CN105118886A - 一种高响应度雪崩光电二极管制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种垂直型雪崩光电二极管及其制备方法。所述雪崩光电二极管的制备方法包括：刻蚀垂直台面至In0.53Ga0.47As牺牲层；钝化台面侧壁及上表面；腐蚀去除In0.53Ga0.47As牺牲层实现衬底剥离；在N型InP欧姆接触层表面制备光学增透膜；上下表面制备P、N接触金属层，最后在P型接触金属层上再形成平坦的高反射镜面金属层。通过光学增透膜及平坦高反射金属层的有效结合，有效提高了雪崩光电二极管的响应度。本发明制备的高响应度的垂直型InP/In0.53Ga0.47As雪崩光电二极管具有成本低、制备工艺简单等优点。
Description
技术领域
本发明属于高灵敏度红外探测器领域，特别是一种高响应度雪崩光电二极管制备方法。
背景技术
雪崩光电二极管在许多微弱光探测领域具有广阔的应用前景，如军事和民用等。相比于PlN探测器，雪崩光电二极管是一种具有内部光电流增益的半导体光电子器件，它应用光生载流子在耗尽层内的碰撞电离效应而获得光电流的雪崩倍增。随着光通信系统速率的提高，器件的量子效率与带宽之间的矛盾更加严重。为了提高雪崩光电二极管的频率响应，需要减小吸收层的外延厚度，然而减小吸收层厚度会降低雪崩光电二极管探测器的外量子效率，即降低了探测器的响应度，从而影响雪崩光电二极管的探测灵敏度。因此，制备高响应度的雪崩光电二极管显得尤为重要。
制备高响应度的雪崩光电二极管主要有以下方法：(1)将有源器件结构置于两个1/4波长薄膜堆栈构成的分布布拉格反射镜中间，符合谐振条件的光线在腔内可以多次反射，增加吸收长度，这样就能在减薄吸收层厚度的同时得到较高的响应度，但是此谐振腔增强型的雪崩光电二极管制作过程比较复杂，可重复性差。(2)采用侧面进光的波导雪崩光电二极管，光从侧面耦合到雪崩光电二极管边缘，进入雪崩光电二极管的吸收层，在吸收层中横向传播，提高了光吸收长度。但由于其工艺的复杂性，不仅生长成本高，而且需要精确控制每一步步骤。(3)通过衬底剥离技术，实现功能层与衬底的分离，削减了衬底对入射光的吸收，提高入射光的利用率；采用增透膜和高反射率金属层相结合的方法，不仅制作成本低，而且制作工艺简单，可重复性高，能够有效提高雪崩光电二极管的响应度。
发明内容
本发明旨在提供一种高响应度雪崩光电二极管制备方法，用于解决雪崩光电二极管响应度与带宽的矛盾问题，同时利用衬底剥离技术，将器件功能外延层与InP衬底剥离，降低衬底内杂质对入射光的吸收，同时衬底的重复利用大大降低了器件制作成本。
为了实现上述目的，本发明提供了一种雪崩光电二极管，其中，所述雪崩光电二极管的外延结构由底层向上具体包括：半绝缘InP衬底、In0.53Ga0.47As牺牲层、N型InP欧姆接触层、In0.53Ga0.47As吸收层、InGaAsP组分渐变层、厚度为150nm、掺杂浓度为1.5×1017cm-3的InP电荷控制层、InP倍增层、InP帽层、重掺杂P型In0.53Ga0.47As欧姆接触层，其中，所述雪崩光电二极管为通过腐蚀所述牺牲层而剥离衬底形成的垂直型背入射雪崩光电二极管。
本发明还提供了一种雪崩光电二极管的制备方法，其包括以下步骤：
步骤一：生长外延片，所述外延片由底层向上具体包括：半绝缘InP衬底、牺牲层、N型InP欧姆接触层、吸收层、InGaAsP组分渐变层、InP电荷控制层、InP倍增层、InP帽层、重掺杂P型欧姆接触层；
步骤二：刻蚀台面至牺牲层；
步骤三：在外延片表面及侧壁形成钝化层；
步骤四：光刻刻蚀出牺牲层上表面，利用腐蚀液腐蚀掉牺牲层，实现InP衬底与外延片的分离；
步骤五：在剥离后的外延片的N型欧姆接触层上制备光学增透膜并图形化，为电极制备做准备；
步骤六：将P型欧姆接触层上表面的钝化层刻蚀掉；
步骤七：在N型和P型欧姆接触层上形成金属层，并制备电极并退火形成良好的欧姆接触；
