CN103022218A - 一种InAs雪崩光电二极管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种雪崩光电二极管及其制造方法，特别涉及一种InAs雪崩光电二极管；所述的二极管采用吸收电荷倍增分离结构，其中倍增层采用超晶格结构。本发明还涉及一种制造所述InAs雪崩光电二极管的方法，主要步骤为：S1.产生采用多量子阱超晶格结构的倍增层；S2.产生电荷层，渐变层以及光窗口层；S3.采用Zn扩散或者Cd扩散工艺形成PN结。本发明主要针对InAs材料的窄带隙属性，采用倍增层超晶格结构降低暗电流，特别是隧穿暗电流；此外采用与InAs材料相匹配的宽带隙材料对二极管的各个结构进一步优化，从而实现低噪声、高增益、高速，高响应。

Description

一种InAs雪崩光电二极管及其制造方法

技术领域

本发明属于光电二极管技术领域，特别涉及一种InAs雪崩光电二极管及其制造方法。

背景技术

目前，由于光通信系统的快速发展，对接收机的响应度和速率的要求越来越高。相比于PIN探测器，雪崩光电二极管(APD)由于其内部产生增益而具有较高的灵敏度，被广泛用于光通信系统中。但是由于增益的随机性会伴随着额外的噪声；且对于传统的APD如InAlAs、InP、Si、InGaAs等材料的APD，存在着增益-带宽积的限制，即高增益时，由于雪崩建立时间增加，带宽会降低，从而限制了接收机的速率。因此，低噪声、高响应、低暗电流、高增益带-宽积的APD更能满足光通信系统的要求。

根据McIntyre理论可以知道，电子和空穴的离化系数相差越大，APD的噪声就越低。在InAs材料中，空穴基本不离化，唯有电子离化，因此，几乎没有载流子反馈离化，从而降低噪声。此外，最大脉冲响应时间为电子和空穴的渡越时间之和；鉴于InAs材料中，单载流子离化，因此将不存在由于雪崩建立时间而产生的增益带宽积限制，即对于所有增益，带宽基本是个常数，最大的增益带-宽积受到最大增益限制。InAs材料APD可以很好的满足光通信系统低噪声、高速率、高响应度的要求。但是由于InAs是窄带隙材料，带隙为0.36ev,且离化系数对电场强度的依赖不大，导致倍增区越厚，增益越大。但是当倍增区越厚，由于存在背景掺杂浓度，导致电场很不均匀，且耗尽区不能完全耗尽，所能达到的最大增益受隧穿暗电流的限制。

对于窄带隙InAs APD,降低暗电流成为了需要解决的主要问题。目前，有一些主流降低InAs暗电流的方法，比如：1）低温工作法，该方法使APD工作在制冷环境290K-77K范围下，相比于290K，77K下暗电流可以降低6个数量级，但是增益也从17降低到8，从而降低了最大增益带宽积，限制了可用增益，且制冷下工作，需要添加额外的制冷装置，不便应用于通信系统中；2）改善制作工艺和添加扩散阻挡层法，该方法分别降低了表面暗电流和体扩散电流，InAs的生长温度为470°C时，晶格缺陷较小，采用二步刻蚀的方法，首先，使用比例为1:1:1的H₃PO₄:H₂O₂:H₂O溶液，之后采用1:8:80的H₂SO₄:H₂O₂:H₂O溶液，可以将暗电流降低一个数量级，采用AlAs_0.16Sb_0.84宽带隙作为少子阻挡层，阻止p型接触层中的少子向本征倍增区的扩散，也可以将暗电流降低一个数量级，但是暗电流仍然很高；3）He离子注入的平板结构，采用离子注入的方法制作了平板结构的InAs APD来消除表面暗电流，增加InAs电阻，由于二极管没有完全隔离导致较大的暗电流；4）半绝缘衬底Zn扩散工艺，采用Zn扩散的方法来最小化表面暗电流，采用半绝缘GaAs衬底，降低寄生电容，易于与其他器件集成，Zn扩散可以降低表面暗电流，但是由于晶格失配，缺陷密度导致暗电流仍然很大；5）改进电场以及降低本征掺杂浓度法,增加p型接触层浓度，从而增加势垒高度，降低来自p型接触层的少子扩散电流，通过在本征区中引入p型渐变掺杂层，中和本征非故意n型掺杂，改善电场的均匀性，增加耗尽区宽度，增大最大增益，且改善工艺降低本征掺杂浓度，从而降低体暗电流，暗电流降低接近一个数量级。上述方法都是针对InAs APD的体扩散暗电流和表面漏电流进行的改进，最大增益仍受着隧穿暗电流的限制。

