CN102130208A - 用分子束外延方法制作光电探测单元或焦平面器件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用分子束外延方法制作光电探测单元或焦平面器件的方法，包括：(1)应用分子束外延生长技术，在导电衬底上生长缓冲层、光吸收层和宽禁带帽层的外延结构，然后连续生长一层铍高掺杂或δ掺杂的异质窄禁带薄层作为扩散源层；(2)用常规图形加工工艺刻蚀扩散源层形成局部掺杂源图形，在钝化介质膜的保护下应用扩散技术形成pn结，扩散温度为450-600℃；然后制作电极构成光电探测单元或焦平面器件。本发明的方法具有普适性，简单，掺杂成结工艺结合了光电探测器件制作中台面型原位掺杂成结工艺成结方便和平面型扩散成结工艺钝化效果好的优点，简化器件工艺和提高器件的性能。

Description

用分子束外延方法制作光电探测单元或焦平面器件的方法
技术领域
本发明属光电探测单元或焦平面器件的制备领域，特别是涉及一种采用分子束外延方法制作铍扩散源形成平面/准平面光电探测单元或焦平面器件的方法。
背景技术
半导体光电探测器一般属于量子型的探测器，其发明已有百余年历史，可以采用各种半导体材料，在众多领域都有重要应用。半导体光电探测器的结构已由简单的体材料发展到复杂的异质结、量子阱、超晶格等微结构材料，涉及的波长范围由早期在可见-近红外的狭窄波段拓展到整个紫外、可见、近红外、中红外乃至远红外波段，材料体系也包含VI、III-V、II-VI、IV-VI及有机化合物等等，也有光导、光伏等多种类型，不一而足，最常见的是基于pn结的光伏型光电探测器。目前典型的采用III-V族化合物材料的pn结型光电探测器一般是在InP、GaAs、GaSb、InAs等衬底上用外延方法上制作，其基本结构包括一个低掺杂(或非故意掺杂)的光吸收层和一个帽层，在帽层中采用外延原位掺杂、外延后扩散掺杂或离子注入等方法形成pn结。一般帽层希望采用禁带较宽的材料以利于透光和提高器件性能。
在帽层如采用外延原位掺杂，那么在后续工艺中常需采用刻蚀等方法制作台面图形以限制pn结的面积，而采用外延后扩散掺杂或离子注入等方法则用制作掩模的方法进行选择掺杂来限制pn结的面积。外延原位掺杂成结由于pn结是在材料生长过程中自然连续完成的，一般成结质量较好且较方便，也容易形成突变结，但由于其后要采用台面刻蚀工艺，由于其侧壁的影响会给钝化带来一定困难，在钝化效果欠佳时会影响到器件性能，台面结构由于其非平面性也会给要求器件平面化的一些应用带来限制，有时需要采用特殊的平面化措施；外延后扩散或离子注入掺杂成结其pn结侧壁一般是包围在宽禁带的帽层材料中，一般钝化效果较好有利于提高器件性能，且易于制作平面化的器件，但也带来后续工艺较复杂的问题。对于扩散工艺，其pn结图形不易精确界定，对于III-V族的扩散工艺还存在对于较大尺寸的材料扩散不易均匀的问题，这对于尺度较大的焦平面阵列器件等影响尤为显著；对于离子注入，注入后的高温退火给后续工艺带来困难，且注入损伤难以完全消除，这对于要求很高的光电探测器件也是十分不利的。因此人们希望能结合这些掺杂成结工艺的优点发展出更合适的成结工艺，且与原有工艺相比又不增加复杂性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种采用分子束外延方法制作铍扩散源形成平面/准平面光电探测单元或焦平面器件的方法，该方法具有普适性，制备方法简单，避免了常规扩散成结工艺中加工大尺寸材料时均匀性难以保证的困难；掺杂成结工艺结合了光电探测器件制作中台面型原位掺杂成结工艺成结方便和平面型扩散成结工艺钝化效果好的优点，简化器件工艺和提高器件的性能。
本发明的一种采用分子束外延方法制作铍扩散源形成平面/准平面光电探测单元或焦平面器件的方法，包括：
