CN113644165B - 一种低暗电流高灵敏度光电探测器结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种低暗电流高灵敏度光电探测器结构，包括外延片，该外延片包括InP衬底，所述InP衬底的上方由下往上依次沉积有缓冲层、下欧姆接触层、过渡层、吸收层和窗口层，所述窗口层的上方设置有上欧姆接触层和绝缘层；所述上欧姆接触层和所述绝缘层位于同一层，所述绝缘层分为两个部分且分别位于所述上欧姆接触层的两侧。本发明采用MOCVD选区外延工艺，制备出自带隔离槽和低侧面漏电结构的探测器外延片，减少复杂高精度的光刻套刻和刻蚀工艺，制程简化，良率高，成本低。
Description
技术领域
本发明属于光电探测器开发技术领域，具体涉及一种低暗电流高灵敏度光电探测器结构及其制造方法。
背景技术
光电探测器是光通信系统中关键的光接收器件，被广泛应用于光通信系统、成像系统和军事领域中，是各个国家抢占的科技制高点。光电探测器通常可分为光电二极管（PD）和雪崩光电二极管（APD）两种类型，不论哪一类型的光电探测器，暗电流都是核心基础的关键参数。
光电探测器的暗电流，按照与器件尺寸的关系可以分为：与周长相关的线暗电流和与面积相关的面暗电流，以及与尺寸无关的暗电流补偿。线暗电流主要由侧壁漏电流决定，面暗电流则由器件内部的扩散电流、热激发电流、产生—复合电流等因素决定。随着集成度的提高，光电探测器的尺寸在不断缩小，线暗电流在总暗电流的占比也在不断提高。实验数据表明，当器件总面积小于1 mm2时，其线暗电流是面暗电流的25倍以上。
线暗电流主要来源有侧壁漏电、介质膜漏电、划片漏电等，其中以侧壁漏电占主要部分。通常探测器的窗口层选用宽带隙材料，欧姆接触层采用窄带隙材料，这两种材料间材存在较大原子组分差。以InP基InGaAs探测器为例，窗口层和欧姆接触层材料通常采用InP和InGaAs，使得在材料结构外延生长时，容易在InP/InGaAs处因As/P置换产生界面缺陷。在探测器芯片工艺中，需要将表面欧姆接触层进行选区刻蚀，做成一定的图形，减小器件的侧向漏电。InP/InGaAs处的界面缺陷，会转变成InGaAsP/绝缘层界面缺陷，这里的InGaAsP是由As/P置换产生的，在界面上将生成新的侧向漏电通道。
传统上，降低侧向暗电流的方式主要有两种，一种是局部隔离槽工艺，它通过刻蚀或者氧化工艺，在探测器吸收区周边形成一圈隔离槽，阻碍侧壁漏电，但是在尺寸日益缩小的集成电路工艺中，对芯片工艺的光刻套刻精度，刻蚀精度的要求越来越高，这种隔离槽工艺的制作难度和成本显著上升。另一种是APD器件中常用的保护环工艺，在吸收区周边环状空间，通过注入离子调节电场，从而降低侧向漏电，该工艺同样存在工艺复杂和成本高昂的问题，而且在APD器件中的使用，还存在对光电流的影响。
综上所述，如何设计出一种新型的光电探测器制作工艺，从结构和制程上减小器件的暗电流，同时尽可能地降低与电场相关的线暗电流，保障器件的高灵敏度和可靠性，就成为了本领域内的工作人员亟待解决的问题。因此，我们设计了一种低暗电流高灵敏度光电探测器结构及其制造方法。
应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本发明的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本发明的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
发明内容
为克服上述现有技术中的不足，本发明目的在于提供一种低暗电流高灵敏度光电探测器结构及其制造方法。
