CN103227231A - 一种平面型雪崩光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种平面型雪崩光电探测器，其外延结构包括：吸收层，其用于吸收目标探测光，将目标探测光的光子转化为光生载流子；N型下电荷层，其用于调控所述雪崩光电探测器器件内部电场分布；倍增层，其用于倍增所述光生载流子；P型上电荷层，其也用于调控所述雪崩光电探测器器件内部电场分布；本征帽层，其用于形成P型中心扩散区和边缘击穿抑制结构；其中，所述P型中心扩散区用于形成器件有源区，所述边缘击穿抑制结构用于降低器件边缘处的电场，防止器件边缘提前击穿。本发明通过P型上电荷层的引入，可以精确控制器件倍增区厚度，其与所述边缘击穿抑制结构结合，可以更有效的防止器件边缘过早击穿，从而提高了器件的性能。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件领域，具体是指一种平面型雪崩光电探测器(APD)。
背景技术
在过去的五十年中，雪崩光电探测器(APD)已经广泛的应用于商业、军事和科学研究中，如量子信息、生物分子探测、激光雷达成像、天文探测等。其中平面型雪崩光电探测器由于高的可靠性、低的暗电流或暗记数特性，受到广泛的关注。
平面型器件一般通过扩散或离子注入等手段形成PN结，其结深和倍增层厚度都受到扩散或离子注入深度的影响，有比较大的波动性。而器件的倍增层厚度会强烈影响器件性能。并且由于边缘曲率效应的存在，器件边缘处电场往往高于器件中心处，需要设计复杂的边缘击穿抑制结构降低器件边缘处电场，防止器件边缘处过早击穿而降低器件性能。
图1示出了现有技术中一种平面型雪崩光电探测器的结构图。如图1所示，该平面型雪崩光电探测器包括：衬底、吸收层、电荷层、本征帽层等。
上述现有的技术中，所述本征帽层用于形成中心扩散区和边缘击穿抑制结构，中心扩散区下面的剩余本征帽层部分是器件的倍增层，用于当光生载流子进入倍增层后，在倍增层高电场的作用下与倍增层材料发生碰撞电离，产生更多的自由载流子，从而放大信号。由于曲率效应的存在，器件边缘处往往有高于器件中心处的电场，导致边缘提前击穿，降低器件性能，边缘击穿抑制结构则用于降低器件边缘处的电场，防止器件边缘提前击穿。
如果能够设计一种结构，既能保持平面型器件高可靠性、低暗电流或暗记数的特性，同时能使倍增区通过材料生长设备精确控制，摆脱扩散或离子注入对器件倍增区厚度的影响，并且将高电场限制在倍增区而使扩散或离子注入区域电场相对较低从而有利于边缘击穿的抑制，使边缘击穿抑制结构有更大的容差，则必将有效提高器件性能。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明所要解决的技术问题是保持平面型器件高可靠性、低暗电流或暗记数的特性的同时能使倍增区通过材料生长设备精确控制，摆脱扩散或离子注入对器件倍增区厚度的影响，并且将高电场限制在倍增区而使扩散或离子注入区域电场相对较低从而有利于边缘击穿的抑制。
(二)技术方案
本发明公开了一种平面型雪崩光电探测器，其外延结构包括：
吸收层，其用于吸收目标探测光，将目标探测光的光子转化为光生载流子；
N型下电荷层，其用于调控所述雪崩光电探测器器件内部电场分布；
倍增层，其用于倍增所述光生载流子；
P型上电荷层，其也用于调控所述雪崩光电探测器器件内部电场分布；
本征帽层，其用于形成P型中心扩散区和边缘击穿抑制结构；
其中，所述P型中心扩散区用于形成器件有源区，所述边缘击穿抑制结构用于降低器件边缘处的电场，防止器件边缘提前击穿。
本发明还公开了一种如上所述的平面型雪崩光电探测器的制备方法，其包括：
步骤1、生长外延结构，具体包括在N型衬底上，依次生长吸收层、N型下电荷层、倍增层、P型上电荷层和本征帽层；