(1)应用分子束外延生长技术，在半绝缘或高掺杂导电衬底上生长缓冲层、光吸收层和宽禁带帽层的常规适合平面扩散工艺的光电探测器件外延结构，然后连续生长一层铍高掺杂或δ掺杂的异质窄禁带薄层作为扩散源层；
(2)在完成步骤(1)后用常规图形加工工艺按要求刻蚀扩散源层形成局部掺杂源图形，进而在钝化介质膜的保护下应用扩散技术形成平面/准平面pn结，扩散温度为450-600℃；然后制作电极构成光电探测单元或焦平面器件。
所述步骤(1)中的衬底选用具有选择腐蚀特性的异质材料构成，如InP/InGaAs、InAlAs/InGaAs、GaSb/InAs、AlGaAs/GaAs、InGaP/GaAs、AlInP/GaAs等等，也不仅限于晶格匹配体系，这样在后续工艺中可以很方便地利用其选择腐蚀特性定义局部掺杂区，同时扩散源层厚度很薄，这样在后续加工中无论是否去除都可以保持较好的平面化特性。
所述步骤(1)中的缓冲层为InP或InAlAs材料，厚度为0.2-2微米。
所述步骤(1)中的光吸收层为非故意掺杂或低掺杂n型，厚度在1-3微米。
所述步骤(1)中的宽禁带帽层为非故意掺杂或低掺杂n型，材料为InP或InAlAs，厚度在0.5-1微米。
所述步骤(1)连续生长一层铍高掺杂的InGaAs薄层作为扩散源层，厚度为50-500纳米，掺杂浓度在1-5E19cm-3。
所述步骤(2)中的钝化介质膜为厚度100-300nm的Si3N4。
这种方法可以适合不同种类的III-V族化合物材料体系光电探测器件的制作，也可适合其他类型的pn结器件制作及拓展到其他材料体系。
本发明的出发点和优点在于：1)铍的原子半径小，掺杂效率高，在III-V族材料中是很合适的p型掺杂剂且具有适中的热扩散系数，方便进行固态有限源热扩散；2)铍在III-V族材料的分子束外延中也是一种最常用的p型掺杂源，可方便地在与所生长的器件外延材料兼容的薄层外延基质材料中进行铍重掺杂从而做为固态扩散源层，无需额外引入其他生长源和掺杂源；3)宽禁带帽层和薄扩散源层可选用具有选择腐蚀特性的异质材料构成，如InP/InGaAs、InAlAs/InGaAs、GaSb/InAs、AlGaAs/GaAs、InGaP/GaAs、AlInP/GaAs等等，也不仅限于晶格匹配体系，这样在后续工艺中可以很方便地利用其选择腐蚀特性定义局部掺杂区，同时扩散源层厚度很薄，这样在后续加工中无论是否去除都可以保持较好的平面化特性；4)由于扩散源层是窄禁带高掺杂层，这样在后续工艺中可保留其作为欧姆接触层，方便采用非合金化工艺制作电极。
有益效果
(1)本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：此种掺杂成结工艺结合了光电探测器件制作中台面型原位掺杂成结工艺成结方便和平面型扩散成结工艺钝化效果好的优点，简化器件工艺和提高器件的性能；此外这种方法即可以适合不同种类的III-V族化合物材料体系光电探测器件的制作，也可适合其他类型的pn结器件制作及拓展到其他材料体系，可以用相当灵活的方式实现；
(2)本发明中的分子束外延生长的扩散源层其厚度一般限制在百纳米量级，因此无论在后续工艺中这一层是否去除整个器件结构都可保持平面或准平面的特点，且由于此扩散源层是采用外延方法生长的，其扩散源在外延过程中同时形成并具有很好的一致性，均匀性只受到外延方法本身的限制，而不像常规扩散工艺那样受到扩散源浓度分布的影响，避免了常规扩散成结工艺中加工大尺寸材料时均匀性难以保证的困难，因此适合于大尺寸的衬底材料，可在在大规模线列或面阵焦平面器件的制作发挥作用。
附图说明
