CN106505116A - 单行载流子探测器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种单行载流子探测器及其制作方法，包括：I、利用分子束外延(MBE)设备在SI‑InP衬底上生长NIN‑IP(N是N型掺杂，I是本证掺杂，P是P型掺杂)双吸收区红外探测器外延层，采用GaSbAs扩散吸收区和渐变掺杂吸收区，AlGaSbAs作为阻挡层，形成单行载流子器件；II、利用半开关管Zn扩散的方法使U‑GaSbAs材料实现反型，从而形成P型扩散吸收层。III、在三台面制备时，引入溴水/氢溴酸和磷酸体系，选择型腐蚀和非选择性腐蚀混合使用，形成了正梯形侧壁表面，避免了侧向腐蚀。IV、在钝化过程中，采用BCB进行钝化，金属/RTP/BCB/SIN的方法，避免了退火对BCB钝化效果的影响。
Description
技术领域
本申请涉及一种半导体器件，特别是涉及一种单行载流子探测器及其制作方法。
背景技术
近年来，随着光纤通讯技术的发展，InGaAs高速光电探测器作为光纤通讯的关键器件之一，其发展一直被人们重视。然而，传统的InGaAs光电探测器存在一些不足之处。
首先，传统的InGaAs探测器,由于电子和空穴同时参与工作，在器件工作时，由于空穴的有效质量相对于电子相对较大，因此受空间电荷效应的影响，限制了器件的运行速度。
其次，为了保证较高的响应度，吸收区的厚度相对较大，但是这样往往会增加载流子的输运时间，从而抑制了器件的3dB带宽。
最后，干法刻蚀台面过程中在探测器表面形成了很多表面态和陷阱，增加了器件的暗电流。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单行载流子探测器及其制作方法，以克服现有技术中的不足。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本申请实施例公开一种单行载流子探测器，包括衬底、外延层和电极，所述外延层形成于所述衬底上，所述电极与所述外延层连接，所述外延层包括依次形成于所述外延层上的第一吸收区和第二吸收区，所述第一吸收区包括沿背离所述衬底方向依次形成的GaSbAs渐变掺杂吸收层和InGaAs吸收层，所述第二吸收区包括沿背离所述衬底方向依次形成的InGaAs本征吸收层和GaSbAs扩散吸收层，所述第一吸收区和第二吸收区采用AlGaSbAs作为阻挡层。
优选的，在上述的单行载流子探测器中，所述衬底为InP半绝缘衬底。
优选的，在上述的单行载流子探测器中，所述第一吸收区包括依次形成于所述衬底上的InGaAs接触层、AlGaAsSb阻挡层、GaSbAs渐变掺杂吸收层、InGaAs吸收层、InGaAsP渡越层、InP崖层和InP收集层。
优选的，在上述的单行载流子探测器中，所述第二吸收区包括依次形成于所述第一吸收区上的N型InGaAs接触层、InP收集层、InP崖层、InGaAsP渡越层、InGaAs本征吸收层、GaSbAs扩散吸收层、AlGaAsSb阻挡层和InGaAs接触层。
优选的，在上述的单行载流子探测器中，所述电极材料采用Ti/Pt/Au。
相应的，本申请还公开了一种单行载流子探测器的制作方法，包括：
s1、在衬底上生长外延层，其中第一吸收区通过生长方式形成P型的阶梯式掺杂的GaSbAs渐变掺杂吸收层；
s2、利用半开关管Zn扩散的方法，在第二吸收区形成P型的GaSbAs扩散吸收层；
s3、通过电子束蒸发方法在第二吸收区顶面蒸镀Ti/Pt/Au,制作P型电极；通过快速退火实现金属与半导体之间的欧姆接触；
s4、湿法腐蚀完成双台面腐蚀,并进行钝化，及开孔；
s5、在第二吸收区的InGaAs接触层上通过电子束蒸发方法蒸镀Ti/Pt/Au,制作N型电极。
