CN104009103A - 一种高速铟镓砷探测器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于芯片制造领域，提供一种高速铟镓砷探测器及其制作方法，所述探测器包括半绝缘InP衬底、第一梯台和第二梯台，所述第一梯台底层为InP缓冲层，顶层为n型接触层，所述第二梯台从底层到顶层依次为第一腐蚀停止层、光吸收层、第二腐蚀停止层，所述第二腐蚀停止层上形成有p型接触层，在所述第二梯台侧面以及顶面且位于p型接触层的外周部分设有钝化层，探测器表面覆盖有介质层。一方面通过合理设置探测器各层结构以减小正向电阻，另外采用低节电常数的苯并环丁烯涂层或者聚酰亚胺涂层作为ＰＮ结的钝化层保护层，可以有效减少寄生电容，通过减小RC常数，探测器可以实现高于20GHz带宽，探测器工作速率可以达到25Gb/s。
Description
技术领域
本发明属于芯片制造技术领域，尤其涉及一种高速铟镓砷探测器及其制作方法。
背景技术
光纤通信主要是通过激光器将电信号转换为光信号在光纤中传输，通过探测器将光信号转换为电信号而实现信号的长距离传输。随着现代超大数据信息的扩容，光通信需要越来越高的传输速率以加快数据的处理，因此，光通信需要高速率的探测器。特别是近年来IEEE标准802.3ba关于100Gb/s以太网物理层标准的建立，100Gb/s Base-LR4(<10km SMF)和100Gb/s Base-ER4(<40kmSMF)都需要采用4x25Gb/s探测器作为信号接收器件。
对于PIN型InGaAs探测器，其工作速率主要由带宽决定。对于25Gb/s探测器，其-3dB带宽需要达到20GHz。探测器带宽主要由光电子在耗尽区的迁移时间ttr＝d/v和RC弛豫时间共同决定(R为正向电阻，C为电容)，即探测器的带宽由ttr和RC共同决定。ttr约小，探测器工作速率越高。RC约小，带宽越高。
通常，平面型探测器通过扩散形成PN结，除了扩散区上下PN结形成了电容，上部的p电极自然和底部n电极也形成电容，整体电容较大，通常只能获得10GHz的带宽。另外一种准平面探测器，采用在半绝缘InP衬底生长P-i-N结构，通过Zn扩散工艺和腐蚀出准平面结构，探测器可以10GHz带宽。但是，由于该结构扩散区域以外仍然保留未腐蚀掉的InP，因此，未腐蚀掉的InP会带来寄生电容，寄生电容约0.05～0.1pF，对于25Gb/s探测器，受封装限制，探测器电容需要低于0.15pF，0.05～0.1pF寄生电容显然太高，给制作提出了苛刻要求。此外，该结构采用n型InP作n型接触层(不容易形成高掺杂)，随着接触面积的减小，探测器不容易获得较低的正向电阻R，通常正向电阻约10～20欧姆，不利于降低由RC常数导致的带宽限制。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种高速铟镓砷探测器及其制作方法，旨在解决现有铟镓砷探测器带宽受限、工作速度不高、寄生电容过大的技术问题。
一方面，所述高速铟镓砷探测器包括半绝缘InP衬底，所述InP衬底上依次生长有通过蚀刻形成的第一梯台和第二梯台，所述第一梯台底层为InP缓冲层，顶层为n型接触层，所述第二梯台从底层到顶层依次为第一腐蚀停止层、光吸收层、第二腐蚀停止层，所述第二腐蚀停止层上形成有p型接触层，在所述第二梯台侧面以及顶面且位于p型接触层的外周部分设有钝化层，所述钝化层为苯并环丁烯涂层或者聚酰亚胺涂层，探测器表面覆盖有起增透和钝化作用的介质层，穿过所述介质层在所述p型接触层上设有p型接触金属层并形成欧姆接触，穿过所述介质层在所述n型接触层上设有n型接触金属层并形成欧姆接触，所述介质层上还设有与所述p型接触金属层电连接的引线金属层。