步骤2、在所述本征帽层上制作P型中心扩散区和边缘击穿抑制结构；
步骤3、在制作有P型中心扩散区和边缘击穿抑制结构的本征帽层上制作P电极；
步骤4、在N型衬底背面制作N电极。
(三)有益效果
1、本发明保持平面型雪崩光电探测器高可靠性、低暗电流或暗记数的特性
2、本发明可以使平面型雪崩光电探测器倍增层厚度通过材料生长设备精确控制，排除了扩散或离子注入对器件倍增层厚度的影响，有利于提高器件的均匀性和可重复行。
3、本发明将高电场限制在倍增层内，原本高电场的帽层内现在电场相对较低，从而有利于器件边缘击穿的抑制，使边缘击穿抑制结构有更大的容差，器件更容易制备并且对边缘击穿的抑制更加有效。
附图说明
图1为现有技术中平面型雪崩光电探测器的结构图；
图2为本发明中平面型雪崩光电探测器的结构图；
图3为本发明中平面型雪崩光电探测器的制备方法流程图；
图4为本发明制备方法中制作P型中心扩散区和边缘击穿抑制结构步骤3的示意图；
图5为本发明中平面型雪崩光电探测器的P型电极的示意图形。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
图2为本发明提出的平面型雪崩光电探测器(APD)的结构图。所述APD为可以为InGaAs/InP APD。如图2所示，该APD具体从下至上依次包括：
N型衬底，其可以为InP、Si等材料；
N型缓冲层，其生长在所述N型衬底上，厚度优选为1um；
本征吸收层，其生长在所述N型缓冲层上，其用于吸收目标探测光，将目标探测光的光子转化为光生自由载流子，从而将光信号转化为电信号。其材料由APD的目标探测波长决定，其禁带宽度满足小于目标探测光的光子能量的条件。例如，对于1550nm的目标探测光来说，其可以由In0.53Ga0.47As(GaInAs)、Ge等材料构成，当衬底是InP时，优选为In0.53Ga0.47As，当衬底是Si时，优选为Ge；该吸收层厚度可以为0.1nm到10um，优选为0.1到3um、2um；
N型下电荷层，其用于调控器件内部电场分布，使本征倍增层内有足够高的电场，从而可以发生雪崩倍增，同时使吸收层有适当的电场强度，在保证载流子高速漂移的同时防止吸收层内电场过高，以防止过高的电场产生过大的隧道暗电流或产生有害的雪崩倍增；其材料由APD的目标探测波长决定，其禁带宽度满足小于目标探测光的光子能量的条件。例如，对于1550nm的目标探测光来说，其可以由InP、InAlAs等材料构成，优选为InP，该N型下电荷层层厚度可以为0.1nm到10um，优选为0.05到0.5um、0.26um，且其掺杂浓度优选为1e17/cm3；
本征倍增层，其用于当光生载流子进入本征倍增层后，在本征倍增层高电场的作用下与本征倍增层材料发生碰撞电离，产生更多的自由载流子，从而放大信号。其材料由APD的目标探测波长决定，其禁带宽度满足大于目标探测光的光子能量的条件。例如，对于1550nm的目标探测光来说，其可以由InP等材料或异质结构材料组成，其厚度优选为1um；
P型上电荷层，用于调控器件内部电场分布，使所述本征倍增层内有足够高的电场，从而可以发生雪崩倍增，同时使所述本征倍增层以上本征帽层内P型中心扩散区以及边缘击穿抑制结构以下的部分有适当的电场强度，在保证载流子高速漂移的同时防止其内电场过高，以防止过高的电场产生雪崩倍增或导致边缘击穿。其材料由APD的目标探测波长决定，其禁带宽度满足大于目标探测光的光子能量的条件。例如，对于1550nm的目标探测光来说，其可以由InP、InAlAs等材料构成，优选为InP，该电荷层厚度可以为0.01到10微米，优选为0.05-0.5微米、0.26um，其掺杂浓度优选为1e17/cm3；
