CN110098278B - 一种雪崩光电二极管扩散结构、制备方法及二极管器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种雪崩光电二极管扩散结构、制备方法及二极管器件。所述扩散结构包括：中心圆形有源区(1)、直径大于所述有源区(1)直径，并且直径依次增大的第一保护环区(2)和第二保护环区(3)、与所述第二保护环区(3)间隔预设距离的扩散沟槽区(4)。实现了在不影响器件诸如暗电流、带宽增益积等其他关键参数性能的前提下，抑制边缘击穿，并简化传统保护环工艺的繁杂的扩散工艺。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测器领域，具体涉及一种雪崩光电二极管扩散结构、制备方法及二极管器件。
背景技术
随着光电子芯片技术的发展，高频率、低噪声和高灵敏度的基于p-n结结构的III-V族半导体光电探测器越来越多地被应用于高比特率、长距离传输的光纤通信系统与近红外检测领域以及高灵敏度的单光子检测领域与光谱分析。具有单独的吸收和倍增层(Separate Absorption and Multiplication Avalanche Photodiode：SAM-APD)以及基于此优化的单独电荷层(Charge：C)、单独的过渡层(Grading：G)(SACM、SAGM、SAGCM-APD)的雪崩光电二极管(APD)结构可以提供具有高保真度(即，低噪声)的电输出信号。在SAM-APD(以及SACM、SAGM、SAGCM-APD，下文中均以SAM-APD等指代)中，光子在专门设计用于有效吸收的层(即“吸收层”)中的被吸收并转换成电载流子。得到的电信号在专门设计用于有效电载流子倍增的不同层中被放大(即“帽层”)。通过将吸收和倍增功能分离成不同的半导体层，可以针对其预期目的独立地优化每个半导体层。通过将掺杂剂扩散到半导体层中以形成p-n结，可以在SAM-APD的帽层中形成器件区。位于p-n结下方的覆盖层的未掺杂部分提供了可以发生雪崩倍增的高场区域(即，雪崩倍增区域)。
APD的两个重要参数是器件区域的增益和击穿电压的均匀性。击穿电压是p-n结充分反向偏置以传导由自持续雪崩效应产生的大电流的电压。增益和击穿电压是器件区的未掺杂部分(即，p-n结下面的帽区的区域)的厚度的函数。然而，半导体中的掺杂剂扩散是基本上各向同性的过程(即，掺杂剂以几乎相同的速率横向和垂直扩散)。扩散的p-n结将具有中心部分(即“有源区”)和外部(即“边缘区”)。有源区的特征在于均匀的平面结面轮廓，这导致均匀的雪崩增益和击穿电压。而掺杂剂扩散的侧向扩散导致了边缘区域具有不均匀的弯曲结合轮廓，进而产生了众所周知的“结-曲率”效应。结曲率效应导致相对于有源区域更高的电场强度和更低的击穿电压。这种现象通常被称为“边缘击穿”。这种边缘击穿是器件设计中所不期望产生的。因为APD的工作模式分为两种，线性模式以及盖革模式，线性模式下往往工作在击穿电压的90％及以上，边缘击穿会导致器件在正常器件的工作电压下局部区域击穿影响器件工作性能。而对于盖革模式往往以门信号的方式控制电压在门开启时工作在击穿电压的3-5V，门关闭时工作在线性模式下即击穿电压的90％及以上，同样会面临局部击穿，以及局部门开启时高于局部击穿电压过高造成的更大的暗计数及后脉冲等的影响。
在现有技术中已知许多限制边缘击穿的方法。包括：1)在盖层下面增加一个成形的电荷控制层，以增强有源区中的电场；2)形成多层掺杂分布(即，两个或多个单独的掺杂剂扩散)，以减小器件区边缘处的结分布的曲率，并因此减小感应的局部电场。3)扩散前进行一次刻蚀，刻蚀开出扩散凹坑槽，再进行掺杂剂扩散。所有这些方法的共同点是扩大的器件区域或是更复杂的器件制造，这可能导致更低的器件产量，更高的器件成本和更低的器件可靠性。
