CN113097349A - 一种利用分子束外延制备雪崩光电二极管的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种利用分子束外延制备雪崩光电二极管的方法，涉及半导体制造技术领域。该方法包括：在InP衬底上依次沉积生长N+‑InP层、N+‑InAlAs层、InAlAs倍增层和P‑InAlAs电荷层；在电荷层上沉积生长InAlGaAs渐变层，在沉积生长渐变层的过程中，铝源炉和镓源炉中的一者采用变温方式提供对应的分子束，另一者采用脉冲方式提供对应的分子束；在渐变层上沉积生长InGaAs吸收层。通过在沉积生长渐变层的过程中，铝源炉和镓源炉中的一者采用变温方式提供对应的分子束，另一者采用脉冲方式提供对应的分子束，能够实现性能满足需要的渐变层，避免了繁琐复杂的四元系材料校准程序，降低了生产成本。

Description

一种利用分子束外延制备雪崩光电二极管的方法
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种利用分子束外延制备雪崩光电二极管的方法。
背景技术
雪崩光电二极管（APD）是光纤通信系统必不可少的探测器件。 APD 器件的不断发展伴随着不同结构、不同材料组成的探测器的研制。
在InP/InAlAs/InGaAs分离吸收倍增雪崩光电二极管中，光子被低带隙InGaAs层吸收产生光生载流子，载流子输运到高带隙InAlAs层发生倍增效应，这种材料组合降低了器件暗电流、增强了击穿性能、提高了响应度。在InP基APD器件结构中载流子是沿着垂直方向输运的，虽然高带隙材料在某些方面改善了器件性能，但是对于垂直输运的载流子也存在一个负面影响，那就是：对于第一类异质结界面，当载流子从低带隙材料层输运到高带隙材料层时，高带隙材料会成为势垒阻碍载流子运动，因此在界面处形成载流子聚集，会严重影响器件的高频响应，降低器件的频带宽度。
为此，在设计APD的器件结构时，可以在高带隙InAlAs层与低带隙InGaAs层之间添加InAlGaAs渐变层来降低高带隙势垒对载流子运动的阻碍。
然而，在APD器件结构中加入InAlGaAs渐变层之后，由于常规分子束外延生长四元系材料需要繁琐的校准程序，这增加了APD器件生长过程的复杂性，并且提高了生产成本。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种利用分子束外延制备雪崩光电二极管的方法，以解决InAlGaAs渐变层的分子束外延生长问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明提供了一种利用分子束外延制备雪崩光电二极管的方法，该雪崩光电二极管的结构自下而上依次包括InP衬底、N+-InP层、N+-InAlAs层、InAlAs倍增层、P-InAlAs电荷层、InAlGaAs渐变层和InGaAs吸收层；
所述方法包括：
在InP衬底上依次沉积生长N+-InP层、N+-InAlAs层、InAlAs倍增层和P-InAlAs电荷层；
在P-InAlAs电荷层上沉积生长InAlGaAs渐变层，使得从靠近P-InAlAs电荷层一侧开始，InAlGaAs渐变层中的Al组分含量逐渐降低，InAlGaAs渐变层中的Ga组分含量逐渐升高，在沉积生长InAlGaAs渐变层的过程中，用于沉积生长InAlGaAs渐变层的铝源炉和镓源炉中的一者采用变温方式提供对应的分子束，用于沉积生长InAlGaAs渐变层的铝源炉和镓源炉中的另一者采用脉冲方式提供对应的分子束，采用变温方式提供对应的分子束表示：设定源炉的温度变化范围，源炉在温度变化的过程中提供对应的分子束；采用脉冲方式提供对应的分子束表示：源炉处于恒定的温度下，并且设定周期，在每一个周期内，打开源炉的挡板持续预定时间段，然后关闭挡板，源炉仅在挡板打开的状态下提供对应的分子束；
在InAlGaAs渐变层上沉积生长InGaAs吸收层。
可选地，沉积生长N+-InAlAs层、InAlAs倍增层和P-InAlAs电荷层的铝源炉的温度为第一温度；
在铝源炉采用变温方式提供对应的分子束的情况下，镓源炉采用脉冲方式提供对应的分子束；铝源炉采用变温方式提供对应的分子束，具体包括：在沉积生长InAlGaAs渐变层之前，设定铝源炉的目标温度为第一目标温度，第一目标温度比第一温度降低ΔTAl，50℃≤ ΔTAl ≤ 70℃，在铝源炉从第一温度逐渐降温到第一目标温度的同时，铝源炉提供用于沉积生长InAlGaAs渐变层的Al分子束；镓源炉采用脉冲方式提供对应的分子束，具体包括：镓源炉的温度稳定处于第二目标温度下，第二目标温度为用于沉积生长InGaAs吸收层时的镓源炉的温度，并且以时间段t为周期，在每个周期内的tGa时间段内，打开镓源炉的挡板，以提供用于沉积生长InAlGaAs渐变层的Ga分子束，并且在每个周期内的剩余的t-tGa时间段内，关闭镓源炉的挡板，以停止提供Ga分子束，其中，0<tGa<t，并且在沉积生长InAlGaAs渐变层的过程中，在任何相邻两个周期中，后一周期中的tGa的值大于前一周期中的tGa的值，并且tGa的值的变化率与ΔTAl的取值相关联；
