CN110190148B - 一种雪崩光电二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种雪崩光电二极管及其制作方法，涉及光电二极管技术领域，包括底层，其包括衬底、缓冲层和光吸收层，衬底的下表面设有阴极；顶层，其设置于底层上方，顶层包括雪崩增益层和锌扩散层；锌扩散层包括非扩散区和锌扩散区，非扩散区和部分锌扩散区被刻蚀，锌扩散区未被刻蚀的部分为光敏区，锌扩散区被刻蚀的部分为环形槽；非扩散区与部分环形槽的上方蒸镀有绝缘层，未蒸镀绝缘层的环形槽和绝缘层上方蒸镀有环形阳极；环形阳极、绝缘层和阴极构成MIS结构。本发明的雪崩光电二极管，可产生阳极电容效应，改变阳极下方p型掺杂区域边缘的电场分布，减小耗尽区边缘曲率，降低边缘电场强度，从而抑制边缘预先击穿。
Description
技术领域
本发明涉及光电二极管技术领域，具体涉及一种雪崩光电二极管及其制作方法。
背景技术
制造平面结构的雪崩二光电极管(Avalanche Photodiodes：APD)，尤其是基于III-V族材料的APD时，器件的光敏面面积大小由锌扩散窗口决定，而扩散窗口边缘区域因曲率效应造成该区域的电场强度高于光敏面中心区，导致器件光敏面中心部分的增益较低，即实际应用中可利用的增益较低，容易出现边缘预先击穿现象，无法正常使用。
现有的APD抑制边缘预先击穿的方法主要有：1、在刻蚀电荷层周围区域后再进行外延再生长，从而增强光敏面中心区域的电场强度；2、进行两次以上窗口直径不同的锌扩散，形成特定的扩散形貌，以削弱边缘电场。上述两种方法虽然能够起到抑制边缘击穿的效果，但由于工艺流程较为复杂，控制难度较大，容易导致二极管制造成本增加、器件良品率下降、器件一致性降低等问题。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种雪崩光电二极管及其制作方法，可抑制边缘预先击穿，同时使光入射窗口内的增益分布均匀。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种雪崩光电二极管，其包括：
底层，其包括自下而上的衬底、缓冲层和光吸收层，所述衬底的下表面设有阴极；
顶层，其设置于所述底层上方，所述顶层包括雪崩增益层和设置于雪崩增益层上方的锌扩散层；
所述锌扩散层包括非扩散区和锌扩散区，所述非扩散区和部分锌扩散区被刻蚀，所述锌扩散区未被刻蚀的部分为光敏区，锌扩散区被刻蚀的部分为环形槽；
所述非扩散区与部分所述环形槽的上方蒸镀有绝缘层，所述未蒸镀绝缘层的环形槽和绝缘层上方蒸镀有环形阳极，且所述环形阳极覆盖至少部分绝缘层；
所述环形阳极、绝缘层和阴极构成MIS结构。
在上述技术方案的基础上，所述环形阳极的内侧面与所述光敏区接触，所述环形阳极与所述绝缘层重叠部分的宽度超过10μm。
在上述技术方案的基础上，所述光敏区上方蒸镀有增透膜，所述增透膜厚度为所述雪崩光电二极管的工作波长的四分之一。
在上述技术方案的基础上，所述底层还包括：
电荷层，其设置于所述雪崩增益层和光吸收层之间；所述电荷层由n型掺杂的InP材料制成；
渐变层，其设置于所述电荷层和光吸收层之间；所述渐变层由n型InGaAsP材料制成。
本发明还提供一种雪崩光电二极管的制作方法，其包括步骤：
在衬底上依次生长缓冲层、光吸收层和顶层；所述衬底、缓冲层和光吸收层构成底层；
采用锌扩散工艺对所述顶层上表面进行P型掺杂，形成被掺杂的锌扩散层和未被掺杂的雪崩增益层；所述锌扩散层包括非扩散区和锌扩散区；
对所述非扩散区和部分锌扩散区进行刻蚀，所述锌扩散区未被刻蚀的部分为光敏区，锌扩散区被刻蚀的部分为环形槽；
