CN104900748A - 一种具有不等光电口径的垂直进光雪崩光电二极管 - Google Patents

一种具有不等光电口径的垂直进光雪崩光电二极管 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种具有不等光电口径的垂直进光雪崩光电二极管，包括衬底，顺序层叠于衬底上的吸收层、场控制层、本征层和介质钝化层，以及层叠于衬底下的N电极，部分本征层上设有具有边缘击穿抑制效果的P型重掺区，P型重掺区中心制作有中心突变结，介质钝化层上形成有光入射窗口，光入射窗口内设有增透膜，光入射窗口的周围环绕有P电极，中心突变结和光入射窗口同心且中心突变结的半径远小于光入射窗口的半径；若光从雪崩光电二极管芯片的背面入射，此时在N电极上形成光入射窗口。本发明提供的具有不等光电口径的垂直进光雪崩光电二极管，其光学口径大于电学口径，在能够保证入光效率的同时又能够减小有源区的尺寸，提高了APD的性能。

Description

一种具有不等光电口径的垂直进光雪崩光电二极管
技术领域
本发明属于半导体光电子器件领域，具体涉及一种具有不等光电口径的垂直进光雪崩光电二极管。
背景技术
雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode，简称APD)利用载流子的雪崩倍增效应来放大光电信号，提高了检测的灵敏度。其灵敏度高于其它无内部增益的半导体光电二极管，相当于内置了信号放大器，降低了APD的前置放大电路的设计要求。
经过多年的发展，APD已经在激光探测、光纤通信、量子信息、生物分子探测、激光雷达成像、天文探测等诸多领域得到了广泛的应用。作为光纤通信系统的关键器件，APD需要在具有更高的灵敏度的同时具有更宽的带宽，才能够满足高速光通信系统的发展需求；量子保密通信、激光雷达等应用的迅猛发展也对能够探测单光子量级的光的单光子雪崩光电二极管(SPAD)产生了迫切需求。
对于垂直进光的APD来说，光入射后可以有效转化成光电流的区域为APD的有效光敏区，其尺寸称为APD的光学口径；而载流子在有源区内发生雪崩倍增，有源区的尺寸对应为APD的电学口径。一般来说，APD的光学口径和电学口径相同。
APD的电学口径决定了APD的暗电流、结电容等关键性能参数。本发明的发明人研究发现，电学口径越小，器件暗电流越小，器件的噪声特性更佳；更小的电学口径也减小了APD的结电容，从而提高了APD的带宽；然而，在光纤通信应用中，受制于现阶段光纤芯径尺寸和光纤耦合封装工艺精度的影响，APD需要足够大的光学口径来保证其进光效率；对于空间光探测来说，大的光学口径也可提高APD的光收集效率，提高其灵敏度。因此，传统APD存在既要保证入光效率和又要提高其性能的矛盾。
发明内容
针对现有技术中传统APD光学口径与电学口径相同，存在既要保证入光效率和又要提高其性能相互矛盾的技术问题，本发明提供一种具有不等光电口径的垂直进光雪崩光电二极管，其光学口径大于电学口径，在能够保证入光效率的同时又能够减小有源区的尺寸，提高了APD的性能。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种具有不等光电口径的垂直进光雪崩光电二极管，包括衬底，顺序层叠于所述衬底上的吸收层、场控制层、本征层和介质钝化层，以及层叠于所述衬底下的N电极，部分所述本征层上设有具有边缘击穿抑制效果的P型重掺区，所述P型重掺区中心制作有中心突变结，所述介质钝化层上形成有光入射窗口，所述光入射窗口内设有增透膜，所述光入射窗口的周围环绕有P电极，所述中心突变结和光入射窗口同心且中心突变结的半径远小于光入射窗口的半径。
若光从雪崩光电二极管芯片的背面入射，此时需要在芯片背面开设光入射窗口，为了实现所述目的，本发明还提供一种具有不等光电口径的垂直进光雪崩光电二极管结构，具体采用如下技术方案：
一种具有不等光电口径的垂直进光雪崩光电二极管，包括衬底，顺序层叠于所述衬底上的吸收层、场控制层、本征层和介质钝化层，以及层叠于所述衬底下的N电极，部分所述本征层上设有具有边缘击穿抑制效果的P型重掺区，所述P型重掺区中心制作有中心突变结，所述介质钝化层上形成有窗口，所述窗口内覆盖有P电极，所述N电极上形成有光入射窗口，所述中心突变结和光入射窗口同心且中心突变结的半径远小于光入射窗口的半径。