另一方面，所述高速铟镓砷探测器的制作方法包括：
1)在半绝缘InP衬底上使用金属有机化学气相沉积方法依次生长出InP缓冲层、n型接触层、第一腐蚀停止层、光吸收层、第二腐蚀停止层、p型接触层，得到探测器外延片晶片；
2)通过光刻工艺、电子束蒸发金属层和剥离工艺，在晶片表面形成外径为10～25μm，宽度为1～2μm的环形p型接触金属层，然后将晶片置于腐蚀溶液中腐蚀一段时间；
3)通过光刻和化学腐蚀工艺形成第二梯台，所述第二梯台顶面直径较环形p型接触金属层外径大1～2μm，腐蚀完后在晶片表面涂覆钝化层并进行钝化处理，通过光刻胶掩蔽和干法刻蚀工艺仅保留第二梯台侧面及顶面且位于p型接触层的外周部分钝化层，再使用混合酸溶液腐蚀第一腐蚀停止层；所述钝化层为苯并环丁烯涂层或者聚酰亚胺涂层；
4)通过光刻和化学腐蚀工艺形成第一梯台，第一梯台顶部直径较第二梯台底部直径大15～30μm；
5)通过化学气象沉积方法在晶片上淀积介质层；
6)在p型接触金属层以及在第一梯台中n型接触层上开出窗口；
7)通过光刻工艺、电子束蒸发和剥离工艺，在n型接触层上形成n型接触金属层，在p型接触金属层上形成引线金属层；
8)将晶片快速退火；
9)将晶片减薄并经过解理形成高速铟镓砷探测器。
本发明的有益效果是：本发明采用低节电常数的苯并环丁烯涂层或者聚酰亚胺涂层作为ＰＮ结的钝化层保护层，可以有效减少寄生电容，通过设计合适的台面面积，可以实现低电容，电容可以降低到0.15pF以下；通过减小RC常数，探测器可以实现高于20GHz带宽，探测器工作速率可以达到25Gb/s。
附图说明
图1是本发明第一实施例提供的高速铟镓砷探测器的结构图；
图2是本发明第二实施例提供的高速铟镓砷探测器的制作方法的流程图；
图3是探测器外延片晶片的结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
实施例一：
图1示出了本发明实施例提供的高速铟镓砷探测器的结构，为了便于说明仅示出了与本发明实施例相关的部分。
如图1所述，本实施例提供高速铟镓砷探测器包括半绝缘InP衬底1，所述InP衬底上依次生长有通过蚀刻形成的第一梯台和第二梯台，所述第一梯台底层为InP缓冲层2，顶层为n型接触层3，所述第二梯台从底层到顶层依次为第一腐蚀停止层4、光吸收层5、第二腐蚀停止层6，所述第二腐蚀停止层6上形成有p型接触层7，在所述第二梯台侧面以及顶面且位于p型接触层的外周部分设有钝化层8，所述钝化层8为苯并环丁烯涂层或者聚酰亚胺涂层，探测器表面覆盖有起增透和钝化作用的介质层10，穿过所述介质层在所述p型接触层7上设有p型接触金属层9并形成欧姆接触，穿过所述介质层在所述n型接触层3上设有n型接触金属层11并形成欧姆接触，所述介质层10上还设有与所述p型接触金属层电连接的引线金属层12。优选的，所述第一腐蚀停止层4为n型InP或者带隙对应波长小于1.3μm的InGaAs，所述第二腐蚀停止层6为带隙对应波长为1.1～1.4μm的InGaAs。所述介质层为单层的氮化硅膜或氮化硅、氧化硅复合膜。
