CN102412343A - 可用于单光子探测的平面型雪崩二极管探测器的制作方法 - Google Patents

可用于单光子探测的平面型雪崩二极管探测器的制作方法 Download PDF

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Abstract

一种可用于单光子探测的平面型雪崩二极管探测器的制作方法，包括：在N型InP衬底上依次生长InP缓冲层、InGaAs吸收层、InGaAsP渐变层、N型InP电荷层和InP帽层；在InP帽层上生长SiO2保护层；在SiO2保护层的中间光刻出圆形窗口；通过湿法腐蚀，在圆形窗口中腐蚀InP帽层，形成圆坑；在圆形窗口周围的SiO2保护层上套刻出保护环的窗口；通过扩散工艺在保护环的窗口内；用HF溶液去除剩余的SiO2保护层；在InP帽层上重新生长SiO2层，并在圆坑的周围套刻出电极窗口；通过电子束蒸发、剥离工艺，在电极窗口上形成顶部环状电极；在环状电极上的周围及一侧制备金属电极；通过电子束蒸发，在N型InP衬底的背面形成背部电极；在圆坑内InP帽层的表面，制备SiNx增透膜，完成雪崩二极管探测器的制作。

Description

可用于单光子探测的平面型雪崩二极管探测器的制作方法
技术领域
本发明属于半导体器件领域，具体是指一种带有双浮动保护环的平面型雪崩二极管探测器的制作方法。
背景技术
近年来由于生物光子学、医学影像、量子通信以及加密系统等的快速发展，对能实现单光子探测的光电探测器需求日渐增强，只有实现对微弱信号甚至单光子源的探测，才能促进上述领域蓬勃的发展。其中，雪崩二极管探测器(APD)作为可用作单光子探测的主要类型之一，早已被广泛应用于传统的光纤通信等领域。与PIN探测器相比，APD具有自身内部增益的特点，不需要外部放大器对探测信号进行放大，表现出比PIN更优的性能。以此基础，若对APD的结构进行重新优化，并使其工作在盖格模式(Geiger Mode)之下，就可以实现对单光子的探测。
在众多雪崩二极管探测器中，平面型APD具有暗电流低、可靠性高等优点而被大量研究。但是，平面型APD由于结构因素，容易在边缘提前击穿，影响探测器的性能。而带有保护环的平面型APD很好的解决了这个问题，为单光子探测领域找到了一个可行的方向。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种可用于单光子探测的平面型雪崩二极管探测器的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：在N型InP衬底上依次生长InP缓冲层、InGaAs吸收层、InGaAsP渐变层、N型InP电荷层和InP帽层；
步骤2：在InP帽层上生长厚度为
Figure BDA0000114339640000011
的SiO2保护层；
步骤3：在SiO2保护层的中间光刻出圆形窗口，刻蚀深度到InP帽层的表面；
步骤4：通过湿法腐蚀，在圆形窗口中腐蚀InP帽层，形成圆坑；
步骤5：在圆形窗口周围的SiO2保护层上套刻出保护环的窗口；
步骤6：通过扩散工艺在保护环的窗口内，形成P型结构；
步骤7：用HF溶液去除剩余的SiO2保护层；
步骤8：在InP帽层上重新生长SiO2层，并在圆坑的周围套刻出电极窗口；
步骤9：通过电子束蒸发、剥离工艺，在电极窗口上形成顶部环状电极；
步骤10：在环状电极上的周围及一侧制备金属电极；
步骤11：通过电子束蒸发，在N型InP衬底的背面形成背部电极；
步骤12：在圆坑内InP帽层的表面，制备SiNx增透膜，完成雪崩二极管探测器的制作。
附图说明
为进一步说明本发明的内容，下面结合附图给出具体实施方式的详细说明，其中：
图1为本发明经步骤1至步骤3后的器件截面示意图；
图2为本发明经步骤4之后的器件截面示意图。
图3为本发明经过步骤5之后的器件截面示意图
图4为本发明经过步骤6之后的器件截面示意图。
图5为本发明经过步骤7、8之后的器件截面示意图。
图6为本发明经过步骤9之后器件截面示意图。
图7为本发明器件的结构俯视图。
图8为沿图7中的A-A线的剖面图。
图9为沿图7中的B-B线的剖面图。
图10为本发明经过步骤11之后的器件截面示意图。
图11为本发明经过步骤12之后的器件截面示意图。
具体实施方式
请参阅图1至图11所示，本发明提供一种可用于单光子探测的平面型雪崩二极管探测器的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：在N型InP衬底1上依次生长InP缓冲层2、InGaAs吸收层3、InGaAsP渐变层4、N型InP电荷层5和InP帽层6；
步骤2：在InP帽层6上生长厚度为
Figure BDA0000114339640000031
的SiO2保护层7；
步骤3：在SiO2保护层7的中间光刻出圆形窗口8，刻蚀深度到InP帽层6的表面；
步骤4：通过湿法腐蚀，在圆形窗口8中腐蚀InP帽层6，形成圆坑9，所述的湿法腐蚀液的组成为Br2∶HBr∶H2O＝1∶25∶80；
步骤5：在圆形窗口8周围的SiO2保护层7上套刻出保护环的窗口10，所述的窗口10包括中心结和保护环，中心结半径比腐蚀圆坑大3-5μm，保护环为双浮动保护环；保护环的宽度为1.5μm，保护环之间的距离为5.5μm；
步骤6：通过扩散工艺在保护环的窗口10内，形成P型结构11，所述的扩散工艺为闭管式扩散，扩散温度为560℃，扩散物质为Zn2P3；