在所述非扩散区与部分所述环形槽的上方蒸镀绝缘层，并在所述未蒸镀绝缘层的环形槽和绝缘层上方蒸镀环形阳极，且所述环形阳极覆盖至少部分绝缘层；
对所述衬底的下表面进行减薄和抛光，蒸镀阴极；
所述环形阳极、绝缘层和阴极构成MIS结构。
在上述技术方案的基础上，所述环形阳极的内侧面与所述光敏区接触，所述环形阳极与所述绝缘层重叠部分的宽度超过10μm。
在上述技术方案的基础上，所述采用锌扩散工艺对所述顶层上表面进行P型掺杂，具体包括：
在所述顶层以等离子体增强化学的气相沉积法PECVD沉积第一钝化层，通过光刻和刻蚀形成扩散窗口；所述扩散窗口的面积为所述光敏区的面积；
通过扩散炉或有机金属化学气相沉积法MOCVD对所述顶层进行P型掺杂。
在上述技术方案的基础上，对所述非扩散区和部分锌扩散区进行刻蚀，具体包括：
去除所述第一钝化层的剩余部分，并在所述扩散窗口上镀膜形成第二钝化层；
对所述非扩散区和环形槽进行感应耦合等离子体ICP刻蚀。
在上述技术方案的基础上，还包括：
去除第二钝化层，并在所述光敏区的上表面镀膜形成一层增透膜；所述增透膜厚度为所述雪崩光电二极管的工作波长的四分之一。
在上述技术方案的基础上，生长所述顶层之前，还包括：在所述光吸收层上依次生长渐变层和电荷层。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明的雪崩光电二极管，可产生阳极电容效应，改变阳极下方p型掺杂区域边缘的电场分布，减小耗尽区边缘曲率，降低边缘电场强度，从而抑制边缘预先击穿，同时使光入射窗口内的增益分布均匀，尤其适用于偏置电压高于击穿电压的盖革模式APD。
(2)本发明的雪崩光电二极管的制作方法，只需要一次锌扩散工艺即可实现对边缘预先击穿的抑制，并使光入射窗口内的增益均匀分布，同时降低表面漏电流，提高器件性能，本方法简化了器件制作工艺流程，降低成本并提高良品率。
附图说明
图1为本发明实施例中雪崩光电二极管的结构示意图；
图2为本发明实施例中雪崩光电二极管的制作方法的流程图；
图3为本发明实施例中步骤S2示意图；
图4-5为本发明实施例中步骤S3示意图；
图6为本发明实施例中镀有增透膜的示意图。
图中：1-衬底，2-缓冲层，3-光吸收层，4-阴极，5-雪崩增益层，6-锌扩散层，61-非扩散区，62-锌扩散区，621-环形槽，622-光敏区，7-绝缘层，8-环形阳极，9-电荷层，10-渐变层，11-增透膜，12-第一钝化层，13-第二钝化层。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图1所示，本发明实施例提供一种雪崩光电二极管，其包括底层和顶层，底层包括自下而上的衬底1、缓冲层2和光吸收层3，在衬底1远离缓冲层2的下表面还设有半导体材质的阴极4。本实施例中，衬底1由InP材料制成，缓冲层2由n型低掺杂的InP材料制成，光吸收层3由本征InGaAs材料制成。
顶层设置在底层的上方，即光吸收层3上方。由于锌在InP材料中的扩散速度比较大，比较容易得到较深的扩散形貌，因此，顶层由n型低掺杂或是本征InP材料制成。顶层包括雪崩增益层5和设置在雪崩增益层5上方的锌扩散层6，即顶层中未被掺杂的层为雪崩增益层5，被掺杂的层为锌扩散层6。因此，雪崩增益层5也是由n型低掺杂或是本征InP材料制成，电子和空穴的碰撞电离系数差异大。
上述锌扩散层6包括非扩散区61和锌扩散区62，锌扩散区62设置在非扩散区61中间。非扩散区61和部分锌扩散区62被刻蚀，锌扩散区62未被刻蚀的部分为光敏区622，锌扩散区62被刻蚀的部分为环形槽621，因此，光敏区622设置在环形槽621中间，且光敏区622的上表面高于环形槽621的上表面。