已知的InGaAs超晶格APD中，超晶格结构可以提高倍增区的有效带隙，从而提高击穿的最大电场，提高最大增益，降低隧穿暗电流。为了降低InAs雪崩光电二极管的隧穿暗电流，需要一种能够匹配InAs材料的倍增区超晶格结构。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够有效降低隧穿暗电流的InAs雪崩光电二极管。

为了解决上述问题，本发明公开了一种InAs雪崩光电二极管，包括：光窗口层，分离的吸收层、渐变层、电荷层和倍增层；所述倍增层采用Al_xGa_1-xAs_ySb_1-y/InAs多量子阱超晶格结构；其中，x的范围是0.25~1， $y=\frac{0.0375+0.0396x}{0.4426+0.0318x}.$

进一步地，所述的多量子阱超晶格结构的势垒层与势阱层的厚度都在5nm~100nm范围内，倍增层的厚度范围是500nm~6um。

进一步地，所述渐变层采用至少两种不同组分的Al_mGa_1-mAs_nSb_1-n材料;其中，m是0.25~x范围内的任意值,

进一步地，所述渐变层的厚度范围是0.02um~0.1um。

进一步地，所述光窗口层采用Al_tGa_1-tAs_zSb_1-z材料，厚度范围是0.05um~1um；其中，t的范围是0.25~1，

本发明还公开了一种制造上述InAs雪崩光电二极管的方法，包括以下步骤：

S1.产生采用多量子阱超晶格结构的倍增层；

S2.产生电荷层，渐变层以及光窗口层；

S3.采用Zn扩散或者Cd扩散工艺形成PN结；

进一步地，所述倍增层采用非故意掺杂的本征Al_xGa_1-xAs_ySb_1-y/InAs超晶格量子阱，各自厚度在5nm-100nm范围内可变，倍增区域厚度在500nm~6um范围内可变；其中，x的范围是0.25~1，

进一步地，所述电荷层采用p型掺杂，与倍增层采用相同的材料；厚度为0.02um~0.1um，p型掺杂的浓度范围为4×10¹⁶cm^-3~1×10¹⁷cm^-3。

进一步地，所述渐变层采用不同组分的非故意掺杂的本征Al_mGa_1-mAs_nSb_1-n材料;其中，m是0.25~x范围内除的任意值,

厚度范围是0.02um~0.1um。

进一步地，所述光窗口层采用Al_tGa_1-tAs_zSb_1-z材料；其中，t的范围是0.25~1，

厚度范围是：0.01um~1um；掺杂浓度范围是为1×10¹⁷cm^-3~5×10¹⁸cm^-3。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明公开的一种InAs雪崩光电二极管，倍增层采用Al_xGa_1-xAs_ySb_1-y/InAs多量子阱超晶格结构，可以提高有效带隙，降低由于InAs窄带隙引起的隧穿暗电流，且同时降低产生复合暗电流；暗电流降低至少一个数量级。

2.采用Al_xGa_1-xAs_ySb_1-y/InAs多量子阱超晶格结构作为倍增区域，由于异质结边界导带不连续远大于价带不连续，可以实现较低的噪声。

3.采用Al_xGa_1-xAs_ySb_1-y/InAs多量子阱超晶格结构作为倍增区域，由于异质结边界导带不连续远大于价带不连续，且InAs中几乎只有电子离化，可以实现单载流子离化高速率的特性。

4.本发明公开的一种InAs雪崩光电二极管，渐变层采用至少两种不同组分的Al_mGa_1-mAs_nSb_1-n材料;可以实现带隙的渐变，降低界面累积，实现高速率。

