CN101969079B - 具有高esd阈值的光电二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有改进的静电放电损伤阈值的光电探测器，其适合应用于以高数据率操作的电信系统中。该光电探测器可以是制作在InP化合物半导体系统中的PIN或APD。该ESD损伤阈值的增高是通过减小光电探测器中ESD引起的电流密度而实现的，而减小光电探测器中ESD引起的电流密度是通过在关键位置适当加宽接触，增大串联电阻以及借助电流扩展层来增高侧向电流扩展而实现的。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测器，特别涉及其针对静电放电的防护。
发明背景
包括PINs和雪崩光电二极管(APDs)的光电二极管或光电探测器被广泛使用于光纤和光学应用中以将接收到的光转换为电流信号。光电二极管需要快速响应时间，以能够在高速数据传输系统中运转。
在这样的高速信号传输中所使用的具有快速响应时间的光电二极管特别易于受到静电放电(ESD)的损伤。电子部件对于ESD的敏感性以ESD阈值来测量。阈值越高，部件抗损伤的能力越强。
典型地，光电二极管的带宽由其电容和串联电阻的乘积(已知为其RC常数)所限制，在大多数光电二极管中，总电容主要取决于p-n结的电容或结电容。因此，为了获得宽的带宽，就需要通过将光电二极管的有源面积制作得尽可能的小以减小结电容。
然而，一般来说，ESD阈值和有源面积的大小成正比。有源面积越小并且ESD阈值越低，光电二极管就越易于受到ESD损伤。对于速度性能大于2.5Gbps的光电二极管，典型的ESD阈值低于50伏特。低ESD阈值对于光电二极管的制造是很重要的问题，即使当使用高成本的ESD防护装置和工艺时，它也会导致低组装成品率。
图1a是由晶片衬底制作成芯片的典型的p-i-n光电二极管100的示意结构的平面图。在诸如磷化铟(InP)，砷化铟镓(InGaAs)，砷化镓(GaAs)及其类似的III-V化合物半导体系统中，p-i-n结构在n-掺杂或半绝缘衬底上外延生长。对于在光纤电信所需的波长的操作而言，InP是优选的衬底材料。
具有外围1a的p-区域1由通过扩散掩模的局部p-型掺杂剂扩散过程而形成。典型地，锌(Zn)作为p-型掺杂剂。p-i-n光电二极管100的表面由电介质层5钝化，典型地，该电介质层5为氮化硅(SiNx)。
为了与光电二极管的阳极接触，将环形金属接触环2通过p-区域1外围内的绝缘层5中的环形开口或通孔(via)6而沉积。金属接触环2是环形的，以允许光信号8从光电二极管100的前面进入。将金属接触环2制作的尽可能小，以将对应于金属接触环2的内直径的光电二极管100的光学敏感面积最大化。钛/铂/金(Ti/Pt/Au)是一种适合于金属接触环2的金属组合。
用于使光电二极管阳极与金属丝键合(wire bond)外部连接的键合焊盘(bond pad)3被沉积在介电绝缘层5上，键合焊盘3通过金属连接链接4而被连接到金属接触环2。箭头A-A’表明了图1b中示出的光电二极管的横截面的位置。
参考图1b，在p-i-n光电二极管100中，InP衬底10支撑n-型层结构，而该n-型层结构包含厚度为0.3-1.0μm的n-掺杂InP缓冲层11、厚度为0.8-4μm的非故意掺杂InGaAs吸收层12和n-掺杂或非故意掺杂的InP窗口层13。p-n结1b通过局部p-型掺杂剂扩散过程而形成于吸收层12中，以形成p-区域1。
金属接触环2一般被沉积在薄的高度掺杂p-型InGaAs层7上以降低接触电阻率，因而减少光电二极管的串联电阻。
如果InP衬底10是传导n-型的，到光电二极管阴极的接触(未示出)通常被沉积在InP衬底的底部。可替代的，如果InP衬底是半绝缘的，则可以制作从光电二极管顶部到n-型层的阴极连接。
光电二极管结构已经在目的为增加ESD阈值的现有技术中公开。
Derkits，Jr.等人(美国专利6,835,984“耐ESD器件”)公开了例如光电探测器静电放电(ESD)保护结构的半导体器件。将介电层沉积在有源区域层上，而将金属有源区域接触沉积在有源区域之上的介电层中并与有源区域电接触。围绕着有源区域接触将组成ESD保护结构的环形金属保护环沉积在介电层中，其中，ESD保护结构与衬底的有源区域层电接触，以为介电层表面上的电荷提供ESD放电路径。
虽然金属保护环为介电层的较大表面部分上的电荷提供了放电表面，其并没有直接为光电二极管阳极提供ESD保护。
