种InGaAs/InP平面型光电探测器扩散结的检测方法，该光电探测器至少包括一衬底，一底电极，一光敏层，一顶电极；其中底电极在衬底之上，为n型InP；光敏层在底电极层上方，为非掺杂i-InGaAs；顶电极层在光敏层上方，原片为非掺杂i-InP，经窗口杂质扩散局部形成p型区域。该方法特征在于其步骤为：
1.)晶片抛角流片生成n型底电极层的欧姆接触；
2.)划片，形成穿过待检测的扩散窗口区域的平整横断面；
3.)以n型欧姆电极为公共电极，在剖面上侦测扩散窗口及其邻近区域的微分电容显微分布；
4.)由微分电容显微分布确定PN结位置；
5.)依据深度方向微分电容分布中PN结位置确定扩散深度；
6.)依据侧向微分电容分布中PN结位置确定侧向扩散深度。
2.根据权利要求1所述的一种InGaAs/InP平面型光电探测器扩散结的检测方法，其特征在于：其中在剖面上侦测扩散窗口及其邻近区域的微分电容显微分布的步骤包括使用扫描电容显微镜。
3.根据权利要求1所述的一种InGaAs/InP平面型光电探测器扩散结的检测方法，其特征在于：其中由微分电容显微分布确定PN结位置的步骤包括对结区微分电容分布特征的指认，即微分电容分布的拐点位置为PN结位置。
4.根据权利要求1所述的一种InGaAs/InP平面型光电探测器扩散结的检测方法，其特征在于：其中依据PN结位置确定扩散深度的步骤是指沿材料深度方向的微分电容分布中PN结特征位置至材料上表面位置的距离。
5.根据权利要求1所述的一种InGaAs/InP平面型光电探测器扩散结的检测方法，其特征在于：其中依据PN结位置确定侧向扩散深度的步骤是指沿横向的微分电容分布中PN结特征位置至扩散窗口边缘位置的距离的最大值。
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