发明内容
(一)要解决的技术问题
如何在不影响器件诸如暗电流、带宽增益积等其他关键参数性能的前提下，抑制边缘击穿，并简化传统保护环工艺的繁杂的扩散工艺，降低量产成本，提高器件的可靠性。
(二)技术方案
本发明一方面提供了一种雪崩光电二极管扩散结构，所述扩散结构包括：中心圆形有源区、直径大于所述有源区直径，并且直径依次增大的第一保护环区和第二保护环区、与所述第二保护环区间隔预设距离的扩散沟槽区。
可选地，所述有源区直径为20～40μm。
可选地，所述第一保护环区和所述第二保护环区的宽度均为2～5μm。
可选地，所述第一保护环区与所述有源区之间的间隔为3～10μm。
可选地，所述第一保护环区与所述第二保护环区之间的间隔为3～10μm。
可选地，所述第二保护环区与所述扩散沟槽区之间的预设距离为50～100μm。
可选地，所述扩散沟槽区的宽度L为50～100μm。
可选地，所述有源区、所述第一保护环区、所述第二保护环区和所述扩散沟槽区的深度相同。
本发明另一方面提供了一种雪崩光电二极管扩散结构的制备方法，所述方法包括：在III-V族半导体雪崩光电二极管的外延片上，通过等离子体增强化学气相沉积法蒸镀一层介质膜；通过光刻和刻蚀定义出扩散窗口，通过所述扩散窗口进行一次掺杂剂扩散，得到中心圆形有源区、直径大于所述有源区直径，并且直径依次增大的第一保护环区和第二保护环区、与所述第二保护环区间隔预设距离的扩散沟槽区。
本发明又一方面提供了一种雪崩光电二极管器件，所述二极管器件包括上文所述的雪崩光电二极管扩散结构。
(三)有益效果
本发明在不影响器件诸如暗电流、带宽增益积等其他关键参数性能的前提下，优化了器件扩散的边缘区域的边缘曲率并控制了边缘区域的扩散掺杂浓度，并简化了传统保护环工艺的繁杂的扩散工艺。同时利用扩散的机理，优化扩散开孔结构，在保证单器件的性能基础上保证了单晶圆片间扩散的均匀性。即本发明通过第一保护环、第二保护环抑制了器件边缘击穿，并通过扩散沟槽区使得器件的击穿电压更加均匀。
同时本发明通过优化设计掺杂剂扩散时扩散区域的窗口类型及窗口结构与窗口尺寸，并仅通过一次掺杂剂扩散即完成以往多种技术方案中需要多次掺杂剂扩散，或是一次刻蚀加一次掺杂剂扩散的相同的扩散目标。在简化了扩散工艺的同时，减小了整体芯片扩散对应的器件区域的尺寸，避免了多步掺杂剂扩散所造成的工艺复杂性产生的良率低问题，以及刻蚀方案所造成的表面损伤以及表面漏电流较大的问题，提高了流片工艺的良率与器件的可靠性，优化了器件内的击穿电压均匀性的同时也优化了单晶圆片的器件间击穿电压均匀性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的雪崩光电二极管扩散结构的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的雪崩光电二极管扩散结构的剖面结构示意图；
图3是本发明实施例中实施例1提供的击穿电压的测试结果图；
图4是本发明实施例中实施例2提供的击穿电压的测试结果图；
图5是本发明实施例中实施例3提供的击穿电压的测试结果图；
图6是本发明实施例提供的晶圆阵列结构示意图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
本发明的一个实施例提供了一种雪崩光电二极管扩散结构，参见图1，所述扩散结构包括：中心圆形有源区1、直径大于所述有源区1直径，并且直径依次增大的第一保护环区2和第二保护环区3、与所述第二保护环区3间隔预设距离的扩散沟槽区4。