本发明提供的两种具有不等光电口径的垂直进光雪崩光电二极管结构中，在已经有效抑制了边缘击穿的平面APD结区即P型重掺区中心制作有中心突变结，在所述介质钝化层上或N电极上形成有光入射窗口，所述中心突变结和光入射窗口同心且中心突变结的半径远小于光入射窗口的半径，即所述中心突变结的面积远小于光入射窗口所在的原结区的面积，因而已经形成的边缘击穿抑制效果不会受到破坏；同时，由于所述中心突变结的面积远小于入射窗口所在的原结区的面积，因此所述中心突变结对应的电学口径远小于入射窗口范围对应的光学口径，可在保证光收集效率的前提下获得比同样光学口径的传统APD更高的灵敏度和带宽，即在能够保证入光效率的同时又能够减小有源区的尺寸，提高了APD的性能。
进一步，所述衬底的材料为InP，所述吸收层的材料为In0.47Ga0.53As，所述场控制层、本征层和P型重掺区的材料均为InP。
进一步，所述具有边缘击穿抑制效果的P型重掺区采用阶梯结加浮置环结构实现边缘击穿抑制。
进一步，所述中心突变结的半径比光入射窗口的半径小20～30Rdt；其中，所述Rdt为中心突变结与已具有边缘击穿抑制效果的阶梯结的结差。
附图说明
图1是本发明提供的第一种具有不等光电口径的垂直进光雪崩光电二极管芯片结构及光电口径示意图。
图2是本发明提供的中心突变结实施例剖面结构示意图。
图3是本发明提供的中心突变结区的等势线分布及载流子输运示意图。
图4是本发明提供的第二种具有不等光电口径的垂直进光雪崩光电二极管芯片结构及光电口径示意图。
图中，1、衬底；2、吸收层；3、N电极；4、场控制层；5、本征层；51、P型重掺区；511、阶梯结；512、浮置环；52、中心突变结；6、介质钝化层；61、光入射窗口；7、增透膜；8、P电极；1-1、光学口径；1-2、电学口径；2-1、中心突变结窗口；2-2、具有边缘击穿抑制效果的PN结结区窗口；31、中心区域；32、结边缘位置。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“宽度”、“深度”、“上”、“下”、“左”、“右”、“正面”、“背面”、“垂直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
请参考图1所示，本发明提供一种具有不等光电口径的垂直进光雪崩光电二极管，包括衬底1，顺序层叠于所述衬底1上的吸收层2、场控制层4、本征层5和介质钝化层6，以及层叠于所述衬底1下的N电极3，部分所述本征层5上设有具有边缘击穿抑制效果的P型重掺区51，所述P型重掺区51中心制作有中心突变结52，所述介质钝化层6上形成有光入射窗口61，所述光入射窗口61内设有增透膜7，所述光入射窗口61的周围环绕有P电极8，所述中心突变结52和光入射窗口61同心且中心突变结52的半径远小于光入射窗口61的半径。
本发明提供的具有不等光电口径的垂直进光雪崩光电二极管，在已经有效抑制了边缘击穿的平面APD结区即P型重掺区中心制作有中心突变结，在所述介质钝化层上形成有光入射窗口，所述中心突变结和光入射窗口同心且中心突变结的半径远小于光入射窗口的半径，即所述中心突变结的面积远小于光入射窗口所在的原结区的面积，因而已经形成的边缘击穿抑制效果不会受到破坏；同时，由于所述中心突变结的面积远小于入射窗口所在的原结区的面积，因此所述中心突变结对应的电学口径远小于入射窗口范围对应的光学口径，可在保证光收集效率的前提下获得比同样光学口径的传统APD更高的灵敏度和带宽，即在能够保证入光效率的同时又能够减小有源区的尺寸，提高了APD的性能。
作为具体实施例，所述衬底的材料为InP，所述吸收层的材料为In0.47Ga0.53As，所述场控制层、本征层和P型重掺区的材料均为InP。具体地，请参考图1所示，一种具有不等光电口径的垂直进光雪崩光电二极管芯片结构，包括衬底1，层叠于衬底1上的吸收层2以及层叠于衬底1下的N电极3，顺序层叠于吸收层2上的场控制层4、本征层5和介质钝化层6，部分的本征层5上形成具有边缘击穿抑制效果的P型重掺区51，所述P型重掺区51中心制作有中心突变结52；所述介质钝化层6上形成有光入射窗口61，光入射窗口范围即为其光学口径1-1，P型重掺区51中心突变结52区域即为其电学口径1-2，所述光入射窗口61内设有增透膜7，所述光入射窗口61的周围环绕有P电极8(即P电极为圆环形)，所述中心突变结52和光入射窗口61同心且中心突变结52的半径远小于光入射窗口61的半径，由此保证所述光学口径1-1和电学口径1-2为同心圆，且所述光学口径1-1大于电学口径1-2。