步骤八：在P型欧姆接触层上的金属层上再蒸镀一层平坦高反射率的金属层。
对于本发明所采用的牺牲层材料是In0.53Ga0.47As，In0.53Ga0.47As与InP衬底晶格匹配，在其表面生长外延功能层时，不会产生晶格失配，而雪崩光电二极管的性能与外延层层内的位错及表面粗糙度密切相关，外延层的位错及表面粗糙度严重影响器件的暗电流特性。所以采用In0.53Ga0.47As材料作为牺牲层，不会对功能外延层的晶体质量产生影响。
另外，器件采用底入射式进光，并借助P型金属层的高反射特性，大大提高了器件的光吸收长度，相比于普通正入射含衬底的台面雪崩光电二极管结构，所述器件的响应度至少提高1.5倍。并且剥离后的衬底经处理后可重复利用，大大降低了器件制备成本。
现有技术所制备的InPAPD基本为含衬底的台面型或平面型，本结构通过In0.53Ga0.47As牺牲层的作用，对衬底进行剥离，形成垂直型柔性APD。优点：①剥离后的InP衬底可重复使用，降低器件成本；②垂直型APD相比于台面型APD，减小器件整体面积；③柔性APD可应用多许多先进领域，如可用作血氧探头直接贴在皮肤上。下面的方法主要强调一些制备细节，包括电荷层和倍增层的掺杂浓度及厚度等，重点突出InP衬底上的牺牲层材料为In0.53Ga0.47As。
附图说明
图1为所述基于衬底剥离的高响应度垂直型InP/In0.53Ga0.47As雪崩光电二极管结构示意图
图2为所述雪崩光电二极管的最初结构外延示意图
图3为刻蚀台面至In0.53Ga0.47As牺牲层后的截面示意图
图4为蒸镀一层氮化硅包覆层后的截面示意图
图5为腐蚀牺牲层截面示意图
图6为N型InP欧姆接触层蒸镀氮化硅增透膜后的截面示意图
图7为N、P型欧姆接触层电极开孔截面示意图
图8为N、P型欧姆接触层蒸镀金属电极截面示意图
图9为快速热退火后，在P型金属电极上蒸镀一层高反射金属层截面示意图
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。
本发明提出了一种雪崩光电二极管的制作方法，图1-9示出了该制作方法对应的工艺流程图，参见图1-9所示，该方法具体包括以下步骤：
步骤一：生长外延片，所述外延片的结构由底层向上具体包括：半绝缘InP衬底、In0.53Ga0.47As牺牲层、N型InP欧姆接触层、In0.53Ga0.47As吸收层、InGaAsP组分渐变层、厚度为150nm、掺杂浓度为1.5×1017cm-3的InP电荷控制层、InP倍增层、InP帽层、重掺杂P型In0.53Ga0.47As欧姆接触层；
步骤二：刻蚀台面至In0.53Ga0.47As牺牲层；
步骤三：在外延片表面及侧壁钝化一层氮化硅钝化层；
步骤四：光刻刻蚀出牺牲层表面，利用腐蚀液腐蚀掉In0.53Ga0.47As牺牲层，实现InP衬底与外延层的分离；
步骤五：在剥离后的外延层的N型欧姆接触层上制备光学增透膜并图形化，为电极制备做准备；
步骤六：将P型欧姆接触层上表面的钝化层刻蚀掉；
步骤七：在N型和P型欧姆接触层上制备电极并退火形成良好的欧姆接触；
步骤八：在P型金属层上再蒸镀一层平坦高反射率的金属层。
其中，所述InP倍增层材料掺杂类型为渐变掺杂，掺杂浓度由下至上变化为1×1015cm-3～5×1014cm-3，厚度为500nm；
所述牺牲层材料是In0.53Ga0.47As；
所述步骤四中腐蚀牺牲层的选择性腐蚀液为柠檬酸和过氧化氢混合液，其体积混合比7时腐蚀选择比最大。
本发明的上述实施例可以获得基于衬底剥离工艺的高响应度垂直型InP/In0.53Ga0.47As雪崩光电二极管器件。通过MBE或者MOCVD外延生长器件结构。其结构由下至上依次包含以下材料：
材料1：半绝缘(100)InP衬底；
材料2：In0.53Ga0.47As牺牲层；
材料3：InP欧姆接触层，掺杂类型为N+，掺杂浓度～5×1018cm-3，厚度为0.3μm；
材料4：In0.53Ga0.47As吸收层，掺杂类型为N-，掺杂浓度～1×1015cm-3，厚度为1.5μm；