其中，参见图2，所述有源区1、所述第一保护环区2、所述第二保护环区3和所述扩散沟槽区4的深度相同。即其是通过一次掺杂剂扩散实现得到相同深度的有源区1、第一保护环区2、第二保护环区3和扩散沟槽区4。另外，本领域技术人员可以理解的是，图2中的外延片结构中，从上至下的倍增层(即帽层)、电荷层、过渡层、吸收层、缓冲层和衬底的结构，是作为本发明实施例的一个具体外延片结构示例，但本发明对该外延片的结构不作具体限定，外延片的结构可以为现有技术中任何一种可行的结构，并且外延片结构的不一致并不会对本发明实施例中的雪崩光电二极管扩散结构产生影响。
所述有源区1直径为20～40μm。本领域技术人员可以理解的是，该有源区1的直径与扩散材料、掺杂剂类型、器件的特性参数需求是相关联的，在本实施例中，20～40μm是作为一个优选的尺寸，但本发明对该尺寸不作具体限制，可以根据实际情况进行具体调整。
所述第一保护环区2和所述第二保护环区3的宽度均为2～5μm。对于该两个保护环的宽度而言，在其小于2μm时，无法正常扩散形成有效保护环区，无法有效抑制边缘击穿，而在其大于5μm时，过宽的保护环不能有效的成为边缘抑制结，其性质已经与半导体主结区相当，会形成相当的主结区，即拥有平坦的PN结区而非图1和图2中示出的圆弧无法有效抑制边缘击穿。
需要说明的是，保护环的作用主要是利用掺杂的圆弧形貌且在有源区附近一同扩散，以调节有源区的边缘区域的掺杂浓度，并调控边缘区域的电场值使其不会由于尖峰效应而太大而导致边缘击穿。而如果有源区与保护环之间的间距太小会和有源区扩散重合连在一起无法调控电场与掺杂浓度，即无法抑制边缘击穿。如果距离太大超过了调控影响范围，也是无法调控电场与掺杂浓度，即无法抑制边缘击穿。因此，在本发明实施例中，所述第一保护环区2与所述有源区1之间的间隔为3～10μm。所述第一保护环区2与所述第二保护环区3之间的间隔为3～10μm。
所述第二保护环区3与所述扩散沟槽区4之间的预设距离P为50～100μm。并且，所述扩散沟槽区4的宽度L为50～100μm。扩散沟槽区4的宽度L如图1所示，其通常会受到芯片总体尺寸规格限制，芯片的长度往往在200～400μm。所以适合宽度L的范围为：50～100μm。
下面通过3个具体实施例对本发明中保护环和扩散沟槽区的作用进行进一步说明：
实施例1：
本实施例对同一晶圆片中抽选100个样品测试击穿电压，该100个样品均为具有扩散沟槽区、第一保护环和第二保护环；
其测试结果如图3所示，同一晶圆片中抽选100个样品测试击穿电压的极差为：1.44V，对应偏差的百分比略小于2％。并且其击穿电压的均匀性极好(均值约为71V)。
实施例2：
本实施例对同一晶圆片中抽选100个样品测试击穿电压，该100个样品均为具有第一保护环和第二保护环，但不具有扩散沟槽区；
其测试结果如图4所示，虽然有第一保护环和第二保护环抑制了边缘击穿其保证了较大的击穿电压(均值约72V)，由于无扩散沟槽区，各有源区扩散深度不同，其击穿电压的均匀性极差，同一晶圆片中抽选100个样品测试击穿电压的极差为：11.57V，对应偏差的百分比约为16％。
实施例3：
本实施例对同一晶圆片中抽选100个样品测试击穿电压，该100个样品均为具有扩散沟槽区，但不具有第一保护环和第二保护环；
其测试结果如图5所示，虽然有扩散沟槽区保持了有源区扩散的均匀性，但是由于没有保护环结构器件边缘击穿无法被抑制，不同器件边缘击穿情况有所区别，导致部分器件提前击穿，进而导致其击穿电压偏小(均值约66V)，不同样品的边缘击穿状况不同，导致其击穿电压的均匀性很差，同一晶圆片中抽选100个样品测试击穿电压的极差为：8.6V，对应偏差的百分比约为13％。
由此，本发明通过第一保护环、第二保护环抑制了器件边缘击穿，并通过扩散沟槽区使得器件的击穿电压更加均匀。