非扩散区61与部分环形槽621的上方蒸镀有绝缘层7，绝缘层7可选用二氧化硅材料制成，也可选用氮化硅材料制成。未蒸镀绝缘层7的环形槽621和绝缘层7上方蒸镀有环形阳极8，该环形阳极8为金属电极，且该环形阳极8覆盖至少部分绝缘层7。可选的，环形阳极8也可覆盖在整个绝缘层7上方。
本实施例中，环形阳极8、绝缘层7和衬底1下表面的阴极4构成MIS(Metal-Insulator-Semiconductor)结构，利用MIS结构的电容效应，可改变环形阳极8下方p型掺杂区域边缘的电场分布，减小耗尽区边缘曲率，降低边缘电场强度，从而抑制边缘预先击穿，同时使光入射窗口内的增益分布均匀。
上述环形阳极8为圆环，环形阳极8的内侧面与光敏区622接触，环形阳极8的下表面一部分与环形槽621接触，另一部分与绝缘层接触。当环形阳极8与环形的绝缘层7的重叠部分的宽度超过10μm，才可对环形阳极8下方p型掺杂区域边缘的电场分布有较大的影响。其中，绝缘层7的厚度e为10-200nm，环形阳极8的环宽L为12-30μm，光敏区622上表面与环形槽621上表面的高度差d为1.5-2.5μm。
在本实施例中，在光敏区622上方还蒸镀有增透膜11，增透膜11可选用氮化硅材料制成。优选地，增透膜11的厚度为雪崩光电二极管设计的工作波长的四分之一，以便于将反射光线在增透膜11的两个界面发生的干涉相消，从而减少光线的反射。本实施例中，雪崩光电二极管的工作波长介于900-1700nm之间，优选1550nm作为工作波长。
优选地，底层还包括电荷层9，电荷层9设置在雪崩增益层5和光吸收层3之间；电荷层9由n型掺杂的InP材料制成。电荷层的目的是为了控制雪崩光电二极管内的电场强度分布，使光吸收层3的电场强度高于空穴饱和漂移速度所需强度(约50kV/cm)并小于击穿电场强度(约250kV/cm)，同时使雪崩增益层5内的电场强度尽可能大。若没有电荷层9，则电场强度在雪崩增益层5和光吸收层3的分布难以分别优化。
优选地，底层还包括渐变层10，渐变层10设置在电荷层9和光吸收层3之间；渐变层10由n型低掺杂的InGaAsP材料制成。其中，InGaAsP材料是一种带隙可调的四元半导体材料，实际是In1-xGaxAsyP1-y(0≤x≤1,0≤y≤1)，取x＝0.47y，并调整y，使材料带隙介于两侧的电荷层9和光吸收层3之间。
由于光吸收层3和电荷层9的材料不同，其能带的不连续会产生一个能量壁垒，对电子及空穴的移动造成阻碍，而降低器件的频率响应。因此增加恰当的渐变层，即材料成分渐变使能带逐渐过渡，可明显的降低这个能量壁垒，从而提高器件的频率响应。
参见图2所示，本发明实施例还提供一种雪崩光电二极管的制作方法，其包括步骤：
S1.在衬底1上依次生长缓冲层2、光吸收层3和顶层；上述衬底1、缓冲层2和光吸收层3构成底层。
S2.采用锌扩散工艺对顶层上表面进行P型掺杂，形成被掺杂的锌扩散层6和未被掺杂的雪崩增益层5；锌扩散层6包括非扩散区61和锌扩散区62；其中，锌扩散层6中没有锌扩散的区域为非扩散区61，锌扩散层6中有锌扩散的区域为锌扩散区62。
S3.对非扩散区61和部分锌扩散区62进行刻蚀，锌扩散区62未被刻蚀的部分为光敏区622，锌扩散区62被刻蚀的部分为环形槽621，其中，光敏区622设置在环形槽621中间。
S4.在非扩散区61与部分环形槽621的上方蒸镀绝缘层7，并在未蒸镀绝缘层7的环形槽621和绝缘层7上方蒸镀环形阳极8，且环形阳极8覆盖至少部分绝缘层7。