孙茂有和卢意成在论文“耐ESD InGaAs p-i-n光电二极管的非线性(Nonlinearity inESD robust InGaAs p-i-n photodiode)”中提出了一种保护环结构，以提高InGaAs光电二极管的ESD阈值，该论文发表在电子器件，IEEE学报，2005年第52卷第7期第1508-1513页。然而，该保护环增加了会减小光电二极管带宽和线性的总体光电二极管电容。
发明内容
本发明的目的是提供一种通过降低ESD诱发的电流密度而具有改进的ESD损伤阈值的光电二极管结构。
本发明的进一步目的是通过在与键合焊盘连接的相交处提供环接触的局部加宽，引入低电导率层以提高侧向电流扩展，以及通过增加阳极接触的接触电阻率而增加光电二极管的串联电阻，从而获得较低的ESD-诱发的电流密度。
本发明公开了一种具有提高了的ESD阈值的光电二极管，其包括：被支撑在InP半导体衬底的上表面的n-型InP缓冲层，用于吸收光电二极管的顶表面的入射光且处于缓冲层上的本征InGaAs吸收层，用于将入射光传输到吸收层且处于吸收层上的InP窗口层，以及用于提供钝化且处于窗口层上的SiNx介电层。
从窗口层的顶表面延伸至吸收层内的圆形p-型区域在其中形成p-n结，环形金属接触在圆形p-型区域的外围内的窗口层上，从而通过接触区域形成与p-型区域的接触。在介电层上且远离p-型区域提供有键合焊盘，以形成到光电二极管的外部连接，并且金属链接将键合焊盘连接至环形金属接触。
接触区域包括环形部分和在金属链接与环形金属接触的相交处的扩大部分。该扩大部分的面积至少是接触区域的环形部分的面积的两倍。
附图说明
下面将参考代表本发明的优选实施例的附图来详细描述本发明，其中：
图1a和1b分别是现有技术常规p-i-n光电二极管的俯视图和截面示意图；
图2a和2b分别是在接触环和到键合焊盘的连接链接的相交区域处的对光电二极管的ESD损伤的EBIC和SEM图像；
图3a和3b分别是根据本发明的具有Ti/InGaAs和AuZn/InP接触界面的p-i-n光电二极管的横截面示意图；
图4是根据本发明的具有电流扩展层的p-i-n光电二极管的横截面示意图；
图5a和图5b分别是根据本发明的p-i-n光电二极管的俯视图和横截面示意图，其具有通孔，该通孔在接触环和到键合焊盘的连接的相交处被加宽；以及
图6a和6b分别是根据本发明的p-i-n光电二极管的俯视图和横截面示意图，其具有接触层，该接触层在接触环和到键合焊盘的连接的相交处被加宽。
具体实施例
本发明公开的顶部入射(top-entry)或前面入射(front-entry)光电二极管结构克服了上述现有技术器件的缺点，同时获得了改进的较高的静电放电(ESD)阈值。该光电二极管可以是PIN，APD或类似的光电探测器。
实验表明，ESD损伤典型地位于远离的阳极键合焊盘(bond pad)3和接触环2的相交处，在此处，在静电放电发生的过程中电流脉冲被注入。图2a示出了一个例子，ESD损伤20在由扫描电子显微镜(SEM)取得的电子束诱发的电流(EBIC)图像中，以及在同一区域的传统SEM表面图像(图2b)中是明显的。由ESD电流脉冲产生的高电流密度导致接触环2下面的半导体的局部熔化和随后的再结晶。这种损伤会造成危害器件操作的高泄漏电流。
低接触电阻和小接触面积会提高光电二极管100的速度，但也会导致局部高电流密度，特别是在远离的阳极键合焊盘3和接触环2的相交处。因此，减小峰值电流密度是改善ESD电阻的有效方法。
根据本发明，公开了减小由ESD电流脉冲产生的高电流密度的结构细节。大体上，将下面的一种或多种结构引入光电二极管可以减小峰值电流密度：(1)高接触电阻金属化；(2)分离的电流扩展层；以及(3)局部增大的接触区域。这些结构细节可以单独或组合引入，从而改进光电二极管的ESD阈值。
p-i-n光电二极管的第一个实施例200的横截面如图3a所示。
p-i-n光电二极管200的衬底10支撑n-型层结构，该n-型层结构包括厚度为0.3-1.0μm的n-掺杂缓冲层11、厚度为0.8-4μm的非故意掺杂吸收层12、和n-掺杂或非故意掺杂窗口层13。窗口层13可以包括p-掺杂水平低于1x1017cm-3的低掺杂p-型半导体层。可替代的，窗口层13可以包括具有高电阻的补偿层，例如掺杂水平在1x1017到5x1017cm-3的原生(grown-in)n-型层。由于这种n-型掺杂只略低于通过p-区域扩散过程产生的p-掺杂，其在p-区域扩散后成为补偿层。
