CN101661970B - 准平面高速双色铟镓砷光电探测器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属半导体光电器件领域，具体涉及一种准平面高速双色铟镓砷光电探测器及其制造方法，本发明方法采用准平面结构，即采用平面扩散工艺实现PN结功能，结合光刻工艺和台面腐蚀工艺，实现包裹PN结于台面内的准平面结构，同时将压焊点制作在台面下的半绝缘衬底上。采用本方法制备的器件兼容了平面扩散技术具有的暗电流小、可靠性高等特征和台面技术具有的光敏面大、寄生电容小和传输速率高等优势，本发明的方法容易实现光敏面大、暗电流小且传输速率大于10Gb/s的高速铟镓砷光电探测器，不仅提高了在短波850nm的响应度，而且保持了长波1310～1550nm的高响应特性，实现了在短波850nm也有较高响应的双色光电探测器。

Description

准平面高速双色铟镓砷光电探测器及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种准平面高速双色铟镓砷光电探测器及其制造方法，属半导体光电子器件技术领域。 
背景技术
随着高速宽带光纤通信、数据处理和互联网等技术的发展和高速光电接口技术及光相控阵雷达和射频光纤传输等新领域的出现，迫切需求灵敏度高、响应度高、传输速率快和多波段探测的光电探测器。 
当前高速铟镓砷光电探测器有两种结构，一种是在N+衬底上采用常规的平面扩散方法，将探测器光敏面缩小以减小寄生电容；另一种是在半绝缘衬底上外延生成P型层，用台面腐蚀方法形成有源区，并将压焊点做在半绝缘衬底上的台面结构，该结构充分利用半绝缘衬底上焊点电容减小的优势，可适当扩大探测器光敏面而保持速率不变。二者相比，前者工艺简单，暗电流小，可靠性高，但存在耦合困难等不足；后者具有较大的光敏面，耦合方便可靠，但存在工艺相对复杂，台面侧面需要钝化保护，暗电流变大和可靠性退化等问题。 
目前，短波长850nm一般采用GaAs光电探测器，长波长1310-1550nm一般采用InGaAs光电探测器，而普通InGaAs光电探测器由于InP窗口层截止波长的限制，其响应波长在900nm到1650nm范围，在850nm时响应很低，降低到0.1-0.2A/W，且不重复。由于材料、器件制作等方面的原因，还没有同时兼顾短波850nm和长波1310nm及1550nm的双色光电探测器。 
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种暗电流小、寄生电容小、耦合容易、可靠性高，适应850nm和1310～1550nm波长的准平面高速双色铟镓砷光电探测器及其制造方法。
为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：一种准平面高速双色铟镓砷光电探测器，包括半绝缘InP衬底，在半绝缘InP衬底上依次生长的N-InP欧姆接触层、不掺杂InGaAs吸收层、N-InP窗口层，在N-InP窗口层上通过光刻、Zn扩散形成的平面型PN结，在Zn扩散区域形成的环形的P型欧姆接触金属层，在Zn扩散区域的环形欧姆接触金属层中的圆形区域生长有增透膜，Zn扩散区域及其周边部分区域与N-InP欧姆接触层构成台面结构，N-InP欧姆接触层与半绝缘InP衬底构成台面结构，N型欧姆接触金属层生成在N-InP欧姆接触层台面上。 
进一步的N型欧姆接触金属层和P型欧姆接触金属层分别通过互连金属与制备在半绝缘InP衬底之上的钝化膜上的电极压焊点连接。 
所述N型欧姆接触金属层为环形金属层。 
一种准平面高速双色铟镓砷光电探测器的制造方法，包括以下步骤： 
(1)在半绝缘InP衬底上依次生长N-InP欧姆接触层、不掺杂InGaAs吸收层、N-InP窗口层， 
(2)在步骤(1)中形成的材料结构上，淀积介质薄膜，通过光刻和刻蚀露出需要进行Zn扩散的区域，以介质膜作掩蔽进行Zn扩散， 
(3)采用光刻胶掩蔽步骤(2)形成的Zn扩散区域及其周边部分区域，其余区域采用湿法化学腐蚀，直到露出N-InP欧姆接触层， 
(4)采用光刻胶掩蔽步骤(2)形成的台面区域及露出的靠近台面的N-InP欧姆接触层区域，其余区域采用湿法化学腐蚀，直到露出半绝缘InP衬底； 