本征帽层，其上用于形成P型中心扩散区和边缘击穿抑制结构，P型中心扩散区下面的剩余本征帽层部分并非器件的倍增区，其作用是分隔P型中心扩散区和P型上电荷层，并使载流子通过此区域进入P型中心扩散区而被P电极收集。
所述边缘击穿抑制结构用于降低器件边缘处的电场，防止器件边缘提前击穿所述本征帽层，其厚度优选为3.5um，其中，所述P型中心扩散区和边缘击穿抑制结构通过光刻、RIE刻蚀、Zn扩散等工艺形成。
其中，P电极制作在所述本征帽层上，其通过生长SiO2进行钝化，然后通过生长Au/Zn、Ti/Au形成。N电极制作在所述N型InP衬底背面，其通过生长AuGeNi而形成。
与现有技术相比，现有技术中所述本征帽层用于形成P型中心扩散区和边缘击穿抑制结构，P型中心扩散区下面的剩余本征帽层部分是器件的倍增层，用于当光生载流子进入倍增层后，在倍增层高电场的作用下与倍增层材料发生碰撞电离，产生更多的自由载流子，从而放大信号。由于曲率效应的存在，器件边缘处往往有高于器件中心处的电场，导致边缘提前击穿，降低器件性能，边缘击穿抑制结构则用于降低器件边缘处的电场，防止器件边缘提前击穿。
而在本发明中，所述本征帽层同样用于形成P型中心扩散区和边缘击穿抑制结构，P型中心扩散区下面的剩余本征帽层部分并非器件的倍增区，其作用是分隔P型中心扩散区和P型上电荷层，并使载流子通过此区域进入P型中心扩散区而被收集。所述边缘击穿抑制结构同样用于降低器件边缘处的电场，防止器件边缘提前击穿。
图3示出了本发明提出的平面型雪崩光电探测器的一种制备方法。如图3所示，该制备方法包括：
步骤1、外延生长；即在N型衬底上，依次生长吸收层、N型下电荷层、倍增层、P型上电荷层和本征帽层等器件外延层；
步骤2、刻蚀圆坑；在所述本征帽层表面生长SiO2作为掩膜层，利用普通光刻在SiO2掩膜层上开圆孔，通过干法刻蚀在本征帽层上刻蚀圆坑，其深度优选为是0.3-0.5微米，去除SiO2掩膜层；该步骤中还可以通过腐蚀制作圆坑；
步骤3、制作P型中心扩散区和边缘击穿抑制结构；如图4所示，重新在刻蚀有圆坑2的本征帽层1表面生长SiO2作为掩膜层5，利用普通光刻在掩膜层上开圆孔4，同时开圆环3，所述圆孔4与圆环3与步骤2中所述圆坑圆心重合，所述圆孔4的半径大于所述圆坑2的半径，所述圆环3的内径大于所述圆孔4的半径；使用锌扩散或离子注入的方式从所述圆坑2、圆环3和圆孔4将锌扩散至本征帽层1，同时在本征帽层1形成P型中心扩散区和边缘击穿抑制结构；最后去除SiO2。其中，圆孔4与圆环3的圆心与圆坑2的圆心重合。圆坑2以内的Zn扩散区域即为P型中心扩散区，圆坑底部的器件部分即为器件有源区。圆环3下面的Zn扩散区域形成浮动扩散保护环。通过刻蚀圆坑，P型中心扩散区即圆坑2所在区域与其边缘部分即圆孔4比圆坑2大的区域形成一个台阶，这个台阶和浮动扩散保护环共同构成器件的边缘击穿抑制结构，可以有效降低器件边缘电场，防止器件边缘击穿，提高器件性能。
步骤4、钝化、开口；重新生长SiO2作为钝化层，利用普通光刻在其上开圆孔，此圆孔与步骤2中刻蚀的圆坑圆心重叠，且所述圆孔的半径大于所述圆坑的半径。
步骤5、生长Au/Zn；在步骤4形成的圆孔上，利用普通光刻、剥离技术生长Au/Zn金属环，金属环圆心与步骤1中所述圆坑圆心重叠，所述金属环的外径可大于或等于步骤4中形成的圆孔，以将所述圆孔边缘覆盖。
步骤6、生长Ti/Au；利用普通光刻、剥离技术生长Ti/Au作为P电极。P电极由金属环、圆形金属垫和连接两者的金属条组成，其中金属环覆盖在步骤5所述Au/Zn金属环上，其圆心与步骤2中所述圆坑圆心重叠，其形状如图5所示，所述金属垫和金属条制作在所述钝化层上。
