CN101950775B - 一种采用外延设备制作双扩散式背面入光的光雪崩管方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用外延设备制作双扩散式背面入光的光雪崩管方法。采用MOCVD外延设备在磷化铟衬底上进行雪崩光电二极管的一次外延，采用MOCVD外延设备的双扩散法进行掺杂，溅射的方法制作P面电极，衬底减薄、抛光，采用湿法腐蚀方法制作光入射窗口，增透层，溅射的方法制作N面电极，合金化。本发明采用双扩散方法，在扩散过程中，通过控制扩散源流量，实现不同区域、不同浓度的渐变式掺杂；在扩散中形成突变结。采用本发明扩散均匀性好，片成品率高，制作的背面进光雪崩光电二极管，具有暗电流小、灵敏度高、串联电阻小、可靠性高等特点。

Description

一种采用外延设备制作双扩散式背面入光的光雪崩管方法

技术领域

本发明涉及一种光通信系统用的高灵敏度雪崩光电二极管的制作方法，特别涉及一种采用外延设备制作双扩散式背面入光的光雪崩管方法。

背景技术

人们对数据业务要求的爆炸式增长推动了光纤通信技术的飞速发展。光纤通信技术的发展取决于光纤通信器件的发展水平，半导体光电探测器是光纤通信技术中接收部分的关键器件，光纤通信技术正朝着高速率、大容量、长距离的方向发展。雪崩光电二极管，通过受激吸收的方式吸收入射光子产生电子-空穴对。雪崩光电二极管存在一高电场区，产生的电子-空穴对在高电场作用下获得能量，撞击晶格原子，产生二次电子-空穴对，二次电子-空穴对经过高电场作用撞击晶格原子再产生新的电子-空穴对，形成雪崩倍增效应，从而实现了光信号的放大。具有雪崩倍增效应的雪崩光电二极管，其灵敏度相对传统PIN光电二极管高3-5dBm，可广泛应用于E/G-PON、SDH等场合。

传统APD采用正面进光型扩散炉扩散方式制作。正面进光型需要采用铟镓砷做欧姆接触层，在扩散过程中铟镓砷扩散速率慢于磷化铟扩散速率，使PN结界面出现凹陷，易发生局部击穿现象。扩散炉扩散方式掺杂物质锌的浓度固定不变，无法实现两次扩散区域不同浓度的掺杂。背面进光型雪崩光电二极管可以避免PN结界面凹陷，获得一致的增益特性。基于外延设备MOCVD系统的扩散方式通过控制扩散源流量实现两次扩散区域不同浓度的掺杂，可以更好的控制表面电场和界面电场，同时易于形成突变结。该方法制作的光电二极管具有暗电流小、灵敏度高、串联电阻小、可靠性高等特点。

发明内容

本发明的目的是针对上述现状，旨在提供一种具有高灵敏度、高可靠性的采用外延设备制作双扩散式背面入光的光雪崩管方法。

本发明目的的实现方式为，一种采用外延设备制作双扩散式背面入光的光雪崩管方法，具体步骤如下：

1)基于MOCVD的方法在磷化铟衬底上进行雪崩光电二极管的一次外延，外延由七层构成，从下至上依次为磷化铟衬底、N型磷化铟缓冲层、I型铟镓砷吸收层、N型铟镓砷层、铟镓砷磷渐变层、N型磷化铟层和I型磷化铟层；