在镓源炉采用变温方式提供对应的分子束的情况下，铝源炉采用脉冲方式提供对应的分子束；镓源炉采用变温方式提供对应的分子束，具体包括：在沉积生长InAlGaAs渐变层之前，使镓源炉的实际温度为第二温度，设定镓源炉的目标温度为第二目标温度，并且第二目标温度比第二温度升高ΔTGa，40℃≤ ΔTGa ≤ 60℃，在镓源炉从第二温度逐渐升温到第二目标温度的同时，镓源炉提供用于沉积生长InAlGaAs渐变层的Ga分子束；铝源炉采用脉冲方式提供对应的分子束，具体包括：铝源炉的温度稳定处于第一温度下，并且以时间段t为周期，在每个周期内的tAl时间段内，打开铝源炉的挡板，以提供用于沉积生长InAlGaAs渐变层的Al分子束，并且在每个周期内的剩余的t-tAl时间段内，关闭铝源炉的挡板，以停止提供Al分子束，其中，0<tAl<t，并且在沉积生长InAlGaAs渐变层的过程中，在任何相邻两个周期中，后一周期中的tAl的值小于前一周期中的tAl的值，并且tAl的值的变化率与ΔTGa的取值相关联；
t的取值范围为t1≤t≤t2，其中，t1是在沉积生长InAlGaAs渐变层的过程中沉积2个原子层厚度所需要的时间，t2是在沉积生长InAlGaAs渐变层的过程中沉积4个原子层厚度所需要的时间。
可选地，InAlGaAs渐变层的厚度在300埃至800埃的范围内。
可选地，InAlGaAs渐变层的厚度在350埃至450埃的范围内。
可选地，铝源炉采用变温方式提供对应的分子束，并且在沉积生长InAlGaAs渐变层的整个过程中，铝源炉的温度从第一温度线性降温到第一目标温度；镓源炉采用脉冲方式提供对应的分子束，并且在沉积生长InAlGaAs渐变层的整个过程中，打开镓源炉的挡板的时间段tGa线性增大。
可选地，在镓源炉采用脉冲方式提供对应的分子束的第一个周期中，tGa=a*t，a表示在第一个周期中镓源炉的挡板处于打开状态的时间占比，并且在镓源炉采用脉冲方式提供对应的分子束的最后一个周期中，tGa=b*t，b表示在最后一个周期中镓源炉的挡板处于打开状态的时间占比，其中，0.05≤a≤0.2；0.8≤b≤0.95。
可选地，a的值通过下式确定：
Figure 741482DEST_PATH_IMAGE001
，
b的值通过下式确定：
Figure 861885DEST_PATH_IMAGE002
。
可选地，镓源炉采用变温方式提供对应的分子束，并且在沉积生长InAlGaAs渐变层的整个过程中，镓源炉的温度从第二温度线性升温到第二目标温度；铝源炉采用脉冲方式提供对应的分子束，并且在沉积生长InAlGaAs渐变层的整个过程中，打开铝源炉的挡板的时间段tAl线性减小。
可选地，在铝源炉采用脉冲方式提供对应的分子束的第一个周期中，tAl=c*t，c表示在第一个周期中铝源炉的挡板处于打开状态的时间占比，并且在铝源炉采用脉冲方式提供对应的分子束的最后一个周期中，tAl=d*t，d表示在最后一个周期中所述铝源炉的挡板处于打开状态的时间占比，其中，0.8≤c≤0.95；0.05≤d≤0.2。
可选地，c的值通过下式确定：
Figure 205404DEST_PATH_IMAGE003
，
d的值通过下式确定：
Figure 928509DEST_PATH_IMAGE004
。
本发明的有益效果包括：
本发明提供的利用分子束外延制备雪崩光电二极管的方法包括：在InP衬底上依次沉积生长N+-InP层、N+-InAlAs层、InAlAs倍增层和P-InAlAs电荷层；在P-InAlAs电荷层上沉积生长InAlGaAs渐变层，使得从靠近P-InAlAs电荷层一侧开始，InAlGaAs渐变层中的Al组分含量逐渐降低，InAlGaAs渐变层中的Ga组分含量逐渐升高，在沉积生长InAlGaAs渐变层的过程中，用于沉积生长InAlGaAs渐变层的铝源炉和镓源炉中的一者采用变温方式提供对应的分子束，用于沉积生长InAlGaAs渐变层的铝源炉和镓源炉中的另一者采用脉冲方式提供对应的分子束，采用变温方式提供对应的分子束表示：设定源炉的温度变化范围，源炉在温度变化的过程中提供对应的分子束；采用脉冲方式提供对应的分子束表示：源炉处于恒定的温度下，并且设定周期，在每一个周期内，打开源炉的挡板持续预定时间段，然后关闭挡板，源炉仅在挡板打开的状态下提供对应的分子束；在InAlGaAs渐变层上沉积生长InGaAs吸收层。通过在沉积生长InAlGaAs渐变层的过程中，铝源炉和镓源炉中的一者采用变温方式提供对应的分子束，另一者采用脉冲方式提供对应的分子束，能够实现性能满足需要的InAlGaAs渐变层，避免了繁琐复杂的四元系材料校准程序，从而降低了生产成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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发明的一些实施例，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示出了本发明实施例提供的雪崩光电二极管的结构示意图；