在本实施例中，所述衬底1的材料为InP，所述吸收层2的材料为In0.47Ga0.53As，所述场控制层4、本征层5和P型重掺区51的材料均为InP，但各自掺杂浓度不同，其具体的掺杂浓度已为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。在本实施例的工艺实现过程中，利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术在N型InP衬底1上依次生长晶格匹配的InGaAs吸收层2、场控制层4、InP本征层5以及介质钝化层6。本实施中提出的材料结构体系并不局限于InGaAs/InP，各个功能层可以采用任意可行材料组合，例如Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料和硅材料等。
作为具体实施例，所述具有边缘击穿抑制效果的P型重掺区采用阶梯结加浮置环结构实现边缘击穿抑制。具体地，请参考图1所示，所述P型重掺区51采用两阶梯结511加浮置环512结构来实现边缘击穿抑制，从而具有边缘击穿抑制效果，然后在已经有效抑制了边缘击穿的平面APD结区即P型重掺区51中心制作中心突变结52，使所述中心突变结52的面积远小于已形成边缘击穿抑制的PN结结区面积；由于中心突变结的面积远小于原结区的面积，因而已经形成的边缘击穿抑制效果不会受到破坏。当然，所述边缘击穿抑制结构并不局限于两阶梯结加浮置环结构，本领域技术人员在本实施例的基础上，还可以采用其它的结构，只要能够有效实现边缘击穿抑制的APD芯片结构均可实现本发明的目的。
作为具体实施例，所述中心突变结的制作采用如下条件：所述中心突变结的半径比光入射窗口的半径小20～30Rdt；其中，所述Rdt为中心突变结与已具有边缘击穿抑制效果的阶梯结(即PN结)的结差。具体请参考图2所示，所述中心突变结52对应的开口称为中心突变结窗口2-1，所述光入射窗口61称为具有边缘击穿抑制效果的PN结结区窗口2-2，为实现本发明的目的，所述中心突变结窗口和具有边缘击穿抑制效果的PN结结区窗口的半径差R为20～30Rdt；其中，所述Rdt为中心突变结与已具有边缘击穿抑制效果的阶梯结的结差，具体请参见图2中的标注d。
作为具体实施例，所述中心突变结的掺杂浓度高于已具有边缘击穿抑制效果的PN结的掺杂浓度。中心突变结的高掺杂浓度能够使电场更为集中在中心突变结周围，从而在中心突变结处形成对应的有源区即APD的电学口径；由于中心突变结边缘电场强度略强于中心电场强度，电学口径以外一定区域内的载流子在中心突变结边缘区域高电场的作用下沿电力线方向侧向输运至倍增区内产生雪崩倍增，因此，当光入射至该区域内时，可产生等同于入射至倍增区内产生的增益光电流，从而达到了扩大APD光学口径的目的。
具体地，形成的中心突变结区的等势线分布如图3所示，等势线越密集电场强度越强，电力线方向垂直于等势线。由于载流子的输运方向(如图3中箭头所示)是沿着电力线方向运动，在中心区域31内，载流子进入倍增区产生雪崩倍增，而在结边缘位置32内，由于结边缘区域的电场强度略强于中心区域31电场强度，载流子在强电场的作用下沿电力线指向向倍增区运行，进入倍增区与中心区域31内的载流子同样产生雪崩倍增。因此，当光入射至APD的光学口径1-1内时，可等效的产生光电流，从而达到了扩大APD光学口径的目的。
在本发明中，所述APD内部的载流子由于所处位置不同，输运至倍增区所消耗的时间也存在一定差异。因此，APD的光学口径的大小不仅取决于中心突变结的尺寸和电场分布，还与器件不同的应用需求相关，器件的光学口径尺寸可依据具体应用对APD光学口径内的响应时间的容差来决定。
本发明提供的雪崩光电二极管芯片结构中，若光从雪崩光电二极管芯片的背面入射，此时需要在芯片背面开设光入射窗口，为了实现所述目的，本发明还提供一种具有不等光电口径的垂直进光雪崩光电二极管结构，具体采用如下技术方案：