具体的，上述结构中，所述InP衬底的掺Fe浓度小于5e17cm-3；所述InP缓冲层为n型InP缓冲层，厚度为0.1～0.5μm；所述n型接触层为n型InGaAs，其掺杂浓度大于1e19cm-3、厚度为0.2～1.0μm；所述第一腐蚀停止层为n型InP停止层，其掺杂浓度低于1e18cm-3、厚度小于0.05μm；所述光吸收层为低掺杂的n型InGaAs，其掺杂浓度低于5e15cm-3、厚度为1.0～1.8μm；所述第二腐蚀停止层为n型InGaAsP，其掺杂浓度低于5e15cm-3、厚度为0.05～0.1μm；所述p型接触层为p型掺杂的InGaAs，掺杂浓度大于1e19cm-3、厚度小于0.1μm，其中n型接触层采用碳或硫作掺杂剂，p型接触层采用Zn或碳作掺杂剂。
一方面，本探测器结构采用高掺杂的n型InGaAs作n型接触层3，容易与n型接触金属层11形成良好欧姆接触，而且厚度较仅为0.05um的n型InP第一腐蚀停止层4具有较高的掺杂浓度，和厚度为0.05～0.1um第二腐蚀停止层6以及高掺杂的p型InGaAs接触层7，以上各层可以尽可能降低探测器的正向电阻R，正向电阻可以降低到4～6欧姆，可以有效降低探测器的ＲＣ常数，可以实现高速率工作，如25Gb/s；另一方面本发明探测器结构的光吸收层厚度为1～1.8um，可以尽可能减小载流子渡越吸收区的时间，能有效提高探测器的响应速率；第三，采用低介电常数的苯并环丁烯BCB涂层或者聚酰亚胺涂层作探测器的ＰＮ结钝化层，可以有效保护台面PN结，实现低暗电流，高可靠性。通过以上结构设计，探测器可以实现高于20GHz带宽，探测器工作速率可以达到25Gb/s。
实施例二：
图2示出了本发明实施例提供的高速铟镓砷探测器的制作方法的流程，为了便于说明仅示出了与本发明实施例相关的部分。
如图2所示，本是实力提供的高速铟镓砷探测器的制作方法包括下述步骤：
步骤S201、在半绝缘InP衬底上使用金属有机化学气相沉积方法依次生长出InP缓冲层、n型接触层、第一腐蚀停止层、光吸收层、第二腐蚀停止层、p型接触层，得到探测器外延片晶片。
在制作探测器前需要根据探测器的层次结构制作外延片晶片。具体的，如图3所示，在半绝缘InP衬底1上使用金属有机化学气相沉积方法依次生长出InP缓冲层2、n型接触层3、第一腐蚀停止层4、光吸收层5、第二腐蚀停止层6、p型接触层7，得到探测器外延片晶片。
作为一种具体实施方式，上述结构中，所述InP衬底的掺Fe浓度小于5e17cm-3；所述InP缓冲层为n型InP缓冲层，厚度为0.1～0.5μm；所述n型接触层为n型InGaAs，其掺杂浓度大于1e19cm-3、厚度为0.2～1.0μm；所述第一腐蚀停止层为n型InP停止层，其掺杂浓度低于1e18cm-3、厚度小于0.05μm；所述光吸收层为低掺杂的n型InGaAs，其掺杂浓度低于5e15cm-3、厚度为1.0～1.8μm；所述第二腐蚀停止层为n型InGaAsP，其掺杂浓度低于5e15cm-3、厚度为0.05～0.1μm；所述p型接触层为p型掺杂的InGaAs，掺杂浓度大于1e19cm-3、厚度小于0.1μm，其中n型接触层采用碳或硫作掺杂剂，p型接触层采用Zn或碳作掺杂剂。所述第一腐蚀停止层4为n型InP或者带隙对应波长小于1.3μm的InGaAs，所述第二腐蚀停止层6为带隙对应波长为1.1～1.4μm的InGaAs。
步骤S202、通过光刻工艺、电子束蒸发金属层和剥离工艺，在晶片表面形成外径为10～25μm，宽度为1～2μm的环形p型接触金属层，然后将晶片置于腐蚀溶液中腐蚀一段时间。制得的p型接触金属层为金属层。
本步骤中，所述腐蚀溶液为H2SO4:H2O2:H2O＝1:1:10(摩尔比)的腐蚀液，腐蚀时间为20～60秒。