优选的，在上述的单行载流子探测器的制作方法中，所述步骤s2中，采用SiN作为扩散掩膜层，以Zn3P2作为扩散源惰性气体保护下，在580～600℃的下，使得Zn3P2从固态变为气态，通过扩散进入GaAsSb材料，形成P型GaSbAs渐变掺杂吸收层。
优选的，在上述的单行载流子探测器的制作方法中，
所述步骤s4包括：
通过溴水进行非选择性腐蚀，形成正梯形侧面，腐蚀至第一吸收区的INP收集层；
然后采用H3PO4体系进行选择性腐蚀除去除第一吸收区剩余的InP收集层，第二吸收区的N型InGaAs接触层作为腐蚀阻挡层。优选的，在上述的单行载流子探测器的制作方法中，电极台面制作完成之后，还包括步骤：引入BCB对器件进行钝化，并对BCB进行固化。
优选的，在上述的单行载流子探测器的制作方法中，还包括步骤：在样品表面制备一层SIN钝化抗反射膜。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)、采用分子束外延的方法，通过扩散渐变吸收区和阶梯式渐变吸收区的引入，实现了分区吸收在维持传统UTC结构3dB带宽的基础上，大大提高了探测器的响应度；
(2)、利用半开关管Zn扩散的方法形成P型扩散吸收层，形成掺杂渐变吸收区，提高了载流子在吸收区的输运速度，同时大大降低了器件暗电流；采用AlGaSbAs作为阻挡层，在实现GaSbAs材料晶格匹配的同时，还可以形成较高的导带带结，阻挡了电子的扩散，从而形成单行载流子器件；
(3)、引入溴水/氢溴酸和磷酸体系，形成了正梯形侧壁表面，减小了侧向腐蚀，不仅有利于金属爬坡，还避免了干法刻蚀过程中造成的等离子体对侧壁的损伤；
(4)、在钝化过程中，采用金属/RTP/BCB/SIN的方法，不仅降低了器件的寄生电容，还避免了退火对BCB钝化效果的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1所示为本发明具体实施例中单行载流子探测器外延层结构示意图；
图2所示为本发明具体实施例中开管扩散形成扩散吸收区示意图；
图3所示为本发明具体实施例中单行载流子探测器器件结构示意图；
图4所示为本发明具体实施例中单行载流子探测器制作流程示意图；
图5所示为本发明具体实施例中溴水系湿法腐蚀台面SEM照片；
图6所示为本发明具体实施例中BCB/SIN固化后显微镜照片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
结合图1和图3所示，单行载流子探测器，包括衬底10、外延层和电极，外延层形成于衬底上，电极与外延层连接，外延层包括依次形成于外延层上的第一吸收区20和第二吸收区30，第一吸收区20包括沿背离衬底方向依次形成的GaSbAs渐变掺杂吸收层24和InGaAs吸收层25，第二吸收区30包括沿背离衬底方向依次形成的InGaAs本征吸收层35和GaSbAs扩散吸收层36，第一吸收区20和第二吸收区30采用AlGaSbAs作为阻挡层23、37。
该技术方案中，通过扩散渐变吸收区和阶梯式渐变吸收区的引入，实现了分区吸收在维持传统UTC结构3dB带宽的基础上，大大提高了探测器的响应度；采用AlGaSbAs作为阻挡层，在实现GaSbAs材料晶格匹配的同时，还可以形成较高的导带带结，阻挡了电子的扩散，从而形成单行载流子器件。
进一步地，衬底10为InP半绝缘衬底。
进一步地，，第一吸收区20包括依次形成于衬底上的InP缓冲层21、InGaAs接触层22、AlGaAsSb阻挡层23、GaSbAs渐变掺杂吸收层24、InGaAs吸收层25、InGaAsP渡越层26、InP崖层27和InP收集层28。
在一些实施例中，InP缓冲层21厚度优选为200nm，Be掺杂浓度为5×1018cm-3。