请参考图4所示，一种具有不等光电口径的垂直进光雪崩光电二极管，包括衬底1，顺序层叠于所述衬底1上的吸收层2、场控制层4、本征层5和介质钝化层6，以及层叠于所述衬底1下的N电极3，部分所述本征层5上设有具有边缘击穿抑制效果的P型重掺区51，所述P型重掺区51中心制作有中心突变结52，所述介质钝化层6上形成有窗口，所述窗口内覆盖有P电极8，所述N电极3上形成有光入射窗口61，所述中心突变结52和光入射窗口61同心且中心突变结52的半径远小于光入射窗口61的半径。
本发明提供的另一种具有不等光电口径的垂直进光雪崩光电二极管，在已经有效抑制了边缘击穿的平面APD结区即P型重掺区中心制作有中心突变结，在所述N电极层上形成有光入射窗口，所述中心突变结和光入射窗口同心且中心突变结的半径远小于光入射窗口的半径，即所述中心突变结的面积远小于光入射窗口所在的原结区的面积，因而已经形成的边缘击穿抑制效果不会受到破坏；同时，由于所述中心突变结的面积远小于入射窗口所在的原结区的面积，因此所述中心突变结对应的电学口径远小于入射窗口范围对应的光学口径，可在保证光收集效率的前提下获得比同样光学口径的传统APD更高的灵敏度和带宽，即在能够保证入光效率的同时又能够减小有源区的尺寸，提高了APD的性能。
作为具体实施例，所述衬底的材料为InP，所述吸收层的材料为In0.47Ga0.53As，所述场控制层、本征层和P型重掺区的材料均为InP。具体地，请参考图4所示，一种具有不等光电口径的垂直进光雪崩光电二极管芯片结构，包括衬底1，层叠于衬底1上的吸收层2以及层叠于衬底1下的N电极3，顺序层叠于吸收层2上的场控制层4、本征层5和介质钝化层6，部分的本征层5上形成具有边缘击穿抑制效果的P型重掺区51，所述P型重掺区51中心制作有中心突变结52，所述介质钝化层6上形成有窗口，所述窗口内覆盖有P电极8，所述N电极3上形成有光入射窗口61，光入射窗口范围即为其光学口径1-1，P型重掺区51中心突变结52区域即为其电学口径1-2；所述中心突变结52和光入射窗口61同心且中心突变结52的半径远小于光入射窗口61的半径，由此保证所述光学口径1-1和电学口径1-2为同心圆，且所述光学口径1-1大于电学口径1-2。在本实施例中，所述衬底1的材料为InP，所述吸收层2的材料为In0.47Ga0.53As，所述场控制层4、本征层5和P型重掺区51的材料均为InP，但各自掺杂浓度不同，其具体的掺杂浓度已为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。在本实施例的工艺实现过程中，利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术在N型InP衬底1上依次生长晶格匹配的InGaAs吸收层2、场控制层4、InP本征层5以及介质钝化层6。本实施中提出的材料结构体系并不局限于InGaAs/InP，各个功能层可以采用任意可行材料组合，例如Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料和硅材料等。
作为具体实施例，所述具有边缘击穿抑制效果的P型重掺区采用阶梯结加浮置环结构实现边缘击穿抑制。具体地，请参考图4所示，所述P型重掺区51采用两阶梯结511加浮置环512结构来实现边缘击穿抑制，从而具有边缘击穿抑制效果，然后在已经有效抑制了边缘击穿的平面APD结区即P型重掺区51中心制作中心突变结52，使所述中心突变结52的面积远小于已具有边缘击穿抑制效果的PN结的面积；由于中心突变结的面积远小于原结区的面积，因而已经形成的边缘击穿抑制效果不会受到破坏。当然，所述边缘击穿抑制结构并不局限于两阶梯结加浮置环结构，本领域技术人员在本实施例的基础上，还可以采用其它的结构，只要能够有效实现边缘击穿抑制的APD芯片结构均可实现本发明的目的。
作为具体实施例，所述中心突变结的制作采用如下条件：所述中心突变结的半径比光入射窗口的半径小20～30Rdt；其中，所述Rdt为中心突变结与已具有边缘击穿抑制效果的阶梯结的结差。具体请参考图2所示，所述中心突变结52对应的开口称为中心突变结窗口2-1，所述光入射窗口61称为具有边缘击穿抑制效果的PN结结区窗口2-2，为实现本发明的目的，所述中心突变结窗口和具有边缘击穿抑制效果的PN结结区窗口的半径差R为20～30Rdt；其中，所述Rdt为中心突变结与已具有边缘击穿抑制效果的阶梯结的结差，具体请参见图2中的标注d。