5.本发明公开的InAs雪崩光电二极管，光窗口层采用Al_tGa_1-tAs_zSb_1-z材料；能够阻挡少子电子的扩散，降低扩散暗电流，可以对入射光透明，使光在本征InAs吸收层中吸收，降低产生复合作用从而提高量子效率，且对表面暗电流起抑制作用，实现低暗电流高量子效率。

6.本发明公开的一种InAs雪崩光电二极管的制做方法，采用Zn扩散或Cd扩散法来降低雪崩光电二极管的表面暗电流，增加雪崩光电二极管的可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的InAs雪崩光电二极管的结构示意图；

图2是本发明实施例二提供的InAs雪崩光电二极管的结构示意图；

图3是本发明提供的InAs雪崩光电二极管的倍增区AlAs_0.16Sb_0.84/InAs量子阱超晶格的能带示意图；

图4是InAs雪崩光电二极管的倍增层Al_0.25Ga_0.75As_0.1052Sb_0.8948/InAs量子阱超晶格的能带示意图；

图5是本发明实施例提供的图1所示的InAs雪崩光电二极管倍增区为AlAs_0.16Sb_0.84/InAs量子阱的渐变层的能带示意图；

图6是InAs雪崩光电二极管的光窗口层AlAs_0.16Sb_0.84/InAs的能带示意图；

图7是InAs雪崩光电二极管的光窗口层Al_0.25Ga_0.75As_0.1052Sb_0.8948/InAs的能带示意图。

其中，1-n型InAs衬底；2-InAs缓冲层；3-隔离层；4-N型金属接触电极；5-N型InAs欧姆接触层；6-阻挡层；7-倍增层超晶格量子阱InAs部分；8-倍增层超晶格量子阱AlAs_0.16Sb_0.84部分、9-倍增层超晶格量子阱Al_0.25Ga_0.75As_0.1052Sb_0.8948部分；10-电荷层Al_0.25Ga_0.75As_0.1052Sb_0.8948、11-电荷层AlAs_0.16Sb_0.84；12-渐变层Al_0.25Ga_0.75As_0.1052Sb_0.894和Al_0.42Ga_0.58As_0.1187Sb_0.881；13-InAs吸收层；14-InAs漂移渐变层；15-InAs漂移层；16-AlAs_0.16Sb_0.84光窗口层、17-Al_0.25Ga_0.75As_0.1052Sb_0.8948光窗口层；18-P型InAs欧姆接触层；19-P型金属接触电极；20-AlAs_0.16Sb_0.84材料能带；21-InAs材料能带；22-Al_0.25Ga_0.75As_0.1052Sb_0.8948材料能带；23-Al_0.42Ga_0.58As_0.1187Sb_0.881材料能带。

具体实施方式

本发明公开的一种InAs雪崩光电二极管，包括：n型衬底上，缓冲层、电隔离层、N型欧姆接触层、阻挡层、倍增层、电荷层、渐变层、吸收层、漂移渐变层，漂移层、光窗口层以及P型欧姆接触层。

光通过透明的光窗口层，在InAs吸收层中被吸收，进而产生光生电子-空穴对；渐变层使电子向倍增层渡越，减小界面积累效应；电荷层使倍增层形成较吸收层高的电场；在电子进入倍增层时，在势垒层中加速而不离化，在进入势阱层中，由于带边不连续而获得能量，在势阱层中发生碰撞离化而倍增。

本发明的倍增层采用Al_xGa_1-xAs_ySb_1-y/InAs多量子阱超晶格结构；x的范围是0.25~1，倍增层采用与窄带隙的InAs材料匹配的Al_xGa_1-xAs_ySb_1-y宽带隙材料，在InAs量子阱中形成分立能级，提高有效带隙，从而降低隧穿暗电流；此外，高的有效带隙也减少了复合暗电流的产生；导带的异质结边界不连续大于价带的异质结边界不连续,从而实现低噪声。