材料5：InGaAsP组分渐变层，掺杂类型为N-，掺杂浓度～1×1015cm-3，厚度为70nm；
材料6：InP电荷控制层，掺杂类型N+，掺杂浓度～1.5×1017cm-3，厚度为150nm；
材料7：InP倍增层，掺杂类型N-，掺杂浓度为渐变掺杂，厚度为500nm；
材料8：InP帽层，掺杂类型P+，掺杂浓度～1×1018cm-3，厚度为1μm；
材料9：In0.53Ga0.47As欧姆接触层，掺杂类型P+，掺杂浓度～9×1018cm-3，厚度为50nm。
外延片生长完成之后，干法湿法刻蚀外延片至露出In0.53Ga0.47As牺牲层为止，通过PECVD在外延表面及侧壁淀积一层氮化硅作为钝化膜。利用掩膜版并通过光刻工艺将In0.53Ga0.47As牺牲层上面的氮化硅刻蚀掉，使In0.53Ga0.47As牺牲层表面露出。然后将外延片浸泡在柠檬酸和双氧水混合液中，腐蚀牺牲层In0.53Ga0.47As，实现InP衬底的剥离。剥离后的外延片在N型欧姆接触层上利用PECVD工艺制备一层氮化硅薄膜作为增透膜，光刻刻蚀出电极孔，(其中P型欧姆接触层上的氮化硅保护层全部刻蚀掉、N型欧姆接触层上的碳化硅只刻蚀露出电极孔)，蒸镀钛铂金作为金属电极，在一定温度下快速热退火形成欧姆接触。电极制备后，在P型金属电极上再蒸镀一层高反射金属层来增加光吸收长度。最后划片进行器件性能测试。
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 (7)
1.一种雪崩光电二极管，其特征在于，所述雪崩光电二极管的外延结构由底层向上具体包括：半绝缘InP衬底、In0.53Ga0.47As牺牲层、N型InP欧姆接触层、In0.53Ga0.47As吸收层、InGaAsP组分渐变层、厚度为150nm、掺杂浓度为1.5×1017cm-3的InP电荷控制层、InP倍增层、InP帽层、重掺杂P型In0.53Ga0.47As欧姆接触层，其中，所述雪崩光电二极管为通过腐蚀所述牺牲层而剥离衬底形成的垂直型背入射雪崩光电二极管。
2.一种雪崩光电二极管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：生长外延片，所述外延片由底层向上具体包括：半绝缘InP衬底、牺牲层、N型InP欧姆接触层、吸收层、InGaAsP组分渐变层、InP电荷控制层、InP倍增层、InP帽层、重掺杂P型欧姆接触层；
步骤二：刻蚀台面至牺牲层；
步骤三：在外延片表面及侧壁形成钝化层；
步骤四：光刻刻蚀出牺牲层上表面，利用腐蚀液腐蚀掉牺牲层，实现InP衬底与外延片的分离；
步骤五：在剥离后的外延片的N型欧姆接触层上制备光学增透膜并图形化，为电极制备做准备；
步骤六：将P型欧姆接触层上表面的钝化层刻蚀掉；
步骤七：在N型和P型欧姆接触层上形成金属层，并制备电极并退火形成良好的欧姆接触；
步骤八：在P型欧姆接触层上的金属层上再蒸镀一层平坦高反射率的金属层。
3.如权利要求2所述的雪崩光电二极管的制备方法，其特征在于：所述InP倍增层材料掺杂类型为渐变掺杂，掺杂浓度由下至上变化为1×1015cm-3～5×1014cm-3，厚度为500nm。
4.如权利要求2所述的背雪崩光电二极管的制备方法，其特征在于：所述牺牲层材料是In0.53Ga0.47As。
5.如权利要求2所述的雪崩光电二极管的制备方法，其特征在于：所述步骤四中腐蚀牺牲层的选择性腐蚀液为柠檬酸和过氧化氢混合液，其体积混合比为7∶1。
6.如权利要求2所述的雪崩光电二极管的制备方法，其特征在于：所述InP电荷控制层的厚度为150nm，掺杂浓度为1.5×1017cm-3。
7.如权利要求2所述的雪崩光电二极管的制备方法，其特征在于：所述吸收层、牺牲层和P型欧姆接触层的材料均为In0.53Ga0.47As。
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