在一些实施例中，InGaAs接触层22厚度优选为50nm，Be掺杂浓度为2×1019cm-3。
在一些实施例中，AlGaAsSb阻挡层23厚度优选为15nm，Be掺杂浓度为2×1018cm-3。
在一些实施例中，GaSbAs渐变掺杂吸收层24厚度优选为200nm，Be掺杂浓度为5×1019cm-3～1×1017cm-3。
在一些实施例中，InGaAs吸收层25厚度优选为100nm。
在一些实施例中，InGaAsP渡越层26厚度优选为15nm，禁带系数为1.4。
在一些实施例中，InP崖层27厚度优选为20nm，Si掺杂浓度为1×1017cm-3。
在一些实施例中，InP收集层28厚度优选为350nm，Si掺杂浓度为1.5×1016cm-3。
进一步地，第二吸收区30包括依次形成于第一吸收区20上的N型InGaAs接触层31、InP收集层32、InP崖层33、InGaAsP渡越层34、InGaAs本征吸收层35、GaSbAs扩散吸收层36、AlGaAsSb阻挡层37和InGaAs接触层38。
在一些实施例中，N型InGaAs接触层31厚度优选为50nm，Si掺杂浓度为1×1019cm-3。
在一些实施例中，InP收集层32厚度优选为350nm，Si掺杂浓度为1.5×1016cm-3。
在一些实施例中，InP崖层33厚度优选为20nm，Si掺杂浓度为1×1017cm-3。
在一些实施例中，InGaAsP渡越层34厚度优选为15nm，禁带系数为1.4。
在一些实施例中，InGaAs本征吸收层35厚度优选为100nm。
在一些实施例中，GaSbAs扩散吸收层36厚度优选为200nm。
在一些实施例中，AlGaAsSb阻挡层37厚度优选为15nm。
在一些实施例中，InGaAs接触层38厚度优选为50nm，Be掺杂浓度为2×1019cm-3。
进一步地，与接触层22连接的电极材料采用P型的Ti/Pt/Au；与接触层31连接的电极材料采用N型的Ti/Pt/Au；与接触层38连接的电极材料采用P型的Ti/Pt/Au。
结合图4所示，基于GaSbAs/InGaAs吸收区的单行载流子红外探测器的制作方法，其制作工艺主要包括以下步骤：
步骤1：在外延层生长时，利用分子束外延的方法在SI-InP衬底上探测器生长外延层。其具体过程包括：
首先,通过MBE设备在SI-InP衬底上生长InGaAs接触层，AlGaAsSb阻挡层，GaAsSb和U-InGaAs吸收层，U-InGaAsP渡越层以及InP崖层和InP收集层；
其次生长N型InGaAs接触层,最后生长依次InP收集层,InP崖层,U-InGaAsP渡越层,U-InGaAs吸收层,GaAsSb层，AlGaAsSb阻挡层，InGaAs接触层。
步骤2：GaAsSb扩散渐变吸收层的形成
如图2所示,采用SiN作为扩散掩膜层，以Zn3P2作为扩散源，N2作为保护气体，在600℃的下，使得Zn3P2从固态变为气态，通过扩散进入GaAsSb材料，形成P型扩散渐变吸收区，一方面减小了电子在吸收区的扩散时间，同时，大大减小了器件的暗电流。
步骤3：台面湿法腐蚀
在外延层上制作P型材料上金属Ti/Pt/Au电极，通过快速退火实现金属与半导体之间的欧姆接触，之后进行台面湿法腐蚀，具体包括：
通过溴水进行非选择性腐蚀，由于溴水对GaSbAs材料腐蚀横向腐蚀速度较低，纵向较快，这样大大减小了侧面腐蚀，从而形成正梯形侧面，有利于金属的爬坡；同时，在溴水腐蚀后，采用H3PO4体系进行选择性腐蚀去除InP层，InGaAs背接触层31作为腐蚀阻挡层，这样消除溴水腐蚀造成的表面不平整的现象出现，从而形成平整的腐蚀表面，如图5所示。
步骤4：金属/退火/BCB/SiN