2)在3.5微米轻N型倍增层(7)上淀积3000埃二氧化硅，光刻第一次扩散窗口及保护环窗口，反应离子刻蚀二氧化硅，保留的二氧化硅用作扩散掩膜层；

3)采用MOCVD外延设备进行一次扩散，扩散工艺条件为：温度530℃，压强为225乇，二甲基锌流量为每分钟5标况毫升，扩散时间为50分钟；

4)淀积3000埃二氧化硅层，反应离子刻蚀方法刻蚀出直径为50微米的第二次扩散窗口，保留的二氧化硅用作二次扩散掩膜层；

5)采用MOCVD外延设备扩散的方法进行二次扩散，扩散工艺条件为：在530℃，压强为225乇条件下，二甲基锌流量为每分钟10标况毫升，扩散时间为65分钟；

6)在470℃条件下退火，退火时间10分钟；

7)去除二氧化硅层，依次溅射钛600埃、铂800埃、金2000埃制作P面电极；

8)将衬底减薄至150微米，进行抛光；

9)淀积5000埃二氧化硅，采用反应离子刻蚀的方法，刻蚀出直径为70微米的窗口，反应离子刻蚀二氧化硅，保留二氧化硅用作掩膜层；

10)采用湿法腐蚀的方法腐蚀磷化铟衬底，腐蚀出深度为30微米直径为70微米的光入射窗口；

11)生长1610埃的氮化硅，光刻直径为70微米的圆台，反应离子刻蚀氮化硅，保留的氮化硅用作增透层；

12)光刻N面电极图形，溅射电极，带胶剥离，得到N面电极；

13)在415℃下合金时间55秒，使电极合金化。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、基于MOCVD外延设备的扩散是在腔室内进行，样品置于反应室底座上，底座在扩散过程中不停旋转。气体通过反应室顶部的密布小孔喷入，气流分布为层流分布，气流分布均匀，因此扩散均匀性更好，芯片单片成品率更高。

2、在扩散完成时可实时关闭扩散源气体阀门，阻止扩散的进行，在扩散中形成突变结。形成突变结有利于芯片获得小暗电流、小电容和高可靠性。

3、通过控制扩散源流量大小，可以调整磷化铟倍增层掺杂浓度，实现渐变式掺杂。采用双扩散方法，第一次扩散在低流量条件下进行，降低一次扩散区域的掺杂浓度，可以控制横向扩散程度及第二次无源扩散深度，起到抑制表面电场和抑制边缘击穿现象的作用，有利于芯片获得高灵敏度、小暗电流和高可靠性。

4、采用背面进光结构，可以避免磷化铟层中P型重掺杂区对入射光的吸收，有利于获得高的响应度和高的量子效率。芯片正面溅射金属作为P型电极，可以降低串联电阻。

附图说明

图1是本发明制作的雪崩光电二极管的外延结构示意图，

图2是本发明制作的一次扩散区域结构示意图，

图3是本发明制作的二次扩散区域结构示意图，

图4是本发明制作P面电极结构示意图，

图5是本发明制作背面进光孔结构示意图，

图6是本发明制作背面进光增透层结构示意图，

图7是本发明制作N面电极结构示意图。

具体实施方式

本发明采用MOCVD外延设备在磷化铟衬底上进行雪崩光电二极管的一次外延，采用MOCVD外延设备双扩散方式的扩散方法进行掺杂、溅射P面电极，衬底减薄、背面进光孔湿法腐蚀、生长增透层、制作N面电极和电极合金化。

下面参照附图详述本发明。

采用MOCVD的方法在磷化铟衬底上进行雪崩光电二极管的一次外延，外延由七层构成(见图1)，从下至上依次为掺S的N型磷化铟衬底1，1微米N型磷化铟缓冲层2，2微米掺杂浓度为1E15cm^(-3)的i型铟镓砷吸收层3，0.2微米N型磷化铟层4，0.12微米铟镓砷磷渐变层5，0.4微米N型磷化铟电荷控制层6和3.5微米轻N型倍增层7。

采用MOCVD外延设备进行一次扩散如图2。在3.5微米轻N型倍增层7上用等离子体增强化学汽相淀积法生长3000埃二氧化硅，光刻扩散窗口及保护环窗口，扩散窗口直径为70微米，反应离子刻蚀二氧化硅，保留的二氧化硅用作扩散掩膜层8。采用MOCVD外延设备进行一次扩散，扩散在MOCVD腔室内进行，样品置于反应室底座上，底座在扩散过程中不停旋转，气体通过反应室顶部的密布小孔喷入，气流分布为层流分布，气流分布均匀，因此扩散均匀性更好，芯片单片成品率更高。