步骤S203、通过光刻和化学腐蚀工艺形成第二梯台，所述第二梯台顶面直径较环形p型接触金属层外径大1～2μm，腐蚀完后在晶片表面涂覆钝化层并进行钝化处理，通过光刻胶掩蔽和干法刻蚀工艺仅保留第二梯台侧面及顶面且位于p型接触层的外周部分钝化层，再使用混合酸溶液腐蚀第一腐蚀停止层；所述钝化层为苯并环丁烯涂层或者聚酰亚胺涂层。
在通过化学腐蚀形成第二梯台时，所用的化学腐蚀溶液为H2SO4:H2O2:H2O＝1:1:5(摩尔比)的溶液或者H3PO4:H2O2:H2O＝1:1:5(摩尔比)的溶液；所述钝化层的厚度为2～4μm，钝化温度为50～250℃；所述混合酸溶液为摩尔比H3PO4:HCl＝1:3的溶液，混合酸的腐蚀时间为60秒。所述第二梯台的侧面具有一定角度的斜坡，斜坡有利于后续在形成引线金属层12在跨越第二梯台侧面时不易断裂。
本步骤采用低介电常数的苯并环丁烯BCB涂层或者聚酰亚胺涂层作探测器的ＰＮ结钝化层，可以有效保护台面PN结，实现低暗电流，高可靠性。
步骤S204、通过光刻和化学腐蚀工艺形成第一梯台，第一梯台顶部直径较第二梯台底部直径大15～30μm。
具体的，先使用H3PO4:H2O2:H2O＝1:1:5(摩尔比)的化学腐蚀溶液腐蚀n型接触层，再使用摩尔比H3PO4:HCl＝1:3的混合酸腐蚀去InP缓冲层，形成第一梯台。
步骤S205、通过化学气象沉积方法在晶片上淀积介质层。
所述介质层厚度为，所述介质层为单层的氮化硅膜或氮化硅、氧化硅复合膜。介质层在1.55μm/1.31μm波长处具有增透功能。
步骤S206、在p型接触金属层以及在第一梯台中n型接触层上开出窗口。
通过光刻和BOE腐蚀分别在p型接触金属层开出3*5μm2的窗口，在第一台面中n型接触层上开出内径为3～6μm的环形窗口。
步骤S207、通过光刻工艺、电子束蒸发和剥离工艺，在n型接触层上形成n型接触金属层，在p型接触金属层上形成引线金属层。
这里，n型接触金属层、引线金属层为金属层。
步骤S208、将晶片快速退火。
本步骤中，将晶片在360～410℃快速退火1～3分钟。
步骤S209、将晶片减薄并经过解理形成高速铟镓砷探测器。
本步骤中，将晶片减薄至150～200um,晶片经过解理形成300*300μm2的高速铟镓砷探测器探测器。
综上，本发明实施例采用低节电常数的苯并环丁烯涂层或者聚酰亚胺涂层作为ＰＮ结的钝化层保护层，可以有效减少寄生电容，通过设计合适的台面面积，可以实现低电容，电容可以降低到0.15pF以下；另外，通过合适设计探测器各层结构以及各层厚度、掺杂度，可以尽可能降低探测器的正向电阻R，通过减小RC常数，探测器可以实现高于20GHz带宽，探测器工作速率可以达到25Gb/s。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高速铟镓砷探测器，其特征在于，所述探测器包括半绝缘InP衬底，所述InP衬底上依次生长有通过蚀刻形成的第一梯台和第二梯台，所述第一梯台底层为InP缓冲层，顶层为n型接触层，所述第二梯台从底层到顶层依次为第一腐蚀停止层、光吸收层、第二腐蚀停止层，所述第二腐蚀停止层上形成有p型接触层，在所述第二梯台侧面以及顶面且位于p型接触层的外周部分设有钝化层，所述钝化层为苯并环丁烯涂层或者聚酰亚胺涂层，探测器表面覆盖有起增透和钝化作用的介质层，穿过所述介质层在所述p型接触层上设有p型接触金属层并形成欧姆接触，穿过所述介质层在所述n型接触层上设有n型接触金属层并形成欧姆接触，所述介质层上还设有与所述p型接触金属层电连接的引线金属层。
2.如权利要求1所述高速铟镓砷探测器，其特征在于，所述介质层为单层的氮化硅膜或氮化硅、氧化硅复合膜。
