CN102263162A

CN102263162A - 一种倒装焊结构雪崩光电二极管及其阵列的制备方法

Info

Publication number: CN102263162A
Application number: CN201110170878A
Authority: CN
Inventors: 赵彦立
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2011-06-23
Filing date: 2011-06-23
Publication date: 2011-11-30

Abstract

本发明涉及一种倒装焊结构雪崩光电二极管及其阵列的制备方法。具体为在半导体衬底上依次沉积缓冲层、本征光吸收层、过渡层、电荷层，本征盖层；而后采用两步Zn扩散方法在本征盖层中形成PN结；在上述衬底反面集成微透镜；采用蒸发、溅射方法在上述衬底上形成电极；将上述电极进行倒装焊，即得到倒装焊结构雪崩光电二极管。本发明的倒装焊结构APD及其阵列具有低成本、高速率、高灵敏度、低噪声和易集成的特点，可以广泛应用在光通信、卫星遥感、夜视成像、伪装识别、有害气体探测和医学诊断等领域。

Description

一种倒装焊结构雪崩光电二极管及其阵列的制备方法

技术领域

本发明涉及半导体制备领域，特别涉及一种倒装焊结构雪崩光电二极管及其阵列的制备方法。

背景技术

光探测器是将光信号转变为电信号的器件。在半导体光探测器中，入射光子激发出的光生载流子在外加偏压下进入外电路后，形成可测量的光电流。雪崩光电二极管(APD，Avalanche Photo Diode)对光电流的放大作用基于电离碰撞效应，在一定的条件下，被加速的电子和空穴获得足够的能量，能够与晶格碰撞产生一对新的电子-空穴对，这种过程是一种连锁反应，从而由光吸收产生的一对电子-空穴对可以产生大量的电子-空穴对而形成较大的二次光电流。因此APD具有较高的内部增益，这种内部增益提高了接收系统的信噪比。APD可以工作在线性(linear)模式和盖革(Geiger)模式两种状态。在线性模式下，APD光电流随反偏电压增加而“线性”增加，此时所加的反偏电压低于击穿电压。所谓Geiger模式，就是APD上所加的反向偏压超过击穿电压这种工作状态。APD工作在Geiger模式状态时，由于碰撞产生的电子空穴对速度非常大，一般呈幂指数增长，反向偏压越大，电流增长得越快。这个过程受限于APD的串联电阻和空间电荷效应，最终导致耗尽区上的分压下降，达到一个稳定状态。此时，电子空穴对的产生速率和抽运速率平衡。如果APD这时接收到一个光子，就会发生雪崩现象，实现单光子探测。Geiger模式APD初始偏置于在击穿电压以上几伏，这使直接键合到读出红外探测器阵列和读出电路(ROIC-Readout Integrated Circuit)的Geiger-模式APD阵列成为可能。阵列结构是提高探测器光接收灵敏度的最有效途径之一，制作阵列并在高速状态下读出非常重要。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种倒装焊结构雪崩光电二极管APD的制备方法。

本发明的另一目的在于提供一种倒装焊结构雪崩光电二极管APD阵列的制备方法。

根据本发明的一个方面，提供一种倒装焊结构雪崩光电二极管的制备方法包括：

在半导体衬底上依次沉积缓冲层、本征光吸收层、过渡层、电荷层，本征盖层；

采用两步Zn扩散方法在本征盖层中形成PN结；

在上述衬底反面集成微透镜；

采用蒸发、溅射在上述衬底上Zn扩散区域形成电极；

将上述电极进行倒装焊，即得到倒装焊结构雪崩光电二极管。

进一步地，所述半导体衬底选用Fe掺杂的InP衬底，其电阻率大于1×10⁷Ω-cm。

进一步地，所述缓冲层采用Si掺杂的InP，掺杂浓度在0.05-8.0×10¹⁷/cm³，厚度在0.5-1.5微米。

进一步地，所述本征光吸收层选用In0.53Ga0.47As(InGaAs)材料，厚度为0.5-2.5微米，本征掺杂浓度低于1.0×10¹⁵/cm³；。

进一步地，所述过渡层为多层InGaAsP过渡层膜，其带隙从InGaAs带隙值缓慢变换到InP带隙值，其厚度为50-200nm。

进一步地，所述电荷层积分电荷面密度是2.5-3.0×10¹²/cm²。

进一步地，所述采用两步Zn扩散方法在本征盖层中形成PN结是采用基于金属有机化学气相沉积的两步扩散法形成PN结；采用二乙基锌作为扩散源材料，第一步Zn扩散二乙基锌的流量为8sccm，扩散时间为50分钟；第二步Zn扩散二乙基锌的流量为10Sccm，扩散时间为60分钟；第二步Zn扩散二乙基锌的流量大于第一步Zn扩散二乙基锌的流量，扩散温度范围为450-550℃，使P型掺杂载流子浓度达到3×10¹⁸/cm³。