步骤7、生长AuGeNi：在外延片衬底背面上溅射300nm厚的AuGeNi作为N电极。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种平面型雪崩光电探测器，其外延结构包括：
吸收层，其用于吸收目标探测光，将目标探测光的光子转化为光生载流子；
N型下电荷层，其用于调控所述雪崩光电探测器器件内部电场分布；
倍增层，其用于倍增所述光生载流子；
P型上电荷层，其也用于调控所述雪崩光电探测器器件内部电场分布；
本征帽层，其用于形成P型中心扩散区和边缘击穿抑制结构；
其中，所述P型中心扩散区用于形成器件有源区，所述边缘击穿抑制结构用于降低器件边缘处的电场，防止器件边缘提前击穿。
2.如权利要求1所述的雪崩光电探测器，其特征在于，所述吸收层、N型下电荷层、倍增层、P型上电荷层、本征帽层依次叠置。
3.如权利要求1所述的雪崩光电探测器，其特征在于，所述N型下电荷层通过调控所述雪崩光电探测器器件内部电场分布，使倍增层内有足够高的电场，从而可以发生雪崩倍增，同时使吸收层有适当的电场强度，在保证载流子高速漂移的同时防止吸收层内电场过高，以防止过高的电场产生过大的隧道暗电流或产生有害的雪崩倍增。
4.如权利要求1所述的雪崩光电探测器，其特征在于，所述P型上电荷层通过调控所述雪崩光电探测器器件内部电场分布，使得所述本征倍增层内有足够高的电场，从而可以发生雪崩倍增，同时使所述本征倍增层以上本征帽层内P型中心扩散区以及边缘击穿抑制结构以下的部分有适当的电场强度，在保证载流子高速漂移的同时防止其内电场过高，以防止过高的电场产生雪崩倍增或导致边缘击穿。
5.如权利要求1所述的雪崩光电探测器，其特征在于，所述倍增层的材料是单种材料或者不同材料组成的异质结构材料的组合。
6.如权利要求1至5中任一项所述的雪崩光电探测器，其特征在于，所述倍增层的材料是禁带宽度大于目标探测光的光子能量的材料。
7.如权利要求1至5中任一项所述的雪崩光电探测器，其特征在于，所述P型上电荷层的材料是禁带宽度大于目标探测光的光子能量的材料。
8.一种如权利要求1所述的平面型雪崩光电探测器的制备方法，其包括：
步骤1、生长外延结构，具体包括在N型衬底上，依次生长吸收层、N型下电荷层、倍增层、P型上电荷层和本征帽层；
步骤2、在所述本征帽层上制作P型中心扩散区和边缘击穿抑制结构；
步骤3、在制作有P型中心扩散区和边缘击穿抑制结构的本征帽层上制作P电极；
步骤4、在N型衬底背面制作N电极。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤2具体包括：在所述本征帽层上形成圆坑，并在所述圆坑及其边缘部分和包围该圆坑及其边缘部分的圆环上通过扩散或离子注入锌的方式形成P型中心扩散区和边缘击穿抑制结构。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，扩散或离子注入锌后的所述圆坑及其边缘部分形成一个台阶，扩散或离子注入锌后的所述圆环形成浮动扩散保护环，该台阶及该浮动扩散保护环构成边缘击穿抑制结构。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤3具体包括：
步骤31、在制作有P型中心扩散区和边缘击穿抑制结构的本征帽层上生长钝化层，并制作半径大于所述圆坑、但圆心与所述圆坑相同的圆孔；
步骤32、在所述圆孔上，形成与所述圆孔圆心相同的第一金属环，第一金属环的外径大于或等于所述圆孔的半径；
步骤33、制作P电极，所述P电极包括覆盖在所述第一金属环上的第二金属环、制作在钝化层上的金属垫以及连接第二金属环和金属垫的金属条。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130731 |