CN111653637A - 一种宽光谱响应的雪崩光电二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽光谱响应的雪崩光电二极管，包括第一电极、衬底、底部外延层、窗口层和第二电极，所述第一电极设于所述衬底下方，所述底部外延层和窗口层依次设于所述衬底上，其中所述窗口层形成有扩散区，且窗口层于扩散区的下方形成雪崩区；所述扩散区中部设有凹槽，所述第二电极设于所述扩散区位于凹槽外侧的上方。本发明还公开了其制作方法。本发明通过在光敏区设置凹槽，减少窗口层的厚度，减少了上述材料对特定波段光的吸收，从而使入射光更有效的被吸收层吸收，扩大了雪崩光电二极管的光谱响应范围。
Description
技术领域
本发明涉及雪崩光电二极管技术领域，尤其涉及一种宽光谱响应的雪崩光电二极管及其制作方法。
背景技术
随着信息技术的快速发展，目前对于900-1000nm近红外波段探测器的需求日益增加。如：904nm波段是目前激光器雷达的工作波段，940nm波段是手机3D感应的应用波段。这些应用都需要高速、高灵敏度的红外探测器。
InGaAs/InP APD(雪崩光电二极管)是长波长(1.3μm，1.55μm)波段光纤通信理想的光检测器，具有工作电压低、暗电流小、速率高、性能稳定等优势。但在1000nm以下波段，InGaAs APD响应较差。InGaAs/InP APD在950nm以下波段响应较差的原因是由于顶部InP层的吸收。在APD的制作过程中为了防止边缘击穿，需要精确控制扩散深度。热扩散的Zn或Cd在InP中遵循余误差函数分布，InP层厚度越大，扩散深度控制越精准。InP材料的带隙为1.35eV，对应吸收边为920nm左右，厚的InP层对波长小于900-940nm的光的有很大的吸收，降低了InGaAs/InP APD短波长响应度。另外，目前APD普遍采用吸收波长小于1050nm的InGaAsP作为顶部盖帽层和欧姆接触层，这也进一步降低了InGaAs/InP APD在短波长处的响应度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种宽光谱响应的雪崩光电二极管及其制作方法。
为了实现以上目的，本发明的技术方案为：
一种宽光谱响应的雪崩光电二极管，包括第一电极、衬底、底部外延层、窗口层和第二电极，所述第一电极设于所述衬底下方，所述底部外延层和窗口层依次设于所述衬底上，其中所述窗口层形成有扩散区，且窗口层于扩散区的下方形成雪崩区；所述扩散区中部设有凹槽，所述第二电极设于所述扩散区位于凹槽外侧的上方。
可选的，所述窗口层的厚度大于2μm，以便于可以精确控制扩散深度和形状，防止边缘击穿。
可选的，所述凹槽底部和所述雪崩区之间的扩散区厚度至少为50nm。
可选的，还包括腐蚀截止层，所述腐蚀截止层插设于所述窗口层之中并位于所述扩散区深度之内，所述凹槽底部位于所述腐蚀截止层顶面。
可选的，所述扩散区通过Zn或Cd扩散形成。
可选的，所述底部外延层包括由所述衬底向上依次设置的缓冲层、吸收层、过渡层和电荷控制层。
可选的，所述衬底包括n-InP，所述缓冲层包括n-InP或u-InP，所述吸收层包括i-InGaAs，所述过渡层包括u-InGaAsP，所述电荷控制层包括n-InP，所述窗口层包括u-InP。
可选的，还包括设于所述窗口层之上的接触层，所述接触层同样形成有扩散区且对应所述凹槽部分挖空，所述第二电极设于所述接触层顶部；所述接触层包括u-InGaAsP。
可选的，所述雪崩光电二极管的响应波段范围包括900-1650nm，并且在920nm以下波段响应特性明显提升。
上述雪崩光电二极管的制作方法包括以下步骤：
1)于衬底上依次形成底部外延层和窗口层；
2)通过扩散工艺形成深入所述窗口层部分深度范围的扩散区，所述窗口层的扩散区下方余下深度范围形成雪崩区；
3)蚀刻所述扩散区中部的部分深度范围形成凹槽；
4)分别于所述衬底的底面形成第一电极，于所述凹槽外侧的扩散区上方形成第二电极。
可选的，步骤1)中，所述窗口层中还插入有腐蚀截止层；步骤3)中，采用湿法工艺蚀刻所述窗口层至所述腐蚀截止层截止，形成所述凹槽。
本发明的有益效果为：
1)通过扩散区中部设有凹槽能减少光敏区内窗口层的厚度，减少了上述材料对特定波段光的吸收，从而使入射光更有效的被吸收层吸收，扩大了雪崩光电二极管的光谱响应范围。