扩散工艺条件为：温度530℃，压强为225乇，二甲基锌流量为每分钟5标况毫升，扩散时间50分钟，形成如图2所示的一次扩散窗口9及保护环窗口10。

缓冲氢氟酸溶液去掉二氧化硅层8，生长3000埃二氧化硅，光刻二次扩散窗口，二次扩散窗口直径为50微米，反应离子刻蚀二氧化硅，保留的二氧化硅用作二次扩散掩膜层11，采用MOCVD外延设备进行二次扩散。扩散工艺条件为：在530℃，压强为225乇条件下，二甲基锌流量为每分钟10标况毫升，扩散时间65分钟，形成如图3所示的二次扩散窗口12。再在470℃下退火10分钟。

本发明采用两次扩散，第一次扩散和第二次扩散在不同的源流量工艺条件下进行。第一次扩散在低流量条件下进行，掺杂的浓度为8E17cm^(-3)。扩散在低流量下进行，一方面可以有效抑制横向扩散。因为横向扩散会使得保护环和一次扩散区域间距变小甚至连通，保护环的作用是控制表面电场和PN结界面电场，控制表面电场可以降低暗电流，提高芯片的可靠性。控制PN结界面电场可以有效抑制边缘击穿的发生。另一方面可以控制第一扩散区域的深度。因为在进行第二次扩散过程中，第一次扩散区域界面以无源扩散方式向前推进。在低浓度情况下，第一次扩散区域深度在第二次扩散过程中变化很小，容易形成较大的台阶。而在高浓度情况下，第一次扩散区域深度在第二次扩散过程中变化大，很难形成明显的台阶。双扩散形成的台阶起到控制边缘电场及表面电场的作用。因此一次扩散在低流量下进行，可以降低芯片暗电流，抑制边缘击穿现象，提高芯片的可靠性。二次扩散在高流量条件下进行，掺杂浓度为2E18cm^(-3)。二次扩散窗口要小于一次扩散窗口，双扩散区域为缓变台阶状。雪崩光电二极管的有效增益为中心区域的光倍增，在二次扩散区域实行高掺杂，可以增强中心区域电场，在一定偏压下工作，使得中心区域增益大于边缘区域增益，从而提高了芯片的性能。

在扩散完成时可实时关闭扩散源气体阀门，阻止扩散的进行，因此在扩散截止界面形成突变结。形成突变结，有利于芯片获得小暗电流、高可靠性。

依次溅射钛600埃、铂800埃、金2000埃13制作如图4所示的P面电极。在芯片正面溅射金属作为P型电极，可以降低串联电阻。将掺S的N型磷化铟衬底1减薄至150微米如图5，用溴甲醇抛光14，淀积5000埃二氧化硅，光刻直径为70微米的光入射窗口，反应离子刻蚀二氧化硅，保留二氧化硅用作掩膜层15，去掉光刻胶，用体积比为1∶1的磷酸∶盐酸溶液腐蚀10分钟，腐蚀出深度为30微米直径为70微米的窗口16。

参照图6，淀积1610埃的氮化硅，光刻直径为70微米的圆台，反型，反应离子刻蚀去掉氮化硅，保留的氮化硅用作增透层17。

参照图7，采用溅射的方式制作N面电极，光刻N面电极图形，在增透层17外依次溅射钛400埃、铂500埃、金2500埃，金属剥离，得到N面电极18，在415℃下，合金55秒，使电极合金化。

本发明中基于MOCVD外延设备的扩散机理：在MOCVD反应室内，条件设定为压力225乇，温度530℃，砷烷和磷烷作为催化反应气体和保护气体，扩散源为二甲基锌，氢气作为载气带入反应室。二甲基锌与磷烷在扩散温度分解并发生有机化学反应形成磷化锌的化合物。