进一步地，在上述衬底反面集成微透镜是采用氩离子束刻蚀的方式在上述衬底反面集成微透镜。

进一步地，所述采用蒸发、溅射将上述衬底上形成电极是：将P型InP衬底蒸镀Au/ZnAu，形成P电极，而后使电极与P型InP形成欧姆接触。

进一步地，所述ZnAu的厚度为50-500nm。

根据本发明的另一个方面，提供一种倒装焊结构雪崩光电二极管阵列的制备方法是将所述在同一衬底上形成的多个倒装焊结构雪崩光电二极管，选择N×M的个数进行集成。

进一步地，所述N×M代表像素数。

本发明具有以下有益效果：

1.通过本发明制备的倒装焊结构APD-3dB带宽可以达到10Gbit/s，灵敏度可以达到-29 dBm。

2.通过本发明制备的倒装焊结构APD可以实现单光子探测，在240K低温下，光探测效率可以达到40％。

3.可靠性高，本发明的制备过程中采用Zn扩散法形成平面PN结，有效降低了APD的暗电流，增加了APD的可靠性并降低了噪声；

4.量子效率高，本发明采用了集成微透镜的背入射结构，有利于光的有效吸收，提高了量子效率；

5.易集成，采用了倒装焊结构，便于与Si基微电子器件的集成。

6.本发明APD中光吸收层采用In_0.53Ga_0.47As(InGaAs)材料。与InP衬底相匹配的InGaAs三元系是直接带隙材料，与Si APD相比，InGaAs APD可以工作在对人眼安全的波长范围，比如1550nm。阵列结构是提高探测器光接收灵敏度的最有效途径之一，APD阵列中不同APD像素之间的隔离通过选择区域Zn扩散来实现。

附图说明

图1是本发明实施例提供的倒装焊结构雪崩光电二极管的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的倒装焊结构雪崩光电二极管的工作原理图；

其中1-SiN；2-微透镜；3-外延层；4-Zn扩散区域；5-金属电极；6-阳极；7-阴极；8-读出电路(ROIC)；9-外加偏压源；10-等效电阻；11-正向导通型二极管(相当于连接导线)；12-反向偏置二极管；13-接地；14-APD芯片。

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例提供的倒装焊结构雪崩光电二极管包括SiN 1、微透镜2、外延层3、由两步扩散法形成的Zn扩散区域4、用蒸法和溅射方法形成的金属电极5、阳极6、阴极7及读出电路(ROIC)8。

本发明实施例提供的倒装焊结构APD(如图1所示)的制备方法包括：

步骤S1、利用MOCVD或分子束外延(MBE)等技术在半导体衬底上沉积外延层3，所述外延层包括缓冲层、本征光吸收层、过渡层、电荷层及本征盖层(非故意掺杂)。本征光吸收层采用In_0.53Ga_0.47As(InGaAs)作为光吸收材料。

缓冲层采用Si掺杂的InP，掺杂浓度在0.05-8.0×10¹⁷/cm³，厚度在0.5-1.5微米。本征光吸收层选用In_0.53Ga_0.47As(InGaAs)材料，厚度为0.5-2.5微米，本征掺杂浓度低于1.0×10¹⁵/cm³。过渡层为多层InGaAsP过渡层膜为非故意掺杂，其带隙从InGaAS带隙值缓慢变换到InP带隙值，其厚度为50-200nm。电荷层积分电荷面密度在2.5-3.0×10¹²/cm²。

步骤S2、采用两步Zn扩散方法在本征盖层中形成PN结。

第一步Zn扩散二乙基锌的流量为8sccm，第二步Zn扩散二乙基锌的流量为10Sccm，扩散温度为500℃。第一步扩散时间为50分钟，第二步扩散时间为60分钟。扩散深度为0.2-0.4微米。本发明不同APD像素之间的隔离通过选择区域Zn扩散来实现。Zn扩散采用MOCVD方法，扩散源材料为二乙基锌。基于MOCVD的Zn扩散方法与传统的闭管扩散技术相比，MOCVD扩散技术具有更好的均匀性和重复性，这对制备大面积均匀的APD阵列非常重要。本发明采用两步扩散方法，形成的PN结结区中心部分为有效工作区。由于PN结中间部分的边缘具有很大的曲率半径，可以有效抑制APD的边击穿效应。

