CN109728120A

CN109728120A - 一种高可靠nip结构台面型光电二极管及其制作方法

Info

Publication number: CN109728120A
Application number: CN201811598480.0A
Authority: CN
Inventors: 王立; 黄晓峰; 崔大健; 高新江; 莫才平; 迟殿鑫; 樊鹏; 张承
Original assignee: CETC 44 Research Institute
Current assignee: CETC 44 Research Institute
Priority date: 2018-12-26
Filing date: 2018-12-26
Publication date: 2019-05-07
Anticipated expiration: 2038-12-26
Also published as: CN109728120B

Abstract

本发明涉及半导体光电二极管领域，特别涉及一种高可靠NIP结构台面型光电二极管及制作方法，所述光电二极管包括半绝缘衬底，在衬底上生长有缓冲层、接触层、吸收层、渐变层和阻挡层；所述结构采用三层台面芯片结构，台面表面覆盖有钝化层，从所述N型台面引出N电极，从P型台面引出P电极，从而与所述N电极形成共平面电极；本发明采用NIP结构的光电二极管将P型层放在最低部，深埋在材料内部，可避免漏电和复杂的表面保护等问题；再配合三层台面的几何结构设计，可有效将内建电场限制在体内中心处，并最小化台面周边的边缘电场，抑制台面边缘的漏电流和边缘击穿，从而达到提高二级管芯片可靠性的目的。

Description

一种高可靠NIP结构台面型光电二极管及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体光电二极管领域，特别涉及一种高可靠NIP结构台面型光电二极管及制作方法。该发明可有效提高台面芯片可靠性。

背景技术

在光纤通信系统中，光电二极管被用来将携带信息的光信号转换为携带信息的电信号，以便于后续电路处理信息。由PN结形成方式的不同，可以分为平面型光电二极管和台面性光电二极管。平面型光电二极管的PN结埋在外延层内部，可靠性好，但是PN结具有横向扩展效应，高速性能较差。台面型光电二极管PN结裸露在空气中，可靠性差，但是高速性能好。

随着高速光纤通信系统逐渐由4G向5G、6G提升，系统对光电二极管速率要求不断提高(≥25Gbps)，二极管芯片对电容的要求也越来越高(≤0.1pF)，由于芯片结电容与有源区面积成正比关系，因此，要求二级管芯片的有源区尽量小(≤20μm)。平面型光电二极管由于其PN结的横向扩展效应(通常≥7.5μm)，无法满足缩小有源区的需求，因此，台面型光电二极管成为高速应用中的主要选择。

现有技术一般采用两层台面P-i-N光电二极管芯片，如图1所示，该二极管在半绝缘衬底上顺次生长出N型层和P型层，但可能会导致漏电和复杂的表面保护等问题。进一步的，台面型光电二极管普遍存在暗电流大、击穿后暗电流不稳定、芯片易失效的问题，可靠性远不如平面型芯片，限制了台面型芯片的使用。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，提高台面型芯片的可靠性，本发明提出了一种高可靠NIP结构台面型光电二极管，与传统P型层在顶部的台面光电二极管相比，N-I-P结构的光电二极管P型层放在最低部，深埋在材料内部，可避免漏电和复杂的表面保护等问题。再配合三层台面的几何结构设计，可有效将内建电场限制在体内中心处，并最小化台面周边的边缘电场，抑制台面边缘的漏电流和边缘击穿，从而达到提高二级管芯片可靠性的目的。

针对现有台面型光电二极管在实际应用中的不足，进一步提高台面二极管可靠性，将芯片设计为P型层在底部，N型层在顶部的三层台面结构；本发明提出一种高可靠NIP结构台面型光电二极管，所述台面型光电二极管包括三层台面结构，包括从上至下叠次连接的N型台面、吸收台面以及P型台面；在所述P型台面的台阶最底层为半绝缘衬底；每个台面的表面均覆盖有钝化层，从所述N型台面引出N电极，从P型台面引出P电极，从而与所述N电极形成共平面电极。