p-n结1b通过局部p-型掺杂剂扩散过程而形成在吸收层12中，从而形成具有外围1a的p-区域1。典型地，锌(Zn)被作为用于扩散的p-型掺杂剂。在扩散p-区域1中，窗口层13和吸收层12的较高部分的初始掺杂(incipient doping)变为p-型掺杂。在掺杂p-区域1以外，窗口层13和吸收层12的掺杂实质上保持不变。
p-i-n光电二极管200的表面由典型为氮化硅(SiNx)的介电绝缘层5钝化。
在例如磷化铟(InP)、砷化铟镓(InGaAs)、砷化镓(GaAs)及其类似的III-V化合物半导体系统中，p-i-n结构在n-掺杂或半绝缘衬底上外延生长。对于在光纤电信所需的波长的操作而言，InP是用于衬底10的优选材料。
对于相同的应用，InP通常被用于缓冲层11和窗口层13。为了吸收所需的光波长，吸收层12优选为InGaAS。
为了与光电二极管的阳极接触，环形金属接触环2通过p-区域1的外围内的绝缘层5中的环形开口或通孔6而被沉积。金属接触环2是环形，从而允许光信号8从光电二极管200的前面进入。金属接触环2被制作得尽可能小，从而最大化光电二极管200的光学敏感面积，该光学敏感面积相应于金属接触环2的内直径。钛/铂/金(Ti/Pt/Au)是适合于金属接触环2的金属组合。
用于使光电二极管阳极与金属丝键合(wire bond)外部连接的键合焊盘3被沉积在介电绝缘层5上，并通过金属连接链接4与金属接触环2连接。
为了光电二极管200中较低的接触电阻率和减小的串联电阻，金属接触环2可以与沉积在窗口层13顶部的薄接触层7电接触。钛/铂/金是适合于金属接触环2的金属系统。
在基于InP的器件中，一般p-型InGaAs被用于接触层7。在典型的现有技术接触原理图中，沉积在p-型InGaAs接触层7上的Ti/Pt/Au被高度掺杂(大于5x1018cm-3)从而形成与金属接触环2的欧姆Ti/InGaAs界面。为了该目的，可获得的接触电阻率小于1x10-5ohm cm2。而这种接触对于器件速度有好处，对于侧向电流扩展则没有好处。
然而，在本实施例中，金属接触环2的接触电阻率被修正以保持足够低的接触电阻，从而获得p-i-n光电二极管200的高速运转能力，但该接触电阻率足够高以获得良好的电流侧向扩散展。
因此，接触电阻率被提高到1x10-4和5x10-4ohm cm2之间的范围。这可以通过多种方法获得，如下面的例子中所示。
对于图3a中的光电二极管200，由Ti/Pt/Au制成的接触环2通过接触层7与p-区域1连接，而接触层7具有低于2x1018cm-3的低掺杂水平。
当InP衬底10为传导n-型时，到光电二极管的阴极的接触(未示出)通常被沉积在InP衬底10的底部。可替代的，如果InP衬底10是半绝缘的，可以在光电二极管200顶部形成至p-区域1以外的n-型层的阴极连接，例如，窗口层13或接触层7。
在第二个实施例中，图3b中的光电二极管300的接触环2在p-区域1内与InP窗口层13直接接触。为了该目的，金-锌(AuZn)层16代替了前面实施例中的接触层7。AuZn层16形成了到InP窗口13的较次的(inferior)欧姆接触，但其对于光电二极管的高速运转是足够良好的。
第三个实施例，图4中的光电二极管400中，前面实施例中的窗口层13被再分为较低窗口层13，电流扩展层14和较高窗口层15。较低和较高窗口层13和15不掺杂或轻微n-掺杂至1016到5x1016cm-3的水平，从而减小光电二极管400的暗电流。
为了提高从接触环2流向缓冲层11的电流侧向扩展，电流扩展层14被掺杂高于较低和较高窗口层13和15。对于电流扩展层14，掺杂水平应该在1x1017到5x1017cm-3范围之内，而厚度应该大约为0.2-0.5微米。
为了在吸收层12中形成p-n结1b，局部p-型掺杂剂扩散(例如使用Zn)延伸通过较高窗口层15，电流扩展层14和较低窗口层13。在扩散p-区域1内，较低和较高窗口层13和15，电流扩展层14以及吸收层12的较高部分的初始掺杂(incipient doping)变为p-型。在扩散p-区域1之外，较低和较高窗口层13和15，电流扩展层14以及吸收层12的较高部分的掺杂实质上保持不变。
金属接触环2与沉积在窗口层15顶部的薄接触层7电接触。掺杂水平大于5x1018cm-3的p-型InGaAs可以用于接触层7以与Ti/Pt/Au结合用于金属接触环2。