图2示出了本发明实施例提供的利用分子束外延制备雪崩光电二极管的方法的流程示意图；
图3示出了本发明实施例提供的脉冲模式下镓源炉的挡板状态随时间变化的示意图；
图4示出了本发明实施例提供的脉冲模式下铝源炉的挡板状态随时间变化的示意图。
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作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。
在InP/InAlAs/InGaAs分离吸收倍增雪崩光电二极管中，对于由InAlAs/InGaAs形成的第一类异质结界面，当载流子从低带隙InGaAs材料层输运到高带隙InAlAs材料层时，高带隙材料会成为势垒阻碍载流子运动，因此在界面处形成载流子聚集，会严重影响器件的高频响应，降低器件的频带宽度。为此，在设计APD的器件结构时，可以在高带隙InAlAs层与低带隙InGaAs层之间添加InAlGaAs渐变层来降低高带隙势垒对载流子运动的阻碍。然而，在APD器件结构中加入InAlGaAs渐变层之后，由于常规分子束外延生长四元系材料需要繁琐的校准程序，这增加了APD器件生长过程的复杂性，并且提高了生产成本。为此，本发明实施例提供了一种利用分子束外延制备雪崩光电二极管的方法，通过该方法能够简化InAlGaAs渐变层的生长校准流程，从而降低生产成本。
图1示出了本发明实施例提供的雪崩光电二极管的结构示意图；图2示出了本发明实施例提供的利用分子束外延制备雪崩光电二极管的方法的流程示意图。
如图1所示，本发明实施例提供的利用分子束外延制备的雪崩光电二极管的结构自下而上依次包括InP衬底101、N+-InP层102、N+-InAlAs层103、InAlAs倍增层104、P-InAlAs电荷层105、InAlGaAs渐变层106和InGaAs吸收层107。
本发明实施例对于形成N+-InP层102和N+-InAlAs层103的具体掺杂剂以及掺杂浓度不做限制，例如，形成N+-InP层102和N+-InAlAs层103的掺杂剂以及掺杂浓度可以采用现有技术中形成N型掺杂的常规掺杂剂以及现有技术中形成相应重掺杂的常规掺杂浓度。InAlAs倍增层104为低掺杂或者本征的InAlAs层，P-InAlAs电荷层105为P型掺杂的InAlAs层，并且InGaAs吸收层107为低掺杂或者本征的InGaAs层。
如图2所示，本发明实施例提供的利用分子束外延制备雪崩光电二极管的方法包括：
步骤201：在InP衬底上依次沉积生长N+-InP层、N+-InAlAs层、InAlAs倍增层和P-InAlAs电荷层。
其中，沉积生长N+-InAlAs层103、InAlAs倍增层104和P-InAlAs电荷层105的铝源炉的温度为第一温度；此处的铝源炉为用于进行分子束外延生长的分子束外延设备中的提供铝分子束的源炉。第一温度的具体取值根据铝源炉中铝材料的剩余量以及期望的铝分子束的束流强度来确定，通常情况下，第一温度可以在1000℃至1150℃的范围内。InAlAs倍增层104的厚度例如可以在90 nm至200 nm的范围内，例如，150 nm。P-InAlAs电荷层105的厚度例如可以在50 nm至150 nm的范围内，例如，100 nm。
步骤202：在P-InAlAs电荷层上沉积生长InAlGaAs渐变层，使得从靠近P-InAlAs电荷层一侧开始，InAlGaAs渐变层中的Al组分含量逐渐降低，InAlGaAs渐变层中的Ga组分含量逐渐升高。
在沉积生长InAlGaAs渐变层106的过程中，用于沉积生长InAlGaAs渐变层106的铝源炉和镓源炉中的一者采用变温方式提供对应的分子束，用于沉积生长InAlGaAs渐变层106的铝源炉和镓源炉中的另一者采用脉冲方式提供对应的分子束。采用变温方式提供对应的分子束表示：设定源炉的温度变化范围，源炉在温度变化的过程中提供对应的分子束；采用脉冲方式提供对应的分子束表示：源炉处于恒定的温度下，并且设定周期，在每一个周期内，打开源炉的挡板持续预定时间段，然后关闭挡板，源炉仅在挡板打开的状态下提供对应的分子束。具体地，在铝源炉采用变温方式提供对应的分子束的情况下，镓源炉采用脉冲方式提供对应的分子束；在镓源炉采用变温方式提供对应的分子束的情况下，铝源炉采用脉冲方式提供对应的分子束。此处的镓源炉为用于进行分子束外延生长的分子束外延设备中的提供镓分子束的源炉。