进一步的，作为一种可选方式，三层台面结构均呈棱台形，并依次形成了三个台阶；且从N型台面至P型台面，其底面逐渐增大；

作为另一种可选方式，三层台面均呈圆台形，并依次形成了三个台阶；且从N型台面至P型台面，其底面逐渐增大。

其中，N型台面可作为有源区、有源区的一部分或者一部分作为有源区。

进一步的，所述N型台面包括N型接触层，包括采用N型InP的接触层。

进一步的，所述吸收台面包括由上至下的渐变层和吸收层，包括采用InGaAsP的渐变层和采用InGaAs的吸收层。

进一步的，所述P型台面包括由上至下的阻挡层、P型接触层以及缓冲层，具体包括采用InGaAsP的阻挡层、采用InGaAs的P型接触层以及采用InP的缓冲层。

在本发明的台面型结构的基础上，本发明还提出了一种高可靠NIP结构台面型光电二极管的制作方法，包括以下步骤：

S1、通过金属有机化合物化学气相沉积MOCVD或分子束外延MBE在半绝缘衬底的外延片上依次沉积缓冲层、P型接触层、阻挡层、吸收层、渐变层和N型接触层；

S2、通过光刻工艺定义出P型台面区域，采用干法刻蚀或湿法腐蚀的方式将P型台面刻蚀至渐变层；

S3、通过光刻工艺定义出吸收台面区域，采用干法刻蚀或湿法腐蚀的方式将吸收台面刻蚀至阻挡层；

S4、通过光刻工艺定义出N型台面区域，采用干法刻蚀或湿法腐蚀的方式将N型台面刻蚀至半绝缘衬底；其中，其刻蚀或腐蚀深度必须到达半绝缘衬底；

S5、对各个台面的外表面进行钝化，从而形成表面钝化膜；

S6、采用剥离工艺蒸发或溅射形成P型欧姆接触的金属或金属合金；

S7、采用电子束或热蒸发工艺蒸发形成N型欧姆接触的金属或金属合金；

S8、采用化学机械抛光的方式将所述半绝缘衬底减薄抛光至100～200μm。

优选的，所述干法刻蚀采用包括感应耦合等离子体刻蚀ICP方式或反应离子刻蚀RIE方式；湿法腐蚀采用包括酸系列、酸氧系列、溴系列腐蚀液腐蚀方式。

优选的，所述钝化膜的形成方式包括采用等离子增强化学气相淀积PECVD沉积SiNx、SiO2或SiNxOy介质膜，或者在台面的外表面涂敷苯并环丁烯BCB或聚酰亚胺PI。

优选的，所述步骤S6中选用的金属或金属合金包括钛Ti、铂Pt、铬Cr或金Au中一种或多种。

优选的，所述步骤S7中选用的金属或金属合金包括金锗镍AuGeNi或金Au中一种或多种。

本发明的有益效果：

本发明与现有技术相比，将P型层和N型层的位置互换，设计为三层台面机构，可有效将内建电场限制在体内中心处，并最小化台面周边的边缘电场，抑制台面边缘的漏电流和边缘击穿，从而达到提高二级管芯片可靠性的目的。

附图说明

图1是现有传统两层台面P-i-N光电二极管芯片结构示意图；

图2是本发明优选实施例1中高可靠NIP结构台面型光电二极管示意图；

图3是本发明实施例1中外延材料结构示意图；

其中，1、衬底，2、缓冲层，3、P型接触层、4、阻挡层、5、吸收层，6、渐变层，7、N型接触层。

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清楚、完整地描述，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。

实施例1

作为具体实施例，下面结合附图和工艺流程对本发明作详细说明，在本实施例中，芯片结构外延材料通过金属有机化学气相淀积(MOCVD)或分子束外延(MBE)生长在半绝缘衬底1，即InP衬底上，结构可如图2和图3所示，依次为：

1)缓冲层2

采用弱n型磷化铟(InP)缓冲层，其载流子浓度1×10¹⁵cm^-3，厚度为0.1～0.5μm；

2)P型接触层3

采用P型InGaAs接触层，掺碳，载流子浓度≥1×10¹⁸cm^-3，厚度为0.1～0.5μm。

3)阻挡层4

P型铟镓砷磷(InGaAsP)阻挡层，掺杂浓度≥1×10¹⁸cm^-3，其生长厚度为0.01～0.2微米；

4)吸收层5

本征或非故意掺杂InGaAs作为吸收层，载流子浓度＜1×10¹⁵cm^-3，厚度为0.2～3.5μm；或载流子浓度渐变的渐变掺杂吸收层。

5)渐变层6

n型铟镓砷磷(InGaAsP)渐变层，掺杂浓度≤1×10¹⁷cm^-3其生长厚度为0.01～0.2微米；

6)N型接触层7

n型InP接触层，载流子浓度≥1×10¹⁸cm^-3，厚度为0.2～2.0μm。

实施例2

本实施例的工艺制作流程包括以下步骤：

1)通过等离子体增强化学气相淀积(PECVD)在外延材料上淀积氮化硅(SiNx)介质膜，通过光刻工艺定义出第一层台面区域。

2)采用干法刻蚀或湿法腐蚀的方式定义出第一层台面，干法刻蚀可采用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)或反应离子刻蚀(RIE)方式；湿法腐蚀可采用酸系列、酸氧系列、溴系列腐蚀液，刻蚀或腐蚀深度须到达InGaAsP渐变层。