渐变层采用Al_mGa_1-mAs_nSb_1-n材料;其中，m是0.25~x范围内除0.25外的任意值,

x为倍增层中Al的配比值。渐变层主要帮助电子在进入倍增层前的能级平稳跃迁；常规的，一般采用多层能级不同但能级差变化平稳的材料制作渐变层。本发明采用至少两层不同组分的Al_mGa_1-mAs_nSb_1-n材料。

光窗口层采用Al_tGa_1-tAs_zSb_1-z材料；其中，t的范围是0.25~1，减少扩散电子向本征区域的扩散，进而减少扩散暗电流，同时保证对空穴的低或者很小阻碍。

下面给出两个具体实施例进一步说明被发明涉及的InAs雪崩光电二极管的结构及工作过程。本发明采用的倍增层采用Al_xGa_1-xAs_ySb_1-y/InAs多量子阱超晶格结构；x的范围是0.25~1，

在x的取值范围内选取x=1和x=0.25的情况分别说明。

实施例一

参见图1，当x=0.25时倍增层（7，9）采用Al_0.25Ga_0.75As_0.1052Sb_0.8948/InAs超晶格结构；相应的电荷层10采用Al_0.25Ga_0.75As_0.1052Sb_0.8948材料，渐变层的材料也为Al_0.25Ga_0.75As_0.1052Sb_0.8948与电荷层10以及倍增层9相同，所以可以省略这个结构。下面提供各结构材料及各项参数表：

参见图7，Al_0.25Ga_0.75As_0.1052Sb_0.8948/InAs的能带示意图。采用Al_0.25Ga_0.75As_0.1052Sb_0.8948材料作为光窗口层17，Al_0.25Ga_0.75As_0.1052Sb_0.8948材料能带22和InAs材料能带21的导带差为0.77eV，价带不连续几乎不存在，InAs材料能带21的带隙为0.36ev。其对于入射光透明，能够阻挡少数电子向本征区域的扩散，降低扩散暗电流。宽带隙材料提供一定的势垒增大扩散电子的跃迁难度；同时对空穴基本没有阻碍。

参见图4，本实施例给出的倍增层（7，9）Al_0.25Ga_0.75As_0.1052Sb_0.8948/InAs超晶格结构量子阱的能带示意图。其中，Al_0.25Ga_0.75As_0.1052Sb_0.8948材料能带22和InAs材料能带21的导带差为0.77eV，价带不连续几乎不存在。，所以电子碰撞离化产生有效质量较大的空穴在高增益时不会发生界面累积，因此，器件的速率得到一定程度的提高，实现了高带宽；同时也源于此过程中空穴几乎不离化，实现了单载流子离化，进而实现低噪声。

本实施例给出了一种组分的InAs雪崩光电二极管，倍增区采用超晶格结构能够通过提高有效带隙，降低窄带隙材料InAs带来的高隧穿暗电流；本发明方案给出了与InAs材料匹配的宽带隙材料,构成Al_xGa_1-xAs_ySb_1-y/InAs多量子阱超晶格结构，降低了InAs雪崩光电二极管高隧穿暗电流。同时，多量子阱超晶格结构提高了有效带隙，进一步减少了复合暗电流的产生。

实施例二

当x=1时，倍增层（7，8）采用AlAs_0.16Sb_0.84/InAs超晶格结构，其中电荷层11为AlAs_0.16Sb_0.84材料。

下面给出此时的一种结构材料及各项参数表：

本实施例提供了一种特殊情况，当x=1时，倍增层的宽带隙材料8采用AlAs_0.16Sb_0.84。渐变层12由两种不同组分的材料构成。

参见图6，采用AlAs_0.16Sb_0.84材料作为光窗口层16，AlAs_0.16Sb_0.84材料能带20和InAs材料能带21的导带差为1eV,价带差为0.3ev,InAs材料能带21的带隙为0.36ev，其对于入射光透明，能够阻挡少数电子向本征区域的扩散，降低扩散暗电流。宽带隙材料提供一定的势垒提升了扩散电子的跃迁难度。