铝源炉采用变温方式提供对应的分子束，具体包括：在沉积生长InAlGaAs渐变层之前，设定铝源炉的目标温度为第一目标温度，第一目标温度比第一温度降低ΔTAl，50℃≤ΔTAl ≤ 70℃，在铝源炉从第一温度逐渐降温到第一目标温度的同时，铝源炉提供用于沉积生长InAlGaAs渐变层的Al分子束。例如，ΔTAl可以等于60℃，此时，如果第一目标温度为1000℃，第一温度为1060℃。镓源炉采用脉冲方式提供对应的分子束，具体包括：镓源炉的温度稳定处于第二目标温度下，第二目标温度为用于沉积生长InGaAs吸收层时的镓源炉的温度，并且以时间段t为周期，在每个周期内的tGa时间段内，打开镓源炉的挡板，以提供用于沉积生长InAlGaAs渐变层的Ga分子束，并且在每个周期内的剩余的t-tGa时间段内，关闭镓源炉的挡板，以停止提供Ga分子束，其中，0<tGa<t，并且在沉积生长InAlGaAs渐变层的过程中，在任何相邻两个周期中，后一周期中的tGa的值大于前一周期中的tGa的值，并且tGa的值的变化率与ΔTAl的取值相关联。图3示出了本发明实施例提供的脉冲模式下镓源炉的挡板状态随时间变化的示意图，如图3所示，在镓源炉采用脉冲方式提供对应的分子束的情况下，以t为周期，在每个周期t内的前tGa时间段打开挡板，该周期t内的剩余时间内关闭挡板，例如，在时间从零至t的第一个周期内，在时间段301内挡板保持打开以提供镓分子束，然后在第一个周期内的剩余时间段内挡板保持关闭以停止提供镓分子束；在时间从t至2t的第二个周期内，在时间段302内挡板保持打开以提供镓分子束，然后在第二个周期内的剩余时间段内挡板保持关闭以停止提供镓分子束；在时间从2t至3t的第三个周期内，在时间段303内挡板保持打开以提供镓分子束，然后在第三个周期内的剩余时间段内挡板保持关闭以停止提供镓分子束；并且时间段302大于时间段301，时间段303大于时间段302；依次类推。
镓源炉采用变温方式提供对应的分子束，具体包括：在沉积生长InAlGaAs渐变层之前，使镓源炉的实际温度为第二温度，设定镓源炉的目标温度为第二目标温度，并且第二目标温度比第二温度升高ΔTGa，40℃≤ ΔTGa ≤ 60℃，在镓源炉从第二温度逐渐升温到第二目标温度的同时，镓源炉提供用于沉积生长InAlGaAs渐变层的Ga分子束。例如，ΔTGa可以等于50℃，此时，如果第二温度为900℃，第二目标温度为950℃。铝源炉采用脉冲方式提供对应的分子束，具体包括：铝源炉的温度稳定处于第一温度下，并且以时间段t为周期，在每个周期内的tAl时间段内，打开铝源炉的挡板，以提供用于沉积生长InAlGaAs渐变层的Al分子束，并且在每个周期内的剩余的t-tAl时间段内，关闭铝源炉的挡板，以停止提供Al分子束，其中，0<tAl<t，并且在沉积生长InAlGaAs渐变层的过程中，在任何相邻两个周期中，后一周期中的tAl的值小于前一周期中的tAl的值，并且tAl的值的变化率与ΔTGa的取值相关联。
上述ΔTGa和ΔTAl的取值范围均是根据经验确定。如果采用变温方式的源炉的温度变化范围过小，则所形成的渐变层难以实现能带的平滑过渡；如果源炉的温度变化范围过大，由于通常情况下渐变层的生长时间较短，而源炉的升降温需要一定的时间，在渐变层的生长时间内源炉的实际温度变化难以与预设的温度变化保持一致。因此，需要根据经验选择合理的ΔTGa和ΔTAl。
图4示出了本发明实施例提供的脉冲模式下铝源炉的挡板状态随时间变化的示意图，如图4所示，在铝源炉采用脉冲方式提供对应的分子束的情况下，以t为周期，在每个周期t内的前tAl时间段打开挡板，该周期t内的剩余时间内关闭挡板，例如，在时间从零至t的第一个周期内，在时间段401内挡板保持打开以提供铝分子束，然后在第一个周期内的剩余时间段内挡板保持关闭以停止提供铝分子束；在时间从t至2t的第二个周期内，在时间段402内挡板保持打开以提供铝分子束，然后在第二个周期内的剩余时间段内挡板保持关闭以停止提供铝分子束；在时间从2t至3t的第三个周期内，在时间段403内挡板保持打开以提供铝分子束，然后在第三个周期内的剩余时间段内挡板保持关闭以停止提供铝分子束；并且时间段402小于时间段401，时间段403小于时间段402；依次类推。
第二目标温度的具体取值根据镓源炉中镓材料的剩余量以及期望的分子束的束流强度来确定，可选地，第二温度和第二目标温度均在850℃至1000℃的范围内。
t的取值范围为t1≤t≤t2，其中，t1是在沉积生长InAlGaAs渐变层的过程中沉积2个原子层厚度所需要的时间，t2是在沉积生长InAlGaAs渐变层的过程中沉积4个原子层厚度所需要的时间。此处，周期t的取值范围根据经验确定。如果t的取值过小，则导致采用脉冲方式提供分子束的源炉的挡板开关时间过短，分子束外延设备挡板的机械操作难以可靠地实现；如果t的取值过大，在每个周期中，如果挡板的打开时间长，会导致In组分低于预期值，如果挡板的打开时间短，则会导致在挡板关闭的间隙，形成三元化合物，最终生长出由三元化合物和四元化合物构成的超晶格，而并非四元化合物渐变层。因此，为了制备满足需要的四元化合物渐变层，t的取值范围应当为t1≤t≤t2。