本发明提供了一种低暗电流高灵敏度光电探测器结构，包括外延片，该外延片包括InP衬底01，所述InP衬底01的上方由下往上依次沉积有缓冲层02、下欧姆接触层03、过渡层04、吸收层05和窗口层06，所述窗口层06的上方设置有上欧姆接触层08和绝缘层08；所述上欧姆接触层08和所述绝缘层07位于同一层，所述绝缘层07分为两个部分且分别位于所述上欧姆接触层08的两侧。
优选的技术方案为：所述绝缘层07的厚度大于所述上欧姆接触层08的厚度。
优选的技术方案为：所述绝缘层07的两个部分结构相同。
本发明还提供了一种低暗电流高灵敏度光电探测器结构的制造方法，其包括如下步骤：
步骤一：以InP作为生长衬底，放入到MOCVD系统中生长，在InP衬底01上依次生长缓冲层02、下欧姆接触层03、过渡层04、吸收层05和窗口层06，进行一次外延，获得第一外延结构；
步骤二：一次外延完成后，利用镀膜、光刻、刻蚀工艺，在晶圆上形成绝缘层07；
步骤三：将晶圆再放入MOCVD系统进行二次外延生长上欧姆接触层08；
步骤四：最后从MOCVD系统中取出晶圆，进行镀膜、减薄工艺，获得探测器芯片。
优选的技术方案为：步骤一中，所述MOCVD系统的反应室设置压力为50mbar，生长温度为670℃，以H2为载气，以三甲基铟、三甲基镓、三甲基铝、二乙基锌、硅烷、砷烷和磷烷为反应源气体，进行一次外延，依次生长出N-InP缓冲层02、N-InP下欧姆接触层03、波长为1050～1450nm的InGaAsP过渡层04、非掺杂的本征InGaAs吸收层05和InP窗口层06。
优选的技术方案为：步骤二中，所述绝缘层07的材料为SiOX或SiNX。
优选的技术方案为：步骤三中，二次外延生长P-InGaAs上欧姆接触层08，并进行Zn扩散，对InP进行P型掺杂。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有的优点是：
1、本发明光电探测器的欧姆接触采用选区外延工艺，无需做欧姆接触层刻蚀工艺，绝缘层下的窗口层不会因生长欧姆接触层而产生新的界面漏电通道，减小了侧向漏电，减少复杂的套刻和刻蚀工艺，工艺简单，良率高，成本低。
2、在选区图形绝缘层上二次外延生长出的材料，欧姆接触层的侧壁平整度可达到原子级，显著降低器件暗电流，提高器件灵敏度，具有更高的可靠性。
3、二次外延欧姆接触层后，进行Zn扩散，对窗口层做P型掺杂，进一步提高欧姆接触层掺杂。
4、本光电探测器的本征吸收层和P型重掺杂层可以在不同的MOCVD机台中进行，有利于生长出本底浓度低的吸收层材料，以及掺杂浓度高的欧姆接触层材料。
附图说明
图1为一次外延后结构示意图。
图2为二次外延后结构示意图。
图3为本发明外延结构示意图。
以上附图中，衬底01，缓冲层02，下欧姆接触层03，过渡层04，吸收层05，窗口层06，绝缘层07，上欧姆接触层08。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图1~图3。须知，在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例：如图3所示，一种低暗电流高灵敏度光电探测器结构，包括外延片，该外延片包括InP衬底01，InP衬底01的上方由下往上依次沉积有缓冲层02、下欧姆接触层03、过渡层04、吸收层05和窗口层06，窗口层06的上方设置有上欧姆接触层08和绝缘层08；上欧姆接触层08和绝缘层07位于同一层，绝缘层07分为两个部分且分别位于上欧姆接触层08的两侧。绝缘层07的厚度大于上欧姆接触层08的厚度。绝缘层07的两个部分结构相同。
其制造方法包括如下步骤：