图1是本发明的实施流程示意图，具体包括：A)分子束外延连续生长适合平面扩散工艺的光电探测器件外延结构及铍高掺杂或δ掺杂的异质窄禁带薄层扩散源层；B)选择刻蚀薄层扩散源层形成局部掺杂图形；C)淀积可具有保护、钝化和增透等功能的介质层；D)在合适温度下利用薄扩散源层进行固态有限源热扩散形成光电探测器的pn结区；E)开出p型电极窗口；F)制作p型电极形成单元或阵列焦平面光电探测器件；其中1-衬底，2-缓冲层，3-光吸收层，4-宽禁带帽层，5-局部掺杂源，6-钝化介质膜，7-pn结，8p型电极。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
下面以在InP衬底上制作晶格匹配的InGaAs光电探测器件为例来具体说明本发明的实施方案：
(1)首先应用分子束外延生长技术在InP衬底(附图中1)上生长包括缓冲层(附图中2)、InGaAs光吸收层(附图中3)和宽禁带帽层(附图中4)的适合平面扩散工艺的光电探测器件外延结构。InP衬底可根据器件具体要求(如正面或背面进光、封装及应用要求等)采用半绝缘或N型高掺杂导电类型；缓冲层可选用InP或InAlAs等宽禁带(相对吸收层而言)材料，厚度为500纳米，掺杂及其浓度也可根据器件的最终要求确定；InGaAs光吸收层为非故意掺杂或低掺杂n型，厚度在1-3微米；宽禁带帽层也为非故意掺杂或低掺杂n型，材料可为InP或InAlAs等，厚度在0.5-1微米。在此之后连续生长一层铍高掺杂的InGaAs薄层(附图中5)作为扩散源层，厚度为200纳米，为保证其作为铍扩散固态源的效果，其掺杂浓度控制在2E19cm-3，也可在生长过程中再引入合适的铍δ掺杂层以增加其中的铍总含量。
(2)在完成外延生长后用常规图形加工工艺按要求用选择刻蚀的方法刻蚀扩散源层形成局部掺杂源图形(附图中5)，由于帽层和扩散源层为可选择腐蚀的材料，因此定义图形后可即结合此扩散源层做为掩模进行轻漂以去除帽层上可能存在的p型薄层，确保器件结构质量。
(3)用PECVD方法大面积淀积Si3N4作为保护钝化介质膜(附图中6)，其厚度在100-300nm，也可根据增透波长的要求设定。
(4)在其保护下应用热扩散技术形成pn结(附图中7)。由于有Si3N4作为保护膜，热扩散可以在常规保护气氛下进行而无需特殊保护气氛，扩散温度可在450-600℃之间，扩散时间和温度参数与宽禁带帽层和铍扩散源层的具体参数相关，需要进行预先试验以使pn结前沿到达或稍深入宽禁带帽层和InGaAs光吸收层的界面，并获得合适的掺杂剖面。
(5)用常规光刻和刻蚀方法开出p型电极窗口。
(6)制作p型电极(附图中8)构成光电探测单元或焦平面器件结构。
需要进一步说明的是，本实施例采用晶格匹配的材料体系，由前述实施方案可见，此方法也可很方便地应用于波长延伸的InGaAs光探测器件，只要缓冲层采用合适的组分渐变层，增加InGaAs光吸收层中的In组分，宽禁带帽层采用与吸收层匹配的InAlAs或InAsP即可，这时扩散源层仍可采用与光吸收层同组分的InGaAs，后续工艺可以相同。除此之外，此种方案不仅适合正面进光的单元或阵列器件，也适合于采用倒扣封装的背面进光单元或阵列器件，只要后续工艺稍加变化即可，实现方式相当灵活。
实施例2
下面以在GaAs衬底上制作GaAs光电探测器件为例来具体说明本发明的实施方案：
(1)首先应用分子束外延生长技术在GaAs衬底(附图中1)上生长包括缓冲层(附图中2)、GaAs光吸收层(附图中3)和宽禁带AlGaAs帽层(附图中4)的适合平面扩散工艺的光电探测器件外延结构。GaAs衬底可根据器件具体要求(如正面或背面进光、封装及应用要求等)采用半绝缘或N型高掺杂导电类型；缓冲层可用GaAs材料，厚度为500纳米，掺杂及其浓度也可根据器件的最终要求确定；GaAs光吸收层为非故意掺杂或低掺杂n型，厚度在1-3微米；宽禁带AlGaAs帽层也为非故意掺杂或低掺杂n型，厚度在0.5-1微米。在此之后连续生长一层铍高掺杂的GaAs薄层(附图中5)作为扩散源层，厚度为200纳米，为保证其作为铍扩散固态源的效果，其掺杂浓度控制在2E19cm-3，也可在生长过程中再引入合适的铍δ掺杂层以增加其中的铍总含量。