S5.对衬底1的下表面进行减薄和抛光，蒸镀半导体材质的阴极4。
本实施例的制作方法，只需要进行一次锌扩散工艺，即可使环形阳极8、绝缘层7和衬底1下表面的阴极4构成MIS结构，改变环形阳极8下方p型掺杂区域边缘的电场分布，边缘区域电场等势线均匀分布，从而使器件内增益均匀分布，实现对边缘预先击穿的抑制，同时降低表面漏电流，提高器件性能。
优选地，上述环形阳极8为圆环，环形阳极8的内侧面与光敏区622接触，环形阳极8与环形的绝缘层7重叠部分的宽度超过10μm，即可对环形阳极8下方p型掺杂区域边缘的电场分布产生较大的改变，使边缘区域电场等势线均匀分布。其中，绝缘层7的厚度e为10-200nm，环形阳极8的环宽L为12-30μm，光敏区622的上表面高于环形槽上表面1.5-2.5μm，即对锌扩散层6进行边缘刻蚀的深度为1.5-2.5μm。
本实施例中，锌扩散工艺采取窗口扩散的方式进行。由扩散窗口的尺寸确定器件的光敏面大小，即器件的有效区域，并同时依据扩散的深度来控制雪崩增益层5的厚度。锌扩散的方式可以是用锌蒸汽加高温炉、含锌材料的薄膜涂层加高温炉、有机金属化学气相沉积法MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition)的锌扩散技术。
参见图3所示，上述步骤S2中采用锌扩散工艺对顶层上表面进行P型掺杂，具体包括：
首先在顶层以等离子体增强化学的气相沉积法PECVD(Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition)沉积第一钝化层12，然后通过光刻和反应离子刻蚀RIE(Reactive Ion Etching)形成扩散窗口；再通过扩散炉或MOCVD对顶层进行P型掺杂。上述扩散窗口的面积即为光敏区622的面积。在实际操作过程中，扩散窗口的面积一般会稍大于光敏区622的面积。
参见图4和图5所示，上述步骤S3中对非扩散区61和部分锌扩散区62进行刻蚀，也就是对锌扩散层6进行边缘刻蚀，具体包括：
首先去除第一钝化层12的剩余部分，并在扩散窗口上镀膜形成第二钝化层13，然后对非扩散区61和环形槽621进行感应耦合等离子体ICP(Inductively Coupled Plasma)刻蚀。
因此，光敏区622即为被第二钝化层13所覆盖的未被刻蚀的区域，光敏区622外围的非扩散区61和环形槽621被刻蚀。
参见图6所示，本实施例中，对衬底1远离缓冲层2的背面进行减薄和抛光，蒸镀阴极4之前，即在蒸镀环形阳极8之后，还包括去除第二钝化层13，并在光敏区622的上表面镀膜形成一层增透膜。增透膜11的厚度为雪崩光电二极管设计的工作波长的四分之一，以便于将反射光线在增透膜11的两个界面发生的干涉相消，从而减少光线的反射。
在实施例中，在衬底1上生长缓冲层2和光吸收层3后，还可在光吸收层3上方生长渐变层10和电荷层9，即底层由衬底1、缓冲层2、光吸收层3、渐变层10和电荷层9构成，之后再在电荷层9的上方生长顶层。
本发明实施例的制作方法，只需要进行一次锌扩散工艺，即可使环形阳极8、绝缘层7和衬底1下表面的阴极4构成MIS结构，利用该MIS结构可削弱边缘电场，从而使光入射窗口内的增益均匀分布。本方法简化了器件制作工艺流程，降低成本并提高良品率，尤其适用于偏置电压高于击穿电压的盖革模式APD。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (7)
1.一种雪崩光电二极管的制作方法，其特征在于，所述雪崩光电二极管包括：