2)对于InGaAs APD，通过减少光敏区内窗口层InP的厚度，减少了900-1000nm波段窗口层的光吸收，使入射光能更有效的被InGaAs吸收层吸收，进而提升900-1000nm波段的响应度，获得一种宽光谱响应的InGaAs APD，拓展了其使用范围，可应用于手机、安防、激光雷达等领域。
附图说明
图1为实施例1的结构示意图，其中箭头表示入射光；
图2为图1的俯视图；
图3为实施例2的结构示意图，其中箭头表示入射光；
图4为实施例3的结构示意图，其中箭头表示入射光。
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。本发明的附图仅为示意以更容易了解本发明，其具体比例可依照设计需求进行调整。文中所描述的图形中相对元件的上下关系，在本领域技术人员应能理解是指构件的相对位置而言，因此皆可以翻转而呈现相同的构件，此皆应同属本说明书所揭露的范围。
实施例1
参考图1和图2，一种宽光谱响应的雪崩光电二极管1包括由下至上依次设置的第一电极(N电极)11，由n-InP材料形成的衬底12，包括由n-InP或u-InP材料形成的缓冲层13、i-InGaAs材料形成的吸收层14、u-InGaAsP材料形成的过渡层15、n-InP材料形成的电荷控制层16所组成的底部外延层，由u-InP材料形成的窗口层17，由u-InGaAsP材料形成的接触层18和第二电极(P电极)19。其中接触层18和窗口层17的部分深度范围通过Zn或Cd扩散形成扩散区20。窗口层17位于扩散区20下方的未扩散深度范围形成雪崩区17a。扩散区20中部设有凹槽21。第二电极19设于扩散区20位于凹槽21外侧的顶部。
窗口层17的厚度大于2μm，采用厚的InP窗口层，可以精确控制扩散深度和形状，防止边缘击穿。扩散区20用于定义器件的有效区域并控制雪崩区17a的厚度。具体，扩散区20包括中心区域20a和边缘区域20b，且边缘区域20b的深度小于中心区域20a以避免边缘击穿问题。凹槽21通过去除扩散区20中部的接触层18以及窗口层17的部分深度范围形成，扩散区余下部分形成环绕凹槽21的侧壁以及底部。余下的扩散区侧壁厚度至少为1um以确保侧壁良好的导电功能。余下的扩散区底部(即凹槽21底面和雪崩区17之间的距离)厚度至少为0.05um，优选范围为0.2um-0.5um之间，以确保电流横向扩散功能。结合图1和图2，俯视来看，凹槽21与中心区域20a对应，部分或全部覆盖中心区域20a的面积。凹槽21的形状(即俯视看到的形状)举例为圆形，此外，也可以根据实际结构设计需求设置为椭圆形、多边形或其他形状，并不对此进行限定。
例如，窗口层17厚度为3um，扩散区20深入窗口层深度为2.5um，凹槽21深度为2.0um，留下的扩散区侧壁厚度为6um，凹槽21之内为光敏区，相对于没有凹槽的结构，可将对900-920nm光的响应提高50％以上。
上述雪崩光电二极管制作方法的制作步骤为：
于衬底12上依次外延形成缓冲层13、吸收层14、过渡层15、电荷控制层16、窗口层17和接触层18；通过Zn或Cd的扩散工艺形成由所述接触层18至深入所述窗口层17部分深度范围的扩散区20，所述窗口层17的扩散区20下方余下深度范围形成雪崩区17a，具体，可通过已知技术，例如二次窗口扩散技术等形成扩散深度不同的中心区域20a和边缘区域20b，两者的深度差可以是例如1.0-1.5um；蚀刻所述扩散区20中部的部分深度范围形成凹槽21；最后，分别于衬底12的底面形成第一电极11，于所述凹槽21外侧的扩散区顶部形成环形的第二电极19。第一电极11和第二电极19分别采用常见的n金属层和p金属层。
根据实际设计需要，上述底部外延层的各层结构可替换为其他已知的雪崩光电二极管的基础结构，上述各外延层的掺杂浓度可以参考已知的雪崩光电二极管结构，不加以赘述。
此外，也可不设置接触层，第二电极直接形成于窗口层的扩散区位于凹槽外侧的顶部。
实施例2
参考图3，为更好的控制凹槽的蚀刻深度，降低制作工艺难度，增大工艺窗口，本实施例的宽光谱响应的雪崩光电二极管2与实施例1的差别在于，窗口层17’中还插设腐蚀截止层22。腐蚀截止层22位于扩散区20的深度范围之内，凹槽21底部位于腐蚀截止层22顶面。腐蚀截止层22材料的选择上，除具有与窗口层17’不同的腐蚀性能之外，还需使得形成扩散区所用扩散元素在腐蚀截止层22和窗口层17’中的扩散速率接近以避免对扩散形状的影响。例如，与实施例1相同，窗口层17’由u-InP材料形成，腐蚀截止层22可以由InGaAsP材料形成。由于Zn或Cd在InGaAsP材料和InP材料中的扩散速率基本相同，InGaAsP层的加入对于扩散形状的控制基本无影响，保证了器件性能。