在实际应用中，考虑到由于镓源炉和铝源炉中的一者变温而导致对应的分子束流速率变化，因而在沉积生长InAlGaAs渐变层的过程中沉积预定个（例如，2个）原子层厚度所需要的时间会略微变化，因此，可以取在沉积生长InAlGaAs渐变层的过程中沉积预定个原子层厚度所需要的时间的中位数作为在限定t的取值时所述的沉积预定个原子层厚度所需要的时间。也就是说，在沉积生长InAlGaAs渐变层的过程中，由于其中的分子束流速率变化，沉积预定个原子层厚度所需要的最短时间为amin秒，沉积预定个原子层厚度所需要的最长时间为bmax秒，则取（amin+bmax）/2作为在限定t的取值时所述的沉积预定个原子层厚度所需要的时间，可以根据此中位数时间来确定t的取值。
本发明实施例中的目标温度是指在分子束外延设备的控制系统中设定的源炉的期望温度，该目标温度与源炉当前的实际温度可以相同或不同，在设定目标温度后，当控制系统运行时，源炉的实际温度将通过升温或降温（例如，线性地升温或降温）而逐渐接近并达到所设定的目标温度。例如，当目标温度高于实际温度时，在控制系统运行时，源炉的实际温度将通过升温（例如，线性地升温）而逐渐接近并达到所设定的目标温度。例如，可以在源炉的加热电源的功率为预设功率（例如，分子束外延设备对应源炉的常规升温功率）下，使得源炉的实际温度升高。例如，当目标温度低于实际温度时，当控制系统运行时，源炉的实际温度将通过降温（例如，线性地降温）而逐渐接近并达到所设定的目标温度。例如，可以在源炉的加热电源的功率为零下，使得源炉的实际温度下降。例如，当目标温度等于实际温度时，当控制系统运行时，源炉的实际温度将稳定为该目标温度。
步骤203：在InAlGaAs渐变层上沉积生长InGaAs吸收层。
应当理解，本发明实施例中的雪崩光电二极管的结构中除了上述参照图1描述的外延层之外，还可以包括常规雪崩光电二极管结构中必要的其他外延层，例如，在InGaAs吸收层107上还可以再沉积生长例如接触层，从而完成雪崩光电二极管的制备。
在雪崩光电二极管的结构中，InAlGaAs渐变层106位于P-InAlAs电荷层105与InGaAs吸收层107之间，InAlGaAs渐变层106的作用在于通过InAlGaAs渐变层中Al和Ga组分的渐变，实现InAlGaAs渐变层的能带渐变，进而实现雪崩光电二极管结构中能带从高带隙InAlAs层渐变至低带隙InGaAs层，降低了高带隙势垒对载流子运动的阻碍。为了达到上述效果，InAlGaAs渐变层106中靠近P-InAlAs电荷层105一侧的Al含量应当尽量高，Ga含量应当尽量低，从而使得InAlGaAs渐变层106中靠近P-InAlAs电荷层105一侧的能带与高带隙InAlAs层的能带接近；同样，InAlGaAs渐变层106中靠近InGaAs吸收层107一侧的Ga含量应当尽量高，Al含量应当尽量低，从而使得InAlGaAs渐变层106中靠近InGaAs吸收层107一侧的能带与低带隙InGaAs层的能带接近。在外延生长过程中，通过步骤202中所述的方式制备的InAlGaAs渐变层106的能带变化可以满足上述要求。
在分子束外延生长中，为了生长性能良好的外延层，减少外延层中的生长缺陷，外延层的晶格常数需要与衬底的晶格常数匹配。为此，在InP衬底上进行外延层生长时，InGaAs层需要采用In0.53Ga0.47As的组分配比，InAlAs层需要采用In0.52Al0.48As的组分配比。在分子束外延生长过程中，三族元素的分子束流强度与对应的源炉温度正相关，也就是说，源炉温度越高，该源炉提供的分子束流强度越高。对于存在两种或更多种三族元素的化合物外延层，如果其中一种三族元素的源炉温度变化，而其他三族元素的源炉温度不变，则必然导致三族元素之间的组分配比发生变化，进而导致该化合物外延层的晶格常数发生变化。例如，对于In0.53Ga0.47As层的外延生长，如果In源炉温度不变（对应地，In的分子束流强度不变），Ga源炉温度升高（对应地，Ga的分子束流强度升高），则必然导致所生长的InxGa(1-x)As层中In组分x小于0.53，Ga组分（1-x）大于0.47，从而导致InxGa(1-x)As层的晶格常数与衬底InP的晶格常数发生偏离（在x小于0.53的情况下，InxGa(1-x)As层的晶格常数小于InP的晶格常数），从而在进行InxGa(1-x)As层的外延生长过程中，由于应力的积累而在外延层中产生各种缺陷，劣化了InGaAs外延层的质量。同样，对于In0.52Al0.48As层的外延生长，如果In源炉的温度不变，仅改变Al源炉的温度，也会导致InAlAs层的晶格常数与InP衬底的晶格常数偏离，进而在InAlAs层的外延生长过程中产生各种缺陷，劣化了InAlAs外延层的质量。