(5)在步骤(4)基础上，针对850nm波长对窗口区进行表面处理，生成增透膜，并对台面和其他区域完成钝化。 
(6)采用光刻、金属化和剥离工艺方法，在Zn扩散区域生成环形P型欧姆接触金属，在N-InP欧姆接触层台面上生成环形N型欧姆接触金属， 
(7)在步骤(6)基础上，采用光刻、金属化工艺完成器件的互连并将电极压焊点制备在半绝缘InP衬底之上的钝化膜上。 
所述步骤(2)中介质薄膜为SiN或SiO2介质膜。 
步骤(1)中N-InP欧姆接触层厚度为0.3-2微米，不掺杂InGaAs吸收层厚度为0.5到4微米，N-InP窗口层厚度为0.3到2微米。 
更进一步步骤(5)包括以下步骤： 
(1)首先选择腐蚀掉1/3-2/3厚度的N-InP窗口层扩散区域， 
(2)在步骤(1)基础上用等离子化学气相淀积方法依次淀积增透膜、钝化膜，在扩散区域淀积SiN薄膜50-100nm，SiO2薄膜80-160nm，作为双层增透膜，同时作为钝化膜，其他区域淀积一定厚度的钝化膜。 
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明采用准平面结构，即采用平面扩散工艺实现PN结功能，结合光刻工艺和台面腐蚀工艺，实现包裹PN结于台面内的准平面结构，同时将压焊点制作在台面之外的半绝缘衬底上，兼容了平面扩散技术具有的暗电流小、可靠性高等特征和台面技术具有的光敏面大、寄生电容小和传输速率高等优势，采用SiN/SiO2双层增透膜，并优化工艺，提高短波850nm的响应度，同时保持了长波1310～1550nm的高响应特性。 
附图说明
图1是本发明探测器结构示意图； 
图2a-图2g是本发明制备流程示意图； 
其中：10、半绝缘InP衬底，11、N-InP缓冲层，12、不掺杂InGaAs吸收层，13、N-InP窗口层，20、Zn扩散区域，31、P欧姆接触金属，32、N欧姆接触金属，33、互连金属，34、P电极压焊点，35、N电极压焊点，40、 光刻胶，41、SiN/SiO2，42、增透膜。 
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述： 
本发明提供了一种兼顾平面和台面两种结构优势的准平面双色高速铟镓砷光电探测器及其制造方法。 
采用本发明方法制备的探测器的结构如图1所示，其包括半绝缘InP衬底，在半绝缘InP衬底上依次生长的N-InP欧姆接触层、不掺杂InGaAs吸收层、N-InP窗口层，其中N-InP窗口层、不掺杂InGaAs吸收层与N-InP欧姆接触层之间通过光刻、腐蚀方法构成台面结构，台面区域包括Zn扩散区域及其周边部分区域，N-InP欧姆接触层与半绝缘InP衬底之间也构成台面结构，也采用光刻、腐蚀方法生成，在Zn扩散区域边缘设置有P型欧姆接触环形金属层，在Zn扩散区域的中间区域上设置有增透膜，N型欧姆接触金属层设置在N-InP欧姆接触层台面上；N型欧姆接触金属层和P型欧姆接触金属层分别通过互连金属连接制备在钝化膜上的电极压焊点；所述Zn扩散区域在台面形成之前生成，通过沉积掩蔽膜、光刻、Zn扩散形成在InP窗口层上，形成平面型PN结。 
制备图1所示的器件采用本发明提供的方法，其具体的操作步骤如下： 
(1)在半绝缘InP衬底10上用MOCVD(金属有机化学气相淀积)或者MBE(分子束外延)系统依次生长N-InP缓冲层11、不掺杂InGaAs吸收层12、N-InP窗口层13，其中N-InP欧姆接触层厚度为0.3-2微米，不掺杂InGaAs吸收层厚度为0.5到3微米，N-InP窗口层厚度为0.3到2微米。其结构见图2a， 
(2)在步骤(1)基础上，利用SiN/SiO241作掩蔽，选择Zn扩散区域20进行Zn扩散，Zn扩散区域扩散到N-InP窗口层13和不掺杂InGaAs吸收层12的交界面，使其从N型材料转变为P型材料，实现PN结功能，其结 构见图2b， 
(3)采用光刻胶40保护Zn扩散区域及其周边部分区域，其余区域采用湿法化学腐蚀方法，腐蚀掉暴露的N-InP窗口层13和不掺杂InGaAs吸收层12，直到露出N-InP缓冲层11的表面，其结构见图2c， 