3)使用光刻胶作为掩模，通过光刻工艺定义出第二层台面区域。

4)采用干法刻蚀或湿法腐蚀的方式定义出第二层台面，干法刻蚀可采用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)或反应离子刻蚀(RIE)方式；湿法腐蚀可采用酸系列、酸氧系列、溴系列腐蚀液，刻蚀或腐蚀深度须到达InGaAsP阻挡层。

5)使用光刻胶作为掩模，通过光刻工艺定义出第三层台面区域。

6)采用干法刻蚀或湿法腐蚀的方式定义出第二层台面，干法刻蚀可采用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)或反应离子刻蚀(RIE)方式；湿法腐蚀可采用酸系列、酸氧系列、溴系列腐蚀液，刻蚀或腐蚀深度须到达半绝缘衬底。

7)采用等离子增强化学气相淀积(PECVD)沉积或原子层沉积系统(ALD)沉积SiNx、SiO₂或SiNxOy形成表面钝化、增透膜，厚度

8)涂敷苯并环丁烯(BCB)或聚酰亚胺(PI)，通过光刻工艺定义出光敏面、电极孔。

9)采用剥离工艺蒸发或溅射用于P型欧姆接触的金属或金属合金，常用金属有钛(Ti)、铂(Pt)、铬(Cr)、金(Au)等。

本实例优选Ti/Pt/Au作为P型欧姆接触电极，厚度为

10)采用剥离工艺蒸发用于N型欧姆接触的金属或金属合金，常用金属有金锗镍(AuGeNi)、金(Au)等。

本实例优选AuGeNi/Au作为N型欧姆接触电极，厚度为

11)采用化学机械抛光的方式将外延片减薄至100～150μm；

12)将晶圆解理成单元芯片，芯片制作完成。

其中，金属与半导体形成欧姆接触是指在接触处是一个纯电阻，而且该电阻越小越好，使得组件操作时，大部分的电压降在活动区(Active region)而不在接触面。并且，欧姆接触不会产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著的改变。

在本发明中，P型欧姆接触电极即为P型台面引出的P电极；N型欧姆接触电极即为N型台面引出的N电极。

可以理解的是，为了避免赘述，本发明的二极管以及该制作方法的对应特征可以相互引用。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种高可靠NIP结构台面型光电二极管，其特征在于，所述台面型光电二极管包括三层台面结构，包括从上至下叠次连接的N型台面、吸收台面以及P型台面；在所述P型台面的台阶最底层为半绝缘衬底；每个台面的表面均覆盖有钝化层，从所述N型台面引出N电极，从P型台面引出P电极，从而P电极与所述N电极形成共平面电极。

2.根据权利要求1所述的高可靠NIP结构台面型光电二极管，其特征在于，所述N型台面包括N型接触层，包括采用N型InP的接触层。

3.根据权利要求1所述的高可靠NIP结构台面型光电二极管，其特征在于，所述吸收台面包括由上至下的渐变层和吸收层，包括采用InGaAsP的渐变层和采用InGaAs的吸收层。

4.根据权利要求1所述的高可靠NIP结构台面型光电二极管，其特征在于，所述P型台面包括由上至下的阻挡层、P型接触层以及缓冲层，具体包括采用InGaAsP的阻挡层、采用InGaAs的P型接触层以及采用InP的缓冲层。

5.一种高可靠NIP结构台面型光电二极管的制作方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S5、对各个台面的外表面进行钝化，从而形成表面钝化膜；

6.根据权利要求5所述的一种高可靠NIP结构台面型光电二极管的制作方法，其特征在于，所述干法刻蚀采用包括感应耦合等离子体刻蚀ICP方式或反应离子刻蚀RIE方式；湿法腐蚀采用包括酸系列、酸氧系列、溴系列腐蚀液腐蚀方式。

7.根据权利要求5所述的一种高可靠NIP结构台面型光电二极管的制作方法，其特征在于，所述钝化膜的形成方式包括采用等离子增强化学气相淀积PECVD沉积SiNx、SiO2或SiNxOy介质膜，或者在台面的外表面涂敷苯并环丁烯BCB或聚酰亚胺PI。

8.根据权利要求5所述的一种高可靠NIP结构台面型光电二极管的制作方法，其特征在于，所述步骤S6中选用的金属或金属合金包括钛Ti、铂Pt、铬Cr或金Au中一种或多种。

9.根据权利要求5所述的一种高可靠NIP结构台面型光电二极管的制作方法，其特征在于，所述步骤S7中选用的金属或金属合金包括金锗镍AuGeNi或金Au中一种或多种。