步骤7：用HF溶液去除剩余的SiO2保护层7；
步骤8：在InP帽层6上重新生长SiO2层12，并在圆坑9的周围套刻出电极窗口13，所述的SiO2层12的厚度为
Figure BDA0000114339640000032
所述的电极窗口13比圆坑9半径大2-3μm；
步骤9：通过电子束蒸发、剥离工艺，在电极窗口13上形成顶部环状电极14，所述的环状电极14为Au、Zn和Au，环状电极14的内半径小于圆坑9的半径，外半径与电极窗口13相等；
步骤10：在环状电极14上的周围及一侧制备金属电极21，所述的金属电极21为Ti和Au，该金属电极21的一侧为环形电极，另一侧为块状电极，该环形电极与块状电极之间为一条状电极；
步骤11：通过电子束蒸发，在N型InP衬底1的背面形成背部电极22，所述的背部电极22为Au、Ge和Ni；
步骤12：在圆坑9内InP帽层6的表面，制备SiNx增透膜23，完成雪崩二极管探测器的制作。
其中，
步骤4中，湿法腐蚀在常温下进行，将晶片静止放在腐蚀液中；
步骤5中，制备保护环，并设定保护环的宽度及其之间的距离，可以有效的改变该器件表面的电场分布，从而达到抑制边缘提前击穿的效果。
步骤6中，扩散为在密闭石英管中放入晶片及足量的扩散物质，待扩散炉升至需要的温度时，再将石英管推进扩散炉。
步骤9剥离工艺是用普通光刻胶进行，并在丙酮中浸泡使其脱落。
本发明采用湿法腐蚀的方法腐蚀圆坑9，一方面圆坑9的存在使得P型结构11的中心结形成台阶形状，增大了P型结构11的曲率半径，抑制了器件中心结边缘的提前击穿；另一方面，湿法腐蚀的方法使圆坑9的侧壁光滑，交界面棱角不明显，进一步减小了在边缘击穿的可能。同时，扩散形成的双浮动保护环进一步增大了P型结构11的曲率半径，并改变了中心结边缘处的电场分布，更好地抑制了器件的边缘击穿，使其正常的工作。而闭管扩散的方法，保证了对材料的低损伤，减少缺陷，降低体暗电流，提高器件性能。顶部电极中环状电极14和金属电极21的双层设计，增强了在圆坑9周围InP帽层6和SiO2层12台阶处电极的粘附，保证了器件在不同条件下工作的稳定性。经过以上的设计，可以使本发明中的平面型雪崩二极管探测器结构很好的应用于单光子探测的各个领域。
以上所述，仅是本发明的实施例而已，并非对本发明作任何形式上的的限制，凡是依据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案范围之内，因此本发明的保护范围当以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种可用于单光子探测的平面型雪崩二极管探测器的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：在N型InP衬底上依次生长InP缓冲层、InGaAs吸收层、InGaAsP渐变层、N型InP电荷层和InP帽层；
步骤2：在InP帽层上生长厚度为
Figure FDA0000114339630000011
的SiO2保护层；
步骤3：在SiO2保护层的中间光刻出圆形窗口，刻蚀深度到InP帽层的表面；
步骤4：通过湿法腐蚀，在圆形窗口中腐蚀InP帽层，形成圆坑；
步骤5：在圆形窗口周围的SiO2保护层上套刻出保护环的窗口；
步骤6：通过扩散工艺在保护环的窗口内，形成P型结构；
步骤7：用HF溶液去除剩余的SiO2保护层；
步骤8：在InP帽层上重新生长SiO2层，并在圆坑的周围套刻出电极窗口；
步骤9：通过电子束蒸发、剥离工艺，在电极窗口上形成顶部环状电极；
步骤10：在环状电极上的周围及一侧制备金属电极；
步骤11：通过电子束蒸发，在N型InP衬底的背面形成背部电极；
步骤12：在圆坑内InP帽层的表面，制备SiNx增透膜，完成雪崩二极管探测器的制作。
2.根据权利要求1所述的可用于单光子探测的平面型雪崩二极管探测器的制作方法，其中步骤3的湿法腐蚀液的组成为Br2∶HBr∶H2O＝1∶25∶80。
3.根据权利要求1所述的可用于单光子探测的平面型雪崩二极管探测器的制作方法，其中步骤5的窗口包括中心结和保护环，中心结半径比腐蚀圆坑大3-5μm，保护环为双浮动保护环；保护环的宽度为1.5μm，保护环之间的距离为5.5μm。
4.根据权利要求1所述的可用于单光子探测的平面型雪崩二极管探测器的制作方法，其中步骤6的扩散工艺为闭管式扩散，扩散温度为560℃，扩散物质为Zn2P3。
5.根据权利要求1所述的可用于单光子探测的平面型雪崩二极管探测器的制作方法，其中SiO2层的厚度为
Figure FDA0000114339630000021
6.根据权利要求1所述的可用于单光子探测的平面型雪崩二极管探测器的制作方法，其中步骤8的电极窗口比圆坑半径大2-3μm。
7.根据权利要求1所述的可用于单光子探测的平面型雪崩二极管探测器的制作方法，其中步骤9的环状电极为Au、Zn和Au，环状电极的内半径小于圆坑的半径，外半径与电极窗口相等。
8.根据权利要求1所述的可用于单光子探测的平面型雪崩二极管探测器的制作方法，其中步骤10中的金属电极为Ti和Au。
9.根据权利要求8所述的可用于单光子探测的平面型雪崩二极管探测器的制作方法，其中金属电极的一侧为环形电极，另一侧为块状电极，该环形电极与块状电极之间为一条状电极。
10.根据权利要求8所述的可用于单光子探测的平面型雪崩二极管探测器的制作方法，其中背部电极为Au、Ge和Ni。
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