本发明采用背面进光方式。传统正面进光型雪崩光电二极管，在正面生长铟镓砷层，用扩散的方式进行重掺杂以形成欧姆接触。由于锌在铟镓砷中的扩散速率要远远慢于在磷化铟中的扩散速率，且锌在铟镓砷层中容易堆积，使得双扩散区域中心界面处易产生凹陷。在相同偏压下凹陷处电场强，易发生提前击穿。通过采用背面进光方式，正面大面积溅射金属，无需采用铟镓砷作为欧姆接触层，避免了因PN结界面的凹陷导致的提前击穿现象的发生。采用背面进光方式，可以避免磷化铟层中P型重掺杂区对光的吸收，有利于获得高的响应度和高的量子效率，还可以消除芯片寄生参数，如降低芯片的接触电阻，有利于提高芯片的响应速率。

Claims (6)

1.一种采用外延设备制作双扩散式背面入光的光雪崩管方法，其特征在于具体步骤如下：

1)基于MOCVD的方法在磷化铟衬底上进行雪崩光电二极管的一次外延，外延由七层构成，从下至上依次为磷化铟衬底、N型磷化铟缓冲层、I型铟镓砷吸收层、N型磷化铟层、铟镓砷磷渐变层、N型磷化铟层和轻N型倍增层；

2)在3.5微米轻N型倍增层(7)上淀积3000埃二氧化硅，光刻第一次扩散窗口及保护环窗口，反应离子刻蚀二氧化硅，保留的二氧化硅用作扩散掩膜层；

3)采用MOCVD外延设备进行一次扩散，扩散工艺条件为：温度530℃，压强为225乇，二甲基锌流量为每分钟5标况毫升，扩散时间为50分钟；

4)淀积3000埃二氧化硅层，反应离子刻蚀方法刻蚀出直径为50微米的第二次扩散窗口，保留的二氧化硅用作二次扩散掩膜层；

5)采用MOCVD外延设备扩散的方法进行二次扩散，扩散工艺条件为：在530℃，压强为225乇条件下，二甲基锌流量为每分钟10标况毫升，扩散时间为65分钟；

6)在470℃条件下退火，退火时间10分钟；

7)去除二氧化硅层，依次溅射钛600埃、铂800埃、金2000埃制作P面电极；

8)将衬底减薄至150微米，进行抛光；

9)淀积5000埃二氧化硅，采用反应离子刻蚀的方法，刻蚀出直径为70微米的窗口，反应离子刻蚀二氧化硅，保留二氧化硅用作掩膜层；

10)采用湿法腐蚀的方法腐蚀磷化铟衬底，腐蚀出深度为30微米直径为70微米的光入射窗口；

11)生长1610埃的氮化硅，光刻直径为70微米的圆台，反应离子刻蚀氮化硅，保留的氮化硅用作增透层；

12)光刻N面电极图形，溅射电极，带胶剥离，得到N面电极；

13)在415℃下合金时间55秒，使电极合金化。

2.根据权利要求1所述的一种采用外延设备制作双扩散式背面入光的光雪崩管方法，其特征在于外延从下至上依次为掺S的N型磷化铟衬底(1)，1微米N型磷化铟缓冲层(2)，2微米掺杂浓度为1x10¹⁵cm^-3的I型铟镓砷吸收层(3)，0.2微米N型磷化铟层(4)，0.12微米铟镓砷磷渐变层(5)，0.4微米N型磷化铟电荷控制层(6)和3.5微米轻N型倍增层(7)。

3.根据权利要求1所述的一种采用外延设备制作双扩散式背面入光的光雪崩管方法，其特征在于第一次扩散窗口直径为70微米。

4.根据权利要求1所述的一种采用外延设备制作双扩散式背面入光的光雪崩管方法，其特征在于扩散在MOCVD腔室内进行，样品置于反应室底座上，底座在扩散过程中不停旋转，气体通过反应室顶部的密布小孔喷入。

5.根据权利要求1所述的一种采用外延设备制作双扩散式背面入光的光雪崩管方法，其特征在于用体积比为1∶1的磷酸：盐酸溶液腐蚀10分钟，腐蚀出深度为30微米、直径为70微米的窗口(16)。

6.根据权利要求1所述的一种采用外延设备制作双扩散式背面入光的光雪崩管方法，其特征在于光刻N面电极图形，在增透层(17)外依次溅射钛400埃、铂500埃、金2500埃。

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