首先，为了避免退火对BCB性能的影响，我们将完成P型金属Ti/Pt/Au之后，首先对器件进行退火形成欧姆接触，之后进行台面腐蚀，通过引入BCB对器件进行钝化，并通过N2烘箱对BCB进行固化,最后，通过PECVD方法在样品表面制备一层SIN钝化抗反射膜，不仅可以降低探测器表面反射率，还可以和BCB搭配作为钝化膜，降低器件暗电流，同时提高介质层厚度，减小寄生电容，如图6所示。
该技术方案中，在钝化过程中，采用金属/RTP/BCB/SIN的方法，不仅降低了器件的寄生电容，还避免了退火对BCB钝化效果的影响。
步骤5：在台面下背接触层上通过电子束蒸发方法蒸镀Ti/Pt/Au,制备N型电极制作电极。
步骤6：通过电子束蒸发方法蒸镀金属Au，加厚台面上下金属电极。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
Claims (10)
1.一种单行载流子探测器，其特征在于，包括衬底、外延层和电极，所述外延层形成于所述衬底上，所述电极与所述外延层连接，所述外延层包括依次形成于所述外延层上的第一吸收区和第二吸收区，所述第一吸收区包括沿背离所述衬底方向依次形成的GaSbAs渐变掺杂吸收层和InGaAs吸收层，所述第二吸收区包括沿背离所述衬底方向依次形成的InGaAs本征吸收层和GaSbAs扩散吸收层，所述第一吸收区和第二吸收区采用AlGaSbAs作为阻挡层。
2.根据权利要求1所述的单行载流子探测器，其特征在于：所述衬底为InP半绝缘衬底。
3.根据权利要求1或2所述的单行载流子探测器，其特征在于：所述第一吸收区包括依次形成于所述衬底上的InGaAs接触层、AlGaAsSb阻挡层、GaSbAs渐变掺杂吸收层、InGaAs吸收层、InGaAsP渡越层、InP崖层和InP收集层。
4.根据权利要求1或2所述的单行载流子探测器，其特征在于：所述第二吸收区包括依次形成于所述第一吸收区上的N型InGaAs接触层、InP收集层、InP崖层、InGaAsP渡越层、InGaAs本征吸收层、GaSbAs扩散吸收层、AlGaAsSb阻挡层和InGaAs接触层。
5.根据权利要求1或2所述的单行载流子探测器，其特征在于：所述电极材料采用Ti/Pt/Au。
6.权利要求1至5任一所述的单行载流子探测器的制作方法，其特征在于，包括：
s1、在衬底上生长外延层，其中第一吸收区通过生长方式形成P型的阶梯式掺杂的GaSbAs渐变掺杂吸收层；
s2、利用半开关管Zn扩散的方法，在第二吸收区形成P型的GaSbAs扩散吸收层；
s3、通过电子束蒸发方法在第二吸收区顶面蒸镀Ti/Pt/Au,制作P型电极；通过快速退火实现金属与半导体之间的欧姆接触；
s4、湿法腐蚀完成双台面腐蚀,并进行钝化，及开孔；s5、在第二吸收区的InGaAs接触层上通过电子束蒸发方法蒸镀Ti/Pt/Au,制作N型电极。
7.根据权利要求6所述的单行载流子探测器的制作方法，其特征在于：所述步骤s2中，采用Si3N4作为扩散掩膜层，以Zn3P2作为扩散源,在N2保护下，在580-600℃的下，使得Zn3P2从固态变为气态，通过扩散进入GaAsSb材料，形成P型GaSbAs渐变掺杂吸收层。
8.根据权利要求6所述的单行载流子探测器的制作方法，其特征在于：所述步骤s4包括：
通过溴水进行非选择性腐蚀，形成正梯形侧面，腐蚀至第一吸收区的INP收集层；
然后采用H3PO4体系进行选择性腐蚀除去除第一吸收区剩余的InP收集层，第二吸收区的N型InGaAs接触层作为腐蚀阻挡层。
9.根据权利要求6所述的单行载流子探测器的制作方法，其特征在于：电极台面制作完成之后，还包括步骤：引入BCB对器件进行钝化，并对BCB进行固化。
10.根据权利要求6所述的单行载流子探测器的制作方法，其特征在于：还包括步骤：在样品表面制备一层SIN钝化抗反射膜。
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