底层，其包括自下而上的衬底（1）、缓冲层（2）和光吸收层（3），所述衬底（1）的下表面设有阴极（4）；
顶层，其设置于所述底层上方，所述顶层包括雪崩增益层（5）和设置于雪崩增益层（5）上方的锌扩散层（6）；
所述锌扩散层（6）包括非扩散区（61）和锌扩散区（62），所述非扩散区（61）和部分锌扩散区（62）被刻蚀，所述锌扩散区（62）未被刻蚀的部分为光敏区（622），锌扩散区（62）被刻蚀的部分为环形槽（621）；
所述非扩散区（61）与部分所述环形槽（621）的上方蒸镀有绝缘层（7），未蒸镀绝缘层（7）的环形槽（621）和绝缘层（7）上方蒸镀有环形阳极（8），且所述环形阳极（8）覆盖至少部分绝缘层（7）；
所述制作方法包括步骤：
在衬底（1）上依次生长缓冲层（2）、光吸收层（3）和顶层；所述衬底（1）、缓冲层（2）和光吸收层（3）构成底层；
仅采用一次锌扩散工艺对所述顶层上表面进行P型掺杂，形成被掺杂的锌扩散层（6）和未被掺杂的雪崩增益层（5）；所述锌扩散层（6）包括非扩散区（61）和锌扩散区（62）；
对所述非扩散区（61）和部分锌扩散区（62）进行刻蚀，所述锌扩散区（62）未被刻蚀的部分为光敏区（622），锌扩散区（62）被刻蚀的部分为环形槽（621）；
在所述非扩散区（61）与部分所述环形槽（621）的上方蒸镀绝缘层（7），并在未蒸镀绝缘层（7）的环形槽（621）和绝缘层（7）上方蒸镀环形阳极（8），且所述环形阳极（8）覆盖至少部分绝缘层（7）；
对所述衬底（1）的下表面进行减薄和抛光，蒸镀阴极（4）；
所述环形阳极（8）、绝缘层（7）和阴极（4）构成MIS结构；
所述环形阳极（8）的内侧面与所述光敏区（622）接触，所述环形阳极（8）与所述绝缘层（7）重叠部分的宽度超过10μm。
2.如权利要求1所述的雪崩光电二极管的制作方法，其特征在于：所述光敏区（622）上方蒸镀有增透膜（11），所述增透膜（11）厚度为所述雪崩光电二极管的工作波长的四分之一。
3.如权利要求1所述的雪崩光电二极管的制作方法，其特征在于，所述底层还包括：
电荷层（9），其设置于所述雪崩增益层（5）和光吸收层（3）之间；所述电荷层（9）由n型掺杂的InP材料制成；
渐变层（10），其设置于所述电荷层（9）和光吸收层（3）之间；所述渐变层（10）由n型InGaAsP材料制成。
4.如权利要求1所述的雪崩光电二极管的制作方法，其特征在于，所述采用锌扩散工艺对所述顶层上表面进行P型掺杂，具体包括：
在所述顶层以等离子体增强化学的气相沉积法PECVD沉积第一钝化层（12），通过光刻和刻蚀形成扩散窗口；所述扩散窗口的面积为所述光敏区（622）的面积；
通过扩散炉或有机金属化学气相沉积法MOCVD对所述顶层进行P型掺杂。
5.如权利要求4所述的雪崩光电二极管的制作方法，其特征在于，对所述非扩散区（61）和部分锌扩散区（62）进行刻蚀，具体包括：
去除所述第一钝化层（12）的剩余部分，并在所述扩散窗口上镀膜形成第二钝化层（13）；
对所述非扩散区（61）和环形槽（621）进行感应耦合等离子体ICP刻蚀。
6.如权利要求5所述的雪崩光电二极管的制作方法，其特征在于，还包括：
去除第二钝化层（13），并在所述光敏区（622）的上表面镀膜形成一层增透膜（11）；所述增透膜（11）厚度为所述雪崩光电二极管的工作波长的四分之一。
7.如权利要求1所述的雪崩光电二极管的制作方法，其特征在于，生长所述顶层之前，还包括：在所述光吸收层（3）上依次生长渐变层（10）和电荷层（9）。
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