参见图5，渐变层12的能带示意图，渐变层12使电子能够做类阶梯的跃迁，InAs材料能带21和Al_0.25Ga_0.75As_0.1052Sb_0.8948材料能带22导带差为0.77ev，价带不连续不存在，Al_0.25Ga_0.75As_0.1052Sb_0.8948材料能带22和Al_0.42Ga_0.58As_0.1187Sb_0.881材料能带23导带差为0.1ev,价带差为0.12ev，Al_0.42Ga_0.58As_0.1187Sb_0.881材料能带23和AlAs_0.16Sb_0.84材料能带20导带差为0.13ev，价带差为0.18ev。使电子从InAs吸收层13平稳的渡越到倍增层中的AlAs_0.16Sb_0.84材料8层

参见图3，倍增层（7，8）采用AlAs_0.16Sb_0.84/InAs超晶格结构量子阱的能带图，AlAs_0.16Sb_0.84材料能带20和InAs材料能带21的导带差为1eV，价带差仅为0.3eV,异质结带边不连续，电子进入势阱层中，获得带边能量，在势阱层中发生碰撞离化而倍增。由于导带不连续（导带差为1eV）远大于价带不连续（价带差为0.3eV），本结构仍然能实现较低噪声，且界面累积不会很大，单载流子碰撞离化仍然可以实现较高速率和较高带宽。

上述两个实施例给出了InAs雪崩光电二极管的两种可能的实施方式；其中倍增层采用AlAs_0.16Sb_0.84/InAs结构和Al_0.25Ga_0.75As_0.1052Sb_0.8948/InAs结构的多量子阱超晶格，通过与窄带隙的InAs匹配的宽带隙材料组合，提高有效带隙，从而降低隧穿暗电流和产生复合暗电流；同时，宽带隙材料制作的光窗口层有效阻挡了电子扩散，进而降低了扩散暗电流。异质结的导带不连续远大于价带不连续增加了电子空穴离化系数比，且InAs材料中空穴离化率很低，大多是电子离化，可以实现较低噪声，单载流子离化一定程度上提升了器件的速率进而实现高带宽。

本发明还提供了一种上述InAs雪崩光电二极管的制造方法，主要包括以下步骤：

S1.产生采用多量子阱超晶格结构的倍增层；

S2.产生电荷层，渐变层以及光窗口层；

S3.采用Zn扩散或者Cd扩散工艺形成PN结；

二极管的常规结构包括：n型衬底1、缓冲层2、电隔离层3、N型欧姆接触层5、阻挡层6、倍增层、电荷层、渐变层、吸收层、漂移渐变层14，漂移层15、光窗口层以及P型欧姆接触层18；下面主要针对本发明涉及的结构进行详细说明；简述其他常规结构的参数信息。

执行步骤S1.产生采用多量子阱超晶格结构的倍增层。倍增层采用非故意掺杂的本征Al_xGa_1-xAs_ySb_1-y/InAs超晶格量子阱，各自厚度在5nm-100nm范围内可变，倍增区域厚度在500nm~6um范围内可变；其中，x的范围是0.25~1， $y=\frac{0.0375+0.0396x}{0.4426+0.0318x}.$

执行步骤S2.产生电荷层，渐变层以及光窗口层；电荷层采用p型掺杂，与倍增层采用相同的材料；厚度为0.02~0.1微米，p型掺杂的浓度为4×10¹⁶~1×10¹⁷cm^-3。渐变层采用至少两种不同组分的非故意掺杂的本征Al_mGa_1-mAs_nSb_1-n材料;其中，m在0.25~x范围内可调,

厚度范围是0.02um~0.1um。光窗口层采用Al_tGa_1-tAs_zSb_1-z材料；其中，t的范围是0.25~1，厚度范围是：0.01um~1um；掺杂浓度范围是为1×10¹⁷cm^-3~5×10¹⁸cm^-3。