3.如权利要求2所述高速铟镓砷探测器，其特征在于，所述第一腐蚀停止层为n型InP或者带隙对应波长小于1.3μm的InGaAs，所述第二腐蚀停止层为带隙对应波长为1.1～1.4μm的InGaAs。
4.如权利要求1-3任一项所述高速铟镓砷探测器，其特征在于，所述InP衬底的掺Fe浓度小于5e17cm-3，所述InP缓冲层的厚度为0.1～0.5μm，所述n型接触层的掺杂浓度大于1e19cm-3、厚度为0.2～1.0μm，所述第一腐蚀停止层的掺杂浓度低于1e18cm-3、厚度小于0.05μm，所述光吸收层的掺杂浓度低于5e15cm-3、厚度为1.0～1.8μm，所述第二腐蚀停止层的掺杂浓度低于5e15cm-3、厚度为0.05～0.1μm，所述p型接触层的掺杂浓度大于1e19cm-3、厚度小于0.1μm，其中n型接触层采用碳或硫作掺杂剂，p型接触层采用Zn或碳作掺杂剂。
5.一种高速铟镓砷探测器的制作方法，其特征在于，所述方法包括：
1)在半绝缘InP衬底上使用金属有机化学气相沉积方法依次生长出InP缓冲层、n型接触层、第一腐蚀停止层、光吸收层、第二腐蚀停止层、p型接触层，得到探测器外延片晶片；
2)通过光刻工艺、电子束蒸发金属层和剥离工艺，在晶片表面形成外径为10～25μm，宽度为1～2μm的环形p型接触金属层，然后将晶片置于腐蚀溶液中腐蚀一段时间；
3)通过光刻和化学腐蚀工艺形成第二梯台，所述第二梯台顶面直径较环形p型接触金属层外径大1～2μm，腐蚀完后在晶片表面涂覆钝化层并进行钝化处理，通过光刻胶掩蔽和干法刻蚀工艺仅保留第二梯台侧面及顶面且位于p型接触层的外周部分钝化层，再使用混合酸溶液腐蚀第一腐蚀停止层；所述钝化层为苯并环丁烯涂层或者聚酰亚胺涂层；
4)通过光刻和化学腐蚀工艺形成第一梯台，第一梯台顶部直径较第二梯台底部直径大15～30μm；
5)通过化学气象沉积方法在晶片上淀积介质层；
6)在p型接触金属层以及在第一梯台中n型接触层上开出窗口；
7)通过光刻工艺、电子束蒸发和剥离工艺，在n型接触层上形成n型接触金属层，在p型接触金属层上形成引线金属层；
8)将晶片快速退火；
9)将晶片减薄并经过解理形成高速铟镓砷探测器。
6.如权利要求5所述方法，其特征在于，步骤1)中，所述第一腐蚀停止层为n型InP或者带隙对应波长小于1.3μm的InGaAsP，所述第二腐蚀停止层为带隙对应波长为1.1～1.4μm的InGaAs。
7.如权利要求6所述方法，其特征在于，步骤2)中，将晶片置于摩尔比H2SO4:H2O2:H2O＝1:1:10的腐蚀溶液中腐蚀20～60秒。
8.如权利要求7所述方法，其特征在于，步骤3)中，形成第二梯台所使用的化学腐蚀溶液为摩尔比H2SO4:H2O2:H2O＝1:1:5的溶液或者摩尔比H3PO4:H2O2:H2O＝1:1:5的溶液；所述钝化层的厚度为2～4μm，钝化温度为50～250℃；所述混合酸溶液为摩尔比H3PO4:HCl＝1:3的溶液，混合酸的腐蚀时间为60秒。
9.如权利要求8所述方法，其特征在于，步骤3)中，先使用摩尔比H3PO4:H2O2:H2O＝1:1:5的化学腐蚀溶液腐蚀n型接触层，再使用摩尔比H3PO4:HCl＝1:3的混合酸腐蚀去InP缓冲层，形成第一梯台。
10.如权利要求9所述方法，其特征在于，所述介质层厚度为，步骤8)中，晶片的退火温度为360～410℃，退火时间为1～3分钟。
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