步骤S3、在半导体衬底反面集成微透镜2。可采用氩离子束刻蚀来制作具有良好表面形貌和光学性能的微透镜阵列。通过控制光致抗蚀剂的硬度，调整离子束的束能及入射方向，制作多种微米及亚微米级微透镜阵列。

步骤S4、采用蒸发、溅射形成电极。

Zn扩散区域上蒸镀Au/ZnAu，形成P电极，而后使电极与P型InP形成欧姆接触；

步骤S5、将上述电极进行倒装焊，即得到倒装焊结构雪崩光电二极管。

键合电极选用Au/Sn，或者Au/In，选择Sn或In等低熔点的材料便于进行倒装焊工艺。

本发明公开的APD外延结构为：

通过选择衬底上不同面积确定N×M个不同APD的个数集成，其中，N×M代表像素数，像素数的多少受工艺均匀性的限制。

为了便于集成，金属电极5制备于衬底正面Zn扩散层上，如图1所示。阳极6一侧接高电位，阴极7一侧接低电位。图2给出了本发明提出的倒装焊结构雪崩光电二极管的工作原理。图2中，外加偏压源9对APD芯片14中正向导通型二极管11提供高电位；同时反向偏置二极管12接地。此时，正向导通型二极管11在功能上相当于连接导线，因此就实现了APD芯片14的反向偏置。

本发明制备的倒装焊结构APD可以应用在光通信系统中，作为光接收机其-3dB带宽可以达到10Gbit/s，灵敏度可以达到-29dBm；本发明制备的倒装焊结构APD还可以应用在单光子探测领域，在240K低温下，光探测效率可以达到40％；本发明制备的倒装焊结构APD阵列可以应用在更高光探测效率的弱光探测和成像领域。

本发明的倒装焊结构APD及其阵列具有低成本、高速率、高灵敏度、低噪声和易集成的特点，可以广泛应用在光通信、卫星遥感、夜视成像、伪装识别、有害气体探测和医学诊断等领域。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种倒装焊结构雪崩光电二极管的制备方法，其特征在于，包括：

采用两步Zn扩散方法在本征盖层中形成PN结；

在上述衬底反面集成微透镜；

采用蒸发、溅射在上述衬底Zn扩散区域上形成电极；

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：

所述半导体衬底选用Fe掺杂的InP衬底，其电阻率大于1×10⁷Ω-cm。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：

所述缓冲层采用Si掺杂的InP，掺杂浓度在0.05-8.0×10¹⁷/cm³，厚度在0.5-1.5微米。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：

所述本征光吸收层选用In_0.53Ga_0.47As材料，厚度为0.5-2.5微米，本征掺杂浓度低于1.0×10¹⁵/cm³；。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：

所述过渡层为多层InGaAsP过渡层膜，其带隙从InGaAs带隙值缓慢变换到InP带隙值，其厚度为50-200nm。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：

所述电荷层积分电荷面密度是2.5-3.0×10¹²/cm²。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：

所述采用两步Zn扩散方法在本征盖层中形成PN结是采用基于金属有机化学气相沉积的两步扩散法形成PN结；采用二乙基锌作为扩散源材料，第一步Zn扩散二乙基锌的流量为8sccm，扩散时间为50分钟；第二步Zn扩散二乙基锌的流量为10sccm，扩散时间为60分钟；第二步Zn扩散二乙基锌的流量大于第一步Zn扩散二乙基锌的流量，扩散温度范围为450-550℃，使P型掺杂载流子浓度达到3×10¹⁸/cm³。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：

在上述衬底反面集成微透镜是采用氩离子束刻蚀的方式在上述衬底反面集成微透镜。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述采用蒸发、溅射将上述衬底上形成电极是：

Zn扩散区域上蒸镀Au/ZnAu，形成P电极，而后使电极与P型InP形成欧姆接触；所述ZnAu的厚度为50-500nm。

10.一种基于权利要求1所述的倒装焊结构雪崩光电二极管阵列的制备方法，其特征在于：将所述在同一衬底上形成的多个倒装焊结构雪崩光电二极管，选择N×M的个数进行集成；所述N×M代表像素数。