为了解决上述问题，在本申请中，通过采用变温方式和脉冲方式相结合的方式来生长InAlGaAs渐变层。下面将举例描述其原理：例如，镓源炉采用变温方式提供对应的分子束，铝源炉采用脉冲方式提供对应的分子束，在该情况下，为了实现Ga组分的升高，在镓源炉温度升高的同时，由镓源炉提供Ga分子束。具体地，如前文所述，使镓源炉的实际温度为第二温度，设定镓源炉的目标温度为第二目标温度，并且第二目标温度比第二温度升高ΔTGa，40℃≤ ΔTGa ≤ 60℃，第二目标温度为用于沉积生长InGaAs吸收层时的镓源炉的温度，应当理解，在本申请中，提供In分子束的铟源炉的温度恒定不变，也就是说，In分子束的束流强度不变。另外，本领域技术人员应当理解，InP衬底上的InGaAs吸收层的组分配比为In0.53Ga0.47As。因此，在镓源炉从第二温度升高到第二目标温度的过程中，In束流强度不变，Ga束流强度增大，假设始终不提供Al分子束，则InxGa(1-x)As中的In组分x会从大于0.53的值逐渐降低至0.53，Ga组分（1-x）会从小于0.47的值逐渐升高至0.47，如此情况下，在镓源炉处于第二温度附近时，所生长的外延层晶格常数与InP的晶格常数存在较大失配。通过采用脉冲方式引入Al分子束，形成InAlGaAs层，可以相对降低In组分的含量，引入的Al分子束越多，In组分的降幅越大，通过引入Al分子束，可以实现晶格常数补偿，在镓源炉处于第二温度附近时，InAlGaAs层的晶格常数比InGaAs的晶格常数更接近InP的晶格常数。
如前所述，在铝源炉采用脉冲方式提供对应的分子束的情况下，在沉积生长InAlGaAs渐变层的过程中，在任何相邻两个周期中，后一周期中的tAl的值小于前一周期中的tAl的值，也就是说，随着镓源炉温度的升高，打开挡板以提供Al分子束的脉冲宽度越来越小，换言之，随着Ga分子束流强度升高，Al分子束的等效束流强度越来越小；在Ga分子束流强度升高的过程中，Al分子束对于InxGa(1-x)As晶格常数偏离InP衬底晶格常数的补偿作用随之减小，从而使得整个InAlGaAs渐变层的晶格常数尽可能地接近甚至等于InP的晶格常数，与仅采用变温方式提供分子束相比，本申请所采用的变温方式与脉冲方式相结合的技术方案能够显著改善外延层的质量。
综上所述，通过在沉积生长InAlGaAs渐变层的过程中，铝源炉和镓源炉中的一者采用变温方式提供对应的分子束，另一者采用脉冲方式提供对应的分子束，能够实现性能满足需要的InAlGaAs渐变层，避免了繁琐复杂的四元系材料校准程序，从而降低了生产成本。
可选地，t的取值等于在沉积生长InAlGaAs渐变层的过程中沉积3个原子层厚度所需要的时间。可选地，InAlGaAs渐变层的厚度在300埃至800埃的范围内。可选地，InAlGaAs渐变层的厚度在350埃至450埃的范围内。例如，InAlGaAs渐变层的厚度可以为400埃。
可选地，铝源炉采用变温方式提供对应的分子束，并且在沉积生长InAlGaAs渐变层的整个过程中，铝源炉的温度从第一温度线性降温到第一目标温度；镓源炉采用脉冲方式提供对应的分子束，并且在沉积生长InAlGaAs渐变层的整个过程中，打开镓源炉的挡板的时间段tGa线性增大。可选地，在镓源炉采用脉冲方式提供对应的分子束的第一个周期中，tGa=a*t，a表示在第一个周期中镓源炉的挡板处于打开状态的时间占比，并且在镓源炉采用脉冲方式提供对应的分子束的最后一个周期中，tGa=b*t，b表示在最后一个周期中镓源炉的挡板处于打开状态的时间占比，其中，0.05≤a≤0.2；0.8≤b≤0.95，a和b的取值范围根据经验获得。具体地，例如，在a=0.1的情况下，在镓源炉采用脉冲方式提供对应的分子束的第一个周期中，tGa=0.1*t，也就是说，在第一个周期内的总时间段t中，镓源炉的挡板打开状态持续时间段0.1*t，并且在第一个周期内剩余的时间段0.9*t中，镓源炉的挡板处于关闭状态；此处的b以及下文中所述的c和d均具有与a类似的含义，也就是均表示在指定的对应周期中对应挡板处于打开状态的时间占比。
可选地，a的值通过下式确定：
Figure 70777DEST_PATH_IMAGE001
，
b的值通过下式确定：
Figure 955557DEST_PATH_IMAGE002
。