(2)在完成外延生长后用常规图形加工工艺按要求用选择刻蚀的方法刻蚀扩散源层形成局部掺杂源图形(附图中5)，由于帽层和扩散源层为可选择腐蚀的材料，因此定义图形后可即结合此扩散源层做为掩模进行轻漂以去除帽层上可能存在的p型薄层，确保器件结构质量。
(3)用PECVD方法大面积淀积Si3N4作为保护钝化介质膜(附图中6)，其厚度在100-300nm，也可根据增透波长的要求设定。
(4)在其保护下应用热扩散技术形成pn结(附图中7)。由于有Si3N4作为保护膜，热扩散可以在常规保护气氛下进行而无需特殊保护气氛，扩散温度可在500-650℃之间，扩散时间和温度参数与宽禁带帽层和铍扩散源层的具体参数相关，需要进行预先试验以使pn结前沿到达或稍深入宽禁带AlGaAs帽层和GaAs光吸收层的界面，并获得合适的掺杂剖面。
(5)用常规光刻和刻蚀方法开出p型电极窗口。
(6)制作p型电极(附图中8)构成光电探测单元或焦平面器件结构。

Claims (7)

1.一种采用分子束外延方法制作铍扩散源形成平面/准平面光电探测单元或焦平面器件的方法，包括：
(1)应用分子束外延生长技术，在半绝缘或高掺杂导电衬底上生长缓冲层、光吸收层和宽禁带帽层的常规适合平面扩散工艺的光电探测器件外延结构，然后连续生长一层铍高掺杂或δ掺杂的异质窄禁带薄层作为扩散源层；
(2)在完成步骤(1)后用常规图形加工工艺按要求刻蚀扩散源层形成局部掺杂源图形，在钝化介质膜的保护下应用扩散技术形成平面/准平面pn结，扩散温度为450-600℃；然后制作电极构成光电探测单元或焦平面器件。
2.根据权利要求1所述的一种采用分子束外延方法制作铍扩散源形成平面/准平面光电探测单元或焦平面器件的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的衬底为InP/InGaAs、InAlAs/InGaAs、GaSb/InAs、AlGaAs/GaAs、InGaP/GaAs或AlInP/GaAs。
3.根据权利要求1所述的一种采用分子束外延方法制作铍扩散源形成平面/准平面光电探测单元或焦平面器件的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的缓冲层为InP或InAlAs材料，厚度为0.2-2微米。
4.根据权利要求1所述的一种采用分子束外延方法制作铍扩散源形成平面/准平面光电探测单元或焦平面器件的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的光吸收层为非故意掺杂或低掺杂n型，厚度在1-3微米。
5.根据权利要求1所述的一种采用分子束外延方法制作铍扩散源形成平面/准平面光电探测单元或焦平面器件的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的宽禁带帽层为非故意掺杂或低掺杂n型，材料为InP或InAlAs，厚度在0.5-1微米。
6.根据权利要求1所述的一种采用分子束外延方法制作铍扩散源形成平面/准平面光电探测单元或焦平面器件的方法，其特征在于：所述步骤(1)连续生长一层铍高掺杂的InGaAs薄层作为扩散源层，厚度为50-500纳米，掺杂浓度在1-5E19cm-3。
7.根据权利要求1所述的一种采用分子束外延方法制作铍扩散源形成平面/准平面光电探测单元或焦平面器件的方法，其特征在于：所述步骤(2)中的钝化介质膜为厚度100-300nm的Si3N4。
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