步骤一：以InP作为生长衬底，放入到MOCVD系统中生长，MOCVD系统的反应室设置压力为50mbar，生长温度为670℃，以H2为载气，以三甲基铟TMIn、三甲基镓TMGa、三甲基铝TMAl、二乙基锌DeZn、硅烷SiH4、砷烷AsH3和磷烷PH3等为反应源气体，进行一次外延，依次生长出N-InP缓冲层02、N-InP下欧姆接触层03、波长为1050～1450nm的InGaAsP过渡层04、非掺杂的本征InGaAs吸收层05、InP窗口层06，如图1所示。
步骤二：一次外延完成后，利用镀膜、光刻、刻蚀工艺，在晶圆上形成选区图形绝缘层07，如图2所示，绝缘层07的材料为SiOX或SiNX。
步骤三：将晶圆再放入MOCVD系统进行二次外延生长P-InGaAs上欧姆接触层08，并进行Zn扩散，对InP进行P型掺杂，以及进一步提高欧姆接触层掺杂浓度，如图3所示。
步骤四：最后从MOCVD系统中取出晶圆，进行镀膜、减薄等探测器芯片工艺，形成探测器芯片。
本发明提出的制造方法，可以直接在窗口层上蒸镀绝缘层，以选区二次外延的方式生长欧姆接触层，无需做欧姆接触层刻蚀，绝缘层下的窗口层不会因生长欧姆接触层而产生新的界面漏电通道，减小了侧向漏电，降低了工艺的复杂度，有利于提高器件性能和稳定性；采用MOCVD选区外延工艺，制备出自带隔离槽和低侧面漏电结构的探测器外延片，减少复杂高精度的光刻套刻和刻蚀工艺，制程简化，良率高，成本低。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (7)
1.一种低暗电流高灵敏度光电探测器结构，其特征在于：包括外延片，该外延片包括InP衬底（01），所述InP衬底（01）的上方由下往上依次沉积有缓冲层（02）、下欧姆接触层（03）、过渡层（04）、吸收层（05）和窗口层（06），所述窗口层（06）的上方设置有上欧姆接触层（08）和绝缘层（07）；所述上欧姆接触层（08）和所述绝缘层（07）位于同一层，所述绝缘层（07）分为两个部分且分别位于所述上欧姆接触层（08）的两侧。
2.根据权利要求1所述的一种低暗电流高灵敏度光电探测器结构，其特征在于：所述绝缘层（07）的厚度大于所述上欧姆接触层（08）的厚度。
3.根据权利要求2所述的一种低暗电流高灵敏度光电探测器结构，其特征在于：所述绝缘层（07）的两个部分结构相同。
4.根据权利要求3所述的一种低暗电流高灵敏度光电探测器结构的制造方法，其特征在于：其包括如下步骤：
步骤一：以InP作为生长衬底，放入到MOCVD系统中生长，在InP衬底（01）上依次生长缓冲层（02）、下欧姆接触层（03）、过渡层（04）、吸收层（05）和窗口层（06），进行一次外延，获得第一外延结构；
步骤二：一次外延完成后，利用镀膜、光刻、刻蚀工艺，在晶圆上形成绝缘层（07）；
步骤三：将晶圆再放入MOCVD系统进行二次外延生长上欧姆接触层（08）；
步骤四：最后从MOCVD系统中取出晶圆，进行镀膜、减薄工艺，获得探测器芯片。
5.根据权利要求4所述的一种低暗电流高灵敏度光电探测器结构的制造方法，其特征在于：步骤一中，所述MOCVD系统的反应室设置压力为50mbar，生长温度为670℃，以H2为载气，以三甲基铟、三甲基镓、三甲基铝、二乙基锌、硅烷、砷烷和磷烷为反应源气体，进行一次外延，依次生长出N-InP缓冲层（02）、N-InP下欧姆接触层（03）、波长为1050～1450nm的InGaAsP过渡层（04）、非掺杂的本征InGaAs吸收层（05）和InP窗口层（06）。
6.根据权利要求5所述的一种低暗电流高灵敏度光电探测器结构的制造方法，其特征在于：步骤二中，所述绝缘层（07）的材料为SiOX或SiNX。
7.根据权利要求6所述的一种低暗电流高灵敏度光电探测器结构的制造方法，其特征在于：步骤三中，二次外延生长P-InGaAs上欧姆接触层（08），并进行Zn扩散，对InP进行P型掺杂。
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