在铝源炉采用变温方式提供对应的分子束，镓源炉采用脉冲方式提供对应的分子束的情况下，变温方式与脉冲方式在具体实施过程中存在配合关系，也就是如前所述，tGa的值的变化率与ΔTAl的取值相关联。具体地，例如，当ΔTAl等于50℃时，根据上述等式，a=0.2，b=0.8，也就是说在生长渐变层的整个过程中，在以t为周期的第一个周期中镓源炉的挡板处于打开状态的时间段为0.2*t，最后一个周期中镓源炉的挡板处于打开状态的时间段为0.8*t，在打开镓源炉的挡板的时间段tGa线性增大的情况下，在每个周期中，以脉冲方式提供Ga分子束的挡板打开时间从0.2*t至0.8*t线性增大。例如，当ΔTAl等于70℃时，根据上述等式，a=0.05，b=0.95，也就是说在生长渐变层的整个过程中，在以t为周期的第一个周期中镓源炉的挡板处于打开状态的时间段为0.05*t，最后一个周期中镓源炉的挡板处于打开状态的时间段为0.95*t，在打开镓源炉的挡板的时间段tGa线性增大的情况下，在每个周期中，以脉冲方式提供Ga分子束的挡板打开时间从0.05*t至0.95*t线性增大。由上可知，在生长渐变层的总时间不变的情况下，铝源炉的温度变化越大，则对应地镓源炉的脉冲方式挡板打开时间变化率越大；铝源炉的温度变化越小，则对应地镓源炉的脉冲方式挡板打开时间变化率越小。通过镓源炉的脉冲方式挡板打开时间变化率与铝源炉的温度变化正相关，可以实现脉冲方式分子束对变温方式分子束造成的晶格失配的有效补偿，改善了渐变层的晶体质量。对于如下所述的镓源炉采用变温方式提供对应的分子束，铝源炉采用脉冲方式提供对应的分子束的情况，变温方式和脉冲方式存在类似的配合关系。
可选地，镓源炉采用变温方式提供对应的分子束，并且在沉积生长InAlGaAs渐变层的整个过程中，镓源炉的温度从第二温度线性升温到第二目标温度；铝源炉采用脉冲方式提供对应的分子束，并且在沉积生长InAlGaAs渐变层的整个过程中，打开铝源炉的挡板的时间段tAl线性减小。可选地，在铝源炉采用脉冲方式提供对应的分子束的第一个周期中，tAl=c*t，c表示在第一个周期中铝源炉的挡板处于打开状态的时间占比，并且在铝源炉采用脉冲方式提供对应的分子束的最后一个周期中，tAl=d*t，d表示在最后一个周期中铝源炉的挡板处于打开状态的时间占比，其中，0.8≤c≤0.95；0.05≤d≤0.2，c和d的取值范围根据经验获得。
可选地，c的值通过下式确定：
Figure 691432DEST_PATH_IMAGE003
，
d的值通过下式确定：
Figure 719693DEST_PATH_IMAGE004
。
以上所述中，通过限定脉冲方式下第一个周期与最后一个周期中分子束的提供时间长度以及脉冲的变化方式，可以按照预期限定InAlGaAs渐变层中的组分变化，确保渐变层材料质量以及性能达到预期设计要求。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让本领域普通技术人员能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种利用分子束外延制备雪崩光电二极管的方法，其特征在于，所述雪崩光电二极管的结构自下而上依次包括InP衬底、N+-InP层、N+-InAlAs层、InAlAs倍增层、P-InAlAs电荷层、InAlGaAs渐变层和InGaAs吸收层；
所述方法包括：
在所述InP衬底上依次沉积生长所述N+-InP层、N+-InAlAs层、InAlAs倍增层和P-InAlAs电荷层；
在所述P-InAlAs电荷层上沉积生长所述InAlGaAs渐变层，使得从靠近所述P-InAlAs电荷层一侧开始，所述InAlGaAs渐变层中的Al组分含量逐渐降低，所述InAlGaAs渐变层中的Ga组分含量逐渐升高，在沉积生长所述InAlGaAs渐变层的过程中，用于沉积生长所述InAlGaAs渐变层的铝源炉和镓源炉中的一者采用变温方式提供对应的分子束，用于沉积生长所述InAlGaAs渐变层的铝源炉和镓源炉中的另一者采用脉冲方式提供对应的分子束，所述采用变温方式提供对应的分子束表示：设定源炉的温度变化范围，源炉在温度变化的过程中提供对应的分子束；所述采用脉冲方式提供对应的分子束表示：源炉处于恒定的温度下，并且设定周期，在每一个周期内，打开源炉的挡板持续预定时间段，然后关闭挡板，源炉仅在挡板打开的状态下提供对应的分子束；
在所述InAlGaAs渐变层上沉积生长所述InGaAs吸收层。
2.根据权利要求1所述的利用分子束外延制备雪崩光电二极管的方法，其特征在于，沉积生长所述N+-InAlAs层、所述InAlAs倍增层和所述P-InAlAs电荷层的铝源炉的温度为第一温度；
在铝源炉采用变温方式提供对应的分子束的情况下，镓源炉采用脉冲方式提供对应的分子束；铝源炉采用变温方式提供对应的分子束，具体包括：在沉积生长所述InAlGaAs渐变层之前，设定所述铝源炉的目标温度为第一目标温度，所述第一目标温度比所述第一温度降低ΔTAl，50℃≤ ΔTAl ≤ 70℃，在所述铝源炉从所述第一温度逐渐降温到所述第一目标温度的同时，所述铝源炉提供用于沉积生长所述InAlGaAs渐变层的Al分子束；镓源炉采用脉冲方式提供对应的分子束，具体包括：镓源炉的温度稳定处于第二目标温度下，所述第二目标温度为用于沉积生长所述InGaAs吸收层时的镓源炉的温度，并且以时间段t为周期，在每个周期内的tGa时间段内，打开所述镓源炉的挡板，以提供用于沉积生长所述InAlGaAs渐变层的Ga分子束，并且在每个周期内的剩余的t-tGa时间段内，关闭所述镓源炉的挡板，以停止提供Ga分子束，其中，0<tGa<t，并且在沉积生长所述InAlGaAs渐变层的过程中，在任何相邻两个周期中，后一周期中的tGa的值大于前一周期中的tGa的值，并且tGa的值的变化率与ΔTAl的取值相关联；