本发明的另一个实施例提供了一种雪崩光电二极管扩散结构的制备方法，所述方法包括：在III-V族半导体雪崩光电二极管的外延片上，通过等离子体增强化学气相沉积法蒸镀一层介质膜；通过光刻和刻蚀定义出扩散窗口，通过所述扩散窗口进行一次掺杂剂扩散，得到中心圆形有源区1、直径大于所述有源区1直径，并且直径依次增大的第一保护环区2和第二保护环区3、与所述第二保护环区3间隔预设距离的扩散沟槽区4。
参见图6，图6为本发明实施例提供的晶圆阵列结构示意图，其示出了晶圆片上的各扩散窗口，以w(5～10μm)的划裂片沟道分开各器件。
综上所述，本发明通过优化设计掺杂剂扩散时扩散区域的窗口类型及窗口结构与窗口尺寸，并仅通过一次掺杂剂扩散即完成以往多种技术方案中需要多次掺杂剂扩散，或是一次刻蚀加一次掺杂剂扩散的相同的扩散目标。在简化了扩散工艺的同时，减小了整体芯片扩散对应的器件区域的尺寸，避免了多步掺杂剂扩散所造成的工艺复杂性产生的良率低问题，以及刻蚀方案所造成的表面损伤以及表面漏电流较大的问题，提高了流片工艺的良率与器件的可靠性，优化了器件内的击穿电压均匀性的同时也优化了单晶圆片的器件间击穿电压均匀性。
本发明的另一个实施例提供了一种雪崩光电二极管器件，所述二极管器件包括上文所述的雪崩光电二极管扩散结构。
本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。
尽管已经参照本发明的特定示例性实施例示出并描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行形式和细节上的多种改变。因此，本发明的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。
Claims (9)
1.一种雪崩光电二极管扩散结构，其特征在于，所述扩散结构包括：中心圆形有源区(1)、直径大于所述有源区(1)直径，并且直径依次增大的第一保护环区(2)和第二保护环区(3)、与所述第二保护环区(3)间隔预设距离的扩散沟槽区(4)；
所述有源区(1)、所述第一保护环区(2)、所述第二保护环区(3)和所述扩散沟槽区(4)的深度相同；
深度相同的所述有源区(1)、所述第一保护环区(2)、所述第二保护环区(3)和所述扩散沟槽区(4)是通过一次掺杂剂扩散得到。
2.根据权利要求1所述的扩散结构，其特征在于，所述有源区(1)直径为20～40μm。
3.根据权利要求1所述的扩散结构，其特征在于，所述第一保护环区(2)和所述第二保护环区(3)的宽度均为2～5μm。
4.根据权利要求1所述的扩散结构，其特征在于，所述第一保护环区(2)与所述有源区(1)之间的间隔为3～10μm。
5.根据权利要求1所述的扩散结构，其特征在于，所述第一保护环区(2)与所述第二保护环区(3)之间的间隔为3～10μm。
6.根据权利要求1所述的扩散结构，其特征在于，所述第二保护环区(3)与所述扩散沟槽区(4)之间的预设距离为50～100μm。
7.根据权利要求1所述的扩散结构，其特征在于，所述扩散沟槽区(4)的宽度L为50～100μm。
8.一种雪崩光电二极管扩散结构的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
在III-V族半导体雪崩光电二极管的外延片上，通过等离子体增强化学气相沉积法蒸镀一层介质膜；
通过光刻和刻蚀定义出扩散窗口，通过所述扩散窗口进行一次掺杂剂扩散，得到相同深度的中心圆形有源区(1)、直径大于所述有源区(1)直径，并且直径依次增大的第一保护环区(2)和第二保护环区(3)、与所述第二保护环区(3)间隔预设距离的扩散沟槽区(4)。
9.一种雪崩光电二极管器件，其特征在于，所述二极管器件包括权利要求1～7中任一项所述的雪崩光电二极管扩散结构。
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