执行步骤S3.采用Zn扩散或者Cd扩散工艺形成PN结。Zn扩散或者Cd扩散工艺能够很好的降低表面暗电流，提升器件性能和可靠性。

常规结构中，欧姆接触层包括p极欧姆接触层18和n极欧姆接触层5；其中，n极欧姆接触层5采用n型重掺杂的InAs，厚度为0.02-0.5微米，n型掺杂的浓度为10¹⁷~1×10¹⁹cm^-3；p极欧姆接触层18采用p型重掺杂的InAs，厚度为0.02-0.5微米，掺杂浓度为10¹⁷~1×10¹⁹cm^-3。在欧姆层上形成电极。分别在P型和N型欧姆接触层生成电极。所述吸收层13以及漂移层15采用本征和部分耗尽的p型渐变掺杂的InAs材料，总厚度大于1.5um。漂移渐变层14中p型轻掺杂的InAs部分，渐变掺杂浓度为1×10¹⁵cm^-3-1×10¹⁷cm^-3,p型掺杂的InAs重掺杂部分，掺杂浓度范围在1×10¹⁸cm^-3~3×10¹⁸cm^-3内可变。

完成制造流程。

本发明涉及的InAs雪崩光电二极管主要通过超晶格结构降低隧穿暗电流，同时提高有效带隙也会降低产生复合暗电流，光窗口层也能降低扩散暗电流。此外，异质结的导带不连续远大于价带不连续使噪声很小，同时单载流子离化可以实现较高的带宽和速率。Al_xGa_1-xAs_ySb_1-y不同组分的材料作为匹配InAs材料的宽带隙材料，发挥出了巨大的进步意义，解决了InAs雪崩光电二极管的高隧穿暗电流的难题，从而提升了器件的整体性能。采用Zn扩散或者Cd扩散工艺形成PN结能够很好的降低表面暗电流，提升器件的可靠性。

最后应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种InAs雪崩光电二极管，包括：光窗口层，分离的渐变层、电荷层和倍增层；其特征在于：所述倍增层采用Al_xGa_1-xAs_ySb_1-y/InAs多量子阱超晶格结构；其中，x的范围是0.25~1，

2.如权利要求1所述的InAs雪崩光电二极管，其特征在于：所述的多量子阱超晶格结构的势垒层与势阱层的厚度都在5nm~100nm范围内，倍增层的厚度范围是500nm~6um。 

3.如权利要求1所述的InAs雪崩光电二极管，其特征在于：所述渐变层采用至少两种不同组分的Al_mGa_1-mAs_nSb_1-n材料;其中，m是0.25~x范围内的任意值,

4.如权利要求3所述的InAs雪崩光电二极管，其特征在于：所述渐变层的厚度范围是0.02um~0.1um。 

5.如权利要求1所述的InAs雪崩光电二极管，其特征在于：所述光窗口层采用Al_tGa_1-tAs_zSb_1-z材料；厚度是0.05um~1um。其中，t的范围是0.25~1， 

6.一种InAs雪崩光电二极管的制造方法，包括以下步骤： 

S1.产生采用多量子阱超晶格结构的倍增层； 

S2.产生电荷层，渐变层以及光窗口层； 

S3.采用Zn扩散或者Cd扩散工艺形成PN结。 

7.如权利要求6所述的InAs雪崩光电二极管的制作方法，其特征在于：所述倍增层采用非故意掺杂的本征Al_xGa_1-xAs_ySb_1-y/InAs超晶格量子阱，各自厚度在5nm-100nm范围内可变，倍增区域厚度在500nm~6um范围内可变；其中，x的范围是0.25~1，

8.如权利要求6所述的InAs雪崩光电二极管的制作方法，其特征在于：所述电荷层采用p型掺杂，与倍增层采用相同的材料；厚度为0.02um~0.1um，p型掺杂的浓度范围为4×10¹⁶cm^-3~1×10¹⁷cm^-3。 

9.如权利要求6所述的InAs雪崩光电二极管的制作方法，其特征在于：所述渐变层采用不同组分的非故意掺杂的本征Al_mGa_1-mAs_nSb_1-n材料;其中，m是0.25~x范围内的任意值,

厚度范围是0.02um~0.1um。 

10.如权利要求6所述的InAs雪崩光电二极管的制造方法，其特征在于：所述光窗口层采用Al_tGa_1-tAs_zSb_1-z材料；其中，t的范围是0.25~1， 

厚度范围是：0.01um~1um；掺杂浓度范围是为1×10¹⁷cm^-3~5×10¹⁸cm^-3。 

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