(4)利用光刻胶40保护步骤(2)已形成的腐蚀台面及N-InP缓冲层11靠近台面的部分区域(制备N型欧姆接触区域的区域)，之外区域用湿法化学腐蚀方法，腐蚀掉11层，直到露出半绝缘InP衬底10，其结构见图2d， 
(5)在步骤(4)的基础上，对窗口区进行表面工艺处理，首先选择腐蚀掉1/3-2/3厚度的N-InP窗口层扩散区域，再用等离子化学气相淀积(PECVD)方法依次淀积增透膜、钝化膜，在扩散区域淀积SiN薄膜50-100nm，SiO2薄膜80-160nm，作为双层增透膜，同时作为钝化膜，其他区域淀积一定厚度的钝化膜，其是针对850nm波长进行制作的，同时兼顾1310-1550nm波长，对850nm波长有良好的增透性，对1310-1550nm波长的增透性也能够满足要求，其结构见图2e， 
(6)利用光刻工艺、刻蚀工艺、金属化工艺、剥离工艺，在Zn扩散区域完成光电探测器环形P型欧姆接触金属31，在N-InP欧姆接触层台面上生成环形N型欧姆接触金属32，其结构见图2f， 
(7)结合光刻工艺/金属化工艺/剥离工艺/电镀工艺，将P型欧姆接触金属31和N型欧姆接触金属32分别通过互连金属33连接至半绝缘钝化膜上，并将P电极压焊点34和N电极压焊点35制作在钝化膜上，与互连金属33连接，其结构见图2g。 

Claims (7)

1.一种准平面高速双色铟镓砷光电探测器，包括半绝缘InP衬底，在半绝缘InP衬底上依次生长的N-InP欧姆接触层、不掺杂InGaAs吸收层、N-InP窗口层，在N-InP窗口层上通过光刻、Zn扩散形成的平面型PN结，在Zn扩散区域形成环形的P型欧姆接触金属层，其特征在于：在Zn扩散区域的环形欧姆接触金属层中的圆形区域生长有增透膜，Zn扩散区域及其周边部分区域与N-InP欧姆接触层构成台面结构，N型欧姆接触金属层生成在N-InP欧姆接触层台面上，N-InP欧姆接触层与半绝缘InP衬底构成台面结构，压焊点位于半绝缘InP衬底之上的钝化膜上。
2.根据权利要求1所述的准平面高速双色铟镓砷光电探测器，其特征在于N型欧姆接触金属层和P型欧姆接触金属层分别通过互连金属与制备在半绝缘InP衬底之上的钝化膜上的电极压焊点连接。
3.根据权利要求1所述的准平面高速双色铟镓砷光电探测器，其特征在于所述N型欧姆接触金属层为环形金属层。
4.一种准平面高速双色铟镓砷光电探测器的制造方法，包括以下步骤：
(1)在半绝缘InP衬底上依次生长N-InP欧姆接触层、不掺杂InGaAs吸收层、N-InP窗口层，
(2)在步骤(1)中形成的材料结构上，淀积介质薄膜，通过光刻刻蚀露出需要进行Zn扩散的区域，以介质薄膜作掩蔽进行Zn扩散，
(3)采用光刻胶掩蔽步骤(2)形成的Zn扩散区域及其周边部分区域，其余区域采用湿法化学腐蚀，直到露出N-InP欧姆接触层，
(4)采用光刻胶掩蔽步骤(2)形成的台面区域及露出的靠近台面的N-InP欧姆接触层区域，其余区域采用湿法化学腐蚀，直到露出半绝缘InP衬底；
(5)在步骤(4)基础上，针对850nm波长对窗口区进行表面处理，生成增透膜，并对台面和其他区域完成钝化；
(6)采用光刻、金属化和剥离工艺方法，在Zn扩散区域生成环形P型欧姆接触金属，在N-InP欧姆接触层台面上生成环形N型欧姆接触金属，
(7)在步骤(6)基础上，采用光刻、金属化工艺完成器件的互连并将电极压焊点制备在半绝缘InP衬底之上的钝化膜上。
5.根据权利要求4所述的准平面高速双色铟镓砷光电探测器的制造方法，其特征在于步骤(2)中介质薄膜为SiN或SiO2介质膜。
6.根据权利要求4所述的准平面高速双色铟镓砷光电探测器的制造方法，其特征在于步骤(1)中N-InP欧姆接触层厚度为0.3-2微米，不掺杂InGaAs吸收层厚度为0.5到4微米，N-InP窗口层厚度为0.3到2微米。
7.根据权利要求4所述的准平面高速双色铟镓砷光电探测器的制造方法，其特征在于步骤(5)包括以下步骤：
(1)首先选择腐蚀掉1/3-2/3厚度的N-InP窗口层扩散区域，
(2)在步骤(1)基础上用等离子化学气相淀积方法依次淀积增透膜、钝化膜，在扩散区域淀积SiN薄膜50-100nm，SiO2薄膜80-160nm，作为双层增透膜，同时作为钝化膜，其他区域淀积一定厚度的钝化膜。
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