上述雪崩光电二极管制作方法的制作步骤为：
于衬底12上依次外延形成缓冲层13、吸收层14、过渡层15、电荷控制层16、u-InP层、腐蚀截止层22、u-InP层和接触层18，其中两个u-InP层组成窗口层17’；通过Zn或Cd的扩散工艺形成由所述接触层18至深入所述窗口层17’至少超过腐蚀截止层22的部分深度范围的扩散区20，窗口层17’的扩散区20下方余下深度范围形成雪崩区17a；采用湿法或干法加湿法工艺蚀刻所述接触层18和窗口层17’至所述腐蚀截止层22截止，形成凹槽21；最后，分别于衬底12的底面形成第一电极11，于所述凹槽21外侧的扩散区顶部形成环形的第二电极19。
实施例3
参考图4，本实施例的宽光谱响应的雪崩光电二极管3与实施例2的差别在于不设置接触层，第二电极19直接形成于窗口层17’的扩散区20位于凹槽21外侧的顶部即可。
上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种宽光谱响应的雪崩光电二极管及其制作方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。
Claims (11)
1.一种宽光谱响应的雪崩光电二极管，其特征在于：包括第一电极、衬底、底部外延层、窗口层和第二电极，所述第一电极设于所述衬底下方，所述底部外延层和窗口层依次设于所述衬底上，其中所述窗口层形成有扩散区，且窗口层于扩散区的下方形成雪崩区；所述扩散区中部设有凹槽，所述第二电极设于所述扩散区位于凹槽外侧的上方。
2.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，其特征在于：所述窗口层的厚度大于2μm。
3.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，其特征在于：所述凹槽底部和所述雪崩区之间的扩散区厚度至少为50nm。
4.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，其特征在于：还包括腐蚀截止层，所述腐蚀截止层插设于所述窗口层之中并位于所述扩散区深度之内，所述凹槽底部位于所述腐蚀截止层顶面。
5.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，其特征在于：所述扩散区通过Zn或Cd扩散形成。
6.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，其特征在于：所述底部外延层包括由所述衬底向上依次设置的缓冲层、吸收层、过渡层和电荷控制层。
7.根据权利要求6所述的雪崩光电二极管，其特征在于：所述衬底包括n-InP，所述缓冲层包括n-InP或u-InP，所述吸收层包括i-InGaAs，所述过渡层包括u-InGaAsP，所述电荷控制层包括n-InP，所述窗口层包括u-InP。
8.根据权利要求7所述的雪崩光电二极管，其特征在于：还包括设于所述窗口层之上的接触层，所述接触层同样形成有扩散区且对应所述凹槽部分挖空，所述第二电极设于所述接触层顶部；所述接触层包括u-InGaAsP。
9.根据权利要求7或8所述的雪崩光电二极管，其特征在于：所述雪崩光电二极管的响应波段范围包括900-1650nm。
10.权利要求1～9任一项所述的雪崩光电二极管的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
1)于衬底上依次形成底部外延层和窗口层；
2)通过扩散工艺形成深入所述窗口层部分深度范围的扩散区，所述窗口层的扩散区下方余下深度范围形成雪崩区；
3)蚀刻所述扩散区中部的部分深度范围形成凹槽；
4)分别于所述衬底的底面形成第一电极，于所述凹槽外侧的扩散区上方形成第二电极。
11.根据权利要求10所述的制作方法，其特征在于：步骤1)中，所述窗口层中还插入有腐蚀截止层；步骤3)中，采用湿法工艺蚀刻所述窗口层至所述腐蚀截止层截止，形成所述凹槽。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200911 |