第四个实施例如图5a所示。光电二极管500的结构类似于前面的实施例，但有一个重要的区别。在环形金属接触环2和金属连接链接4的相交处，通过钝化层5的通孔6被局部扩大，从而形成扩大的通孔相交区域6’。在这种情况下，接触层7可以保持为环宽度不变的环形。虽然通孔相交区域6’所示形状为正方形，其也可以使用其它形状，需要记住的是，其优选具有光滑或圆形边缘的形状，从而避免高电场集中。
增加通孔相交区域6’的面积可以在光电二极管500的接触环2的最易受损的位置有效的减小电流密度。通孔相交区域6’尺寸的面积是未扩大的通孔6的面积的2倍或更多倍。箭头B-B’表示了图5b中的光电二极管500的横截面位置。
本实施例的变体可以与第二个实施例结合，其中接触层7被省略并且接触环2的金属化由Ti/Pt/Au变为AuZn，从而增加金属接触环2的接触电阻率。
可替代的，接触层7的p-掺杂水平也可以被降低，从而提高金属接触环2的接触电阻率。
在图6a中示出了第五个实施例，除了通孔相交区域6’由接触层相交区域7’替代以外，光电二极管600类似于第四个实施例，该接触层相交区域7’是接触层7在环形金属接触环2与金属连接链接4的相交处的局部扩大。可以包括接触层相交区域7’的接触层7可以由p-掺杂InGaAS层组成，如果期望低接触电阻率，p-掺杂InGaAS层可以被高度掺杂。
类比于前面的情况，通过钝化层5的通孔6可以保持具有环宽度不变的环形形状。
在这里，接触层相交区域7’被示为具有正方形形状，但是也可以使用其它形状，优选具有光滑或圆形边缘，从而避免高电场集中。
接触层相交区域7’被标尺寸所具有的面积是未扩大的接触层7的面积的两倍或更多倍。箭头C-C’表示在图6b中示出的光电二极管600的横截面的位置。
Claims (14)
1.一种光电二极管，其包括：
半导体衬底；
n-型缓冲层，所述n-型缓冲层被支撑在所述半导体衬底的上表面；
本征吸收层，所述本征吸收层在所述缓冲层上，用于吸收所述光电二极管的顶表面上的入射光；
窗口层，所述窗口层在所述吸收层上，用于将所述入射光传输至所述吸收层；
介电层，所述介电层在所述窗口层上，用于提供钝化；
圆形p-型区域，所述圆形p-型区域从所述窗口层的顶表面延伸至所述吸收层内，以在其中形成p-n结；
环形金属接触，所述环形金属接触在所述圆形p-型区域的外围内的窗口层上，以通过包括所述介电层的通孔的接触区域与所述p-型区域接触；
键合焊盘，所述键合焊盘在所述介电层上，且远离所述p-型区域，以形成到所述光电二极管的外部连接；以及
金属链接，所述金属链接将所述键合焊盘连接至所述环形金属接触；
其中，所述接触区域包括环形部分和在所述金属链接与所述环形金属接触的相交处的扩大部分；以及
其中，所述扩大部分的面积是所述接触区域的所述环形部分的面积的至少两倍。
2.如权利要求1所述的光电二极管，其中，所述环形金属接触的接触电阻率在1x10-4和5x10-4ohm cm2之间。
3.如权利要求1所述的光电二极管，其中，所述半导体衬底，所述n-型缓冲层，和所述窗口层包括InP，并且所述本征吸收层包括InGaAs。
4.如权利要求3所述的光电二极管，其中，所述环形金属接触包括金-锌合金。
5.如权利要求3所述的光电二极管，其中，所述接触区域包括沉积在所述窗口层和所述环形金属接触之间的InGaAs接触层。
6.如权利要求5所述的光电二极管，其中，所述InGaAs接触层所具有的掺杂水平低于2x1018cm-3。
7.如权利要求5所述的光电二极管，其中，所述环形金属接触包括钛，铂和金。
8.如权利要求7所述的光电二极管，其中，所述InGaAs接触层所具有的掺杂水平大于5x1018cm-3。
9.如权利要求3所述的光电二极管，其中，所述窗口层是具有p-掺杂水平低于1x1017cm-3的掺杂p-型。
10.如权利要求3所述的光电二极管，其中，所述窗口层是具有p-掺杂水平在1x1017到5x1017cm-3范围内的掺杂p-型。
11.如权利要求1所述的光电二极管，其中，所述窗口层包括较低窗口层，用于增大侧向电流流动的电流扩展层，以及较高窗口层。
12.如权利要求11所述的光电二极管，其中，所述电流扩展层的掺杂水平在1x1017到5x1017cm-3之间并且厚度在0.2-0.5微米之间。
13.如权利要求1所述的光电二极管，其中，所述p-型区域包括扩散锌掺杂。
14.如权利要求1所述的光电二极管，其中，所述介电层包括氮化硅。
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