作为具体实施例，所述中心突变结的掺杂浓度高于已具有边缘击穿抑制效果的PN结的掺杂浓度。中心突变结的高掺杂浓度能够使电场更为集中在中心突变结周围，从而在中心突变结处形成对应的有源区即APD的电学口径；由于中心突变结边缘电场强度略强于中心电场强度，电学口径以外一定区域内的载流子在中心突变结边缘区域高电场的作用下沿电力线方向侧向输运至倍增区内产生雪崩倍增，因此，当光入射至该区域内时，可产生等同于入射至倍增区内产生的增益光电流，从而达到了扩大APD光学口径的目的。
具体地，形成的中心突变结区的等势线分布如图3所示，等势线越密集电场强度越强，电力线方向垂直于等势线。由于载流子的输运方向(如图3中箭头所示)是沿着电力线方向运动，在中心区域31内，载流子进入倍增区产生雪崩倍增，而在结边缘位置32内，由于结边缘区域的电场强度略强于中心区域31电场强度，载流子在强电场的作用下沿电力线指向向倍增区运行，进入倍增区与中心区域31内的载流子同样产生雪崩倍增。因此，当光入射至APD的光学口径1-1内时，可等效的产生光电流，从而达到了扩大APD光学口径的目的。
在本发明中，所述APD内部的载流子由于所处位置不同，输运至倍增区所消耗的时间也存在一定差异。因此，APD的光学口径的大小不仅取决于中心突变结的尺寸和电场分布，还与器件不同的应用需求相关，器件的光学口径尺寸可依据具体应用对APD光学口径内的响应时间的容差来决定。
以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明的专利保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有不等光电口径的垂直进光雪崩光电二极管，其特征在于，包括衬底，顺序层叠于所述衬底上的吸收层、场控制层、本征层和介质钝化层，以及层叠于所述衬底下的N电极，部分所述本征层上设有具有边缘击穿抑制效果的P型重掺区，所述P型重掺区中心制作有中心突变结，所述介质钝化层上形成有光入射窗口，所述光入射窗口内设有增透膜，所述光入射窗口的周围环绕有P电极，所述中心突变结和光入射窗口同心且中心突变结的半径远小于光入射窗口的半径。
2.根据权利要求1所述的具有不等光电口径的垂直进光雪崩光电二极管，其特征在于，所述衬底的材料为InP，所述吸收层的材料为In0.47Ga0.53As，所述场控制层、本征层和P型重掺区的材料均为InP。
3.根据权利要求1所述的具有不等光电口径的垂直进光雪崩光电二极管，其特征在于，所述具有边缘击穿抑制效果的P型重掺区采用阶梯结加浮置环结构实现边缘击穿抑制。
4.根据权利要求1所述的具有不等光电口径的垂直进光雪崩光电二极管，其特征在于，所述中心突变结的半径比光入射窗口的半径小20～30Rdt；其中，所述Rdt为中心突变结与已具有边缘击穿抑制效果的阶梯结的结差。
5.一种具有不等光电口径的垂直进光雪崩光电二极管，其特征在于，包括衬底，顺序层叠于所述衬底上的吸收层、场控制层、本征层和介质钝化层，以及层叠于所述衬底下的N电极，部分所述本征层上设有具有边缘击穿抑制效果的P型重掺区，所述P型重掺区中心制作有中心突变结，所述介质钝化层上形成有窗口，所述窗口内覆盖有P电极，所述N电极上形成有光入射窗口，所述中心突变结和光入射窗口同心且中心突变结的半径远小于光入射窗口的半径。
6.根据权利要求5所述的具有不等光电口径的垂直进光雪崩光电二极管，其特征在于，所述衬底的材料为InP，所述吸收层的材料为In0.47Ga0.53As，所述场控制层、本征层和P型重掺区的材料均为InP。
7.根据权利要求5所述的具有不等光电口径的垂直进光雪崩光电二极管，其特征在于，所述具有边缘击穿抑制效果的P型重掺区采用阶梯结加浮置环结构实现边缘击穿抑制。
8.根据权利要求5所述的具有不等光电口径的垂直进光雪崩光电二极管，其特征在于，所述中心突变结的半径比光入射窗口的半径小20～30Rdt；其中，所述Rdt为中心突变结与已具有边缘击穿抑制效果的阶梯结的结差。
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