在镓源炉采用变温方式提供对应的分子束的情况下，铝源炉采用脉冲方式提供对应的分子束；镓源炉采用变温方式提供对应的分子束，具体包括：在沉积生长所述InAlGaAs渐变层之前，使所述镓源炉的实际温度为第二温度，设定所述镓源炉的目标温度为所述第二目标温度，并且所述第二目标温度比所述第二温度升高ΔTGa，40℃≤ ΔTGa ≤ 60℃，在所述镓源炉从所述第二温度逐渐升温到所述第二目标温度的同时，所述镓源炉提供用于沉积生长所述InAlGaAs渐变层的Ga分子束；铝源炉采用脉冲方式提供对应的分子束，具体包括：铝源炉的温度稳定处于所述第一温度下，并且以时间段t为周期，在每个周期内的tAl时间段内，打开所述铝源炉的挡板，以提供用于沉积生长所述InAlGaAs渐变层的Al分子束，并且在每个周期内的剩余的t-tAl时间段内，关闭所述铝源炉的挡板，以停止提供Al分子束，其中，0<tAl<t，并且在沉积生长所述InAlGaAs渐变层的过程中，在任何相邻两个周期中，后一周期中的tAl的值小于前一周期中的tAl的值，并且tAl的值的变化率与ΔTGa的取值相关联；
t的取值范围为t1≤t≤t2，其中，t1是在沉积生长所述InAlGaAs渐变层的过程中沉积2个原子层厚度所需要的时间，t2是在沉积生长所述InAlGaAs渐变层的过程中沉积4个原子层厚度所需要的时间。
3.根据权利要求1所述的利用分子束外延制备雪崩光电二极管的方法，其特征在于，所述InAlGaAs渐变层的厚度在300埃至800埃的范围内。
4.根据权利要求3所述的利用分子束外延制备雪崩光电二极管的方法，其特征在于，所述InAlGaAs渐变层的厚度在350埃至450埃的范围内。
5.根据权利要求2所述的利用分子束外延制备雪崩光电二极管的方法，其特征在于，所述铝源炉采用变温方式提供对应的分子束，并且在沉积生长所述InAlGaAs渐变层的整个过程中，所述铝源炉的温度从所述第一温度线性降温到所述第一目标温度；所述镓源炉采用脉冲方式提供对应的分子束，并且在沉积生长所述InAlGaAs渐变层的整个过程中，打开所述镓源炉的挡板的时间段tGa线性增大。
6.根据权利要求5所述的利用分子束外延制备雪崩光电二极管的方法，其特征在于，在所述镓源炉采用脉冲方式提供对应的分子束的第一个周期中，tGa=a*t，a表示在第一个周期中所述镓源炉的挡板处于打开状态的时间占比，并且在所述镓源炉采用脉冲方式提供对应的分子束的最后一个周期中，tGa=b*t，b表示在最后一个周期中所述镓源炉的挡板处于打开状态的时间占比，其中，0.05≤a≤0.2；0.8≤b≤0.95。
7.根据权利要求6所述的利用分子束外延制备雪崩光电二极管的方法，其特征在于，a的值通过下式确定：
Figure 840440DEST_PATH_IMAGE001
，
b的值通过下式确定：
Figure 826851DEST_PATH_IMAGE002
。
8.根据权利要求2所述的利用分子束外延制备雪崩光电二极管的方法，其特征在于，所述镓源炉采用变温方式提供对应的分子束，并且在沉积生长所述InAlGaAs渐变层的整个过程中，所述镓源炉的温度从所述第二温度线性升温到所述第二目标温度；所述铝源炉采用脉冲方式提供对应的分子束，并且在沉积生长所述InAlGaAs渐变层的整个过程中，打开所述铝源炉的挡板的时间段tAl线性减小。
9.据权利要求8所述的利用分子束外延制备雪崩光电二极管的方法，其特征在于，在所述铝源炉采用脉冲方式提供对应的分子束的第一个周期中，tAl=c*t，c表示在第一个周期中所述铝源炉的挡板处于打开状态的时间占比，并且在所述铝源炉采用脉冲方式提供对应的分子束的最后一个周期中，tAl=d*t，d表示在最后一个周期中所述铝源炉的挡板处于打开状态的时间占比，其中，0.8≤c≤0.95；0.05≤d≤0.2。
10.根据权利要求9所述的利用分子束外延制备雪崩光电二极管的方法，其特征在于，c的值通过下式确定：
Figure 54570DEST_PATH_IMAGE003
，
d的值通过下式确定：
Figure 184462DEST_PATH_IMAGE004
。
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Slifkin et al. Annealing effects on photoconductivity spectra of CuInSe2 single crystals

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