CN113964237A - 一种具有二次外延集电区和电场保护环的雪崩光电探测器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有二次外延集电区和电场保护环的雪崩光电探测器的制备方法，首先在n型InP衬底上依次生长n型InP缓冲层、In0.53Ga0.47As吸收层、InxGa1‑xAsyP1‑y带宽渐变层、n型InP电荷控制层、本征InP倍增层、本征InxGa1‑xAsyP1‑y腐蚀截至层和本征InP盖层；然后腐蚀本征InP盖层，在被腐蚀区域二次外延p型InP，形成p型InP中央集电区以及p型InP电场保护环；然后淀积SiO2层，并刻蚀掉部分区域的SiO2使得在p型InP电场保护环外围的本征InP盖层区域之上形成一圈环形的SiO2隔离层；之后淀积光学减反膜并在中央集电区上方的光学减反膜上开出一个金属接触窗口；然后构建上电极，上电极通过金属接触窗口与中央集电区接触；最后在InP衬底背面制备背电极。
Description
技术领域
本发明属于光电探测器技术领域，具体涉及一种具有二次外延集电区和电场保护环的雪崩光电探测器的制备方法。
背景技术
雪崩光电探测器的工作原理是利用p-i-n结在较高的反偏电场下，光子入射至i区使电子从价带跃迁到导带，形成电子-空穴对，在强电场的作用下电子-空穴对得到加速，碰撞其他原子，产生额外的电子-空穴对并持续发生。由于较少光子甚至单个光子的入射都能触发雪崩倍增过程，引起宏观上电流的变化，因此雪崩光电探测器具有极高的灵敏度和探测效率，在弱光探测甚至单光子探测领域有非常高的应用前景。相比于传统的硅基光电探测器，基于III-V族化合物半导体的雪崩光电探测器具有更高的灵敏度，并可进行1um及以上波长的近红外弱光三维成像，在生物化学、量子通信、激光雷达等领域具有重要应用。
现有的雪崩光电探测器大都基于吸收层和倍增层分开的结构(SCAM)，其中利用窄带宽的InGaAs(P)材料作为光的吸收层而利用高带宽的InP或InAlAs材料作为倍增层。这种结构可以有效提高探测器的击穿电压、降低隧穿暗电流。但由于吸收层和倍增层之间存在较大的带宽差距，容易造成光生载流子在二者界面处堆积，从而降低了响应速率。另外，现有的雪崩光电探测器的制备方法主要分为两种：(1)台面式：将有源区域腐蚀成圆柱型的台面，将上下电极分别做在台面的顶端和台面下部，实现探测器p、n区域的电学隔离。这种制备方法可以有效降低探测器的寄生电容，从而提高其响应速度，但其工艺流程复杂，特别是台面的侧壁需要特殊的钝化工艺，并容易造成台面侧壁的暗电流增加和台面侧壁的击穿，影响探测器的性能和可靠性；(2)平面扩散式：在特定的区域通过Zn扩散的方式形成P型金属接触层，未扩散的区域为半绝缘或者弱n型型，从而不需要台面刻蚀变可实现探测器p、n区域的电学隔离。由于不需要台面刻蚀，这种制备方法可以在一定程度上降低工艺复杂度，并降低台面刻蚀造成的侧壁漏电流和侧壁击穿的问题。但是，Zn扩散是一项很难精确控制、并且变化度很大的工艺。Zn扩散工艺的不稳定性造成了探测器的不一致性，同时降低了生产中的良率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有二次外延集电区和电场保护环的雪崩光电探测器的制备方法，通过引入多层带宽渐变层，降低了吸收层和倍增层之间的带宽不连续性，减少了光生载流子的堆积，提高了探测器的响应速度。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种具有二次外延集电区和电场保护环的雪崩光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：在n型InP衬底上依次生长n型InP缓冲层、In0.53Ga0.47As吸收层、InxGa1- xAsyP1-y带宽渐变层、n型InP电荷控制层、本征InP倍增层、本征InxGa1-xAsyP1-y腐蚀截至层和本征InP盖层；
步骤二：利用SiO2图形化硬掩模，利用腐蚀的方法，在特定区域腐蚀本征InP盖层，被腐蚀的区域包括一中央区域和环绕该中央区域的一个或多个环形区域，腐蚀停止在InxGa1-xAsyP1-y腐蚀截止层的上表面；
步骤三：利用SiO2硬掩模在步骤二所述的被腐蚀区域二次外延p型InP，从而在步骤二所述中央区域形成p型InP中央集电区，以及在步骤二所述的环形区域形成p型InP电场保护环；二次外延之后，利用腐蚀的方法，腐蚀掉SiO2硬掩模，从而得到平坦的表面形貌，即，使本征InP盖层的顶面、p型InP中央集电区顶面和p型InP电场保护环顶面齐平；
步骤四：在步骤三得到的本征InP盖层、p型InP中央集电区和p型InP电场保护环表面上淀积SiO2层，然后利用光刻胶图形化掩模刻蚀掉部分区域的SiO2，使得在p型InP电场保护环外围的本征InP盖层区域之上形成一圈环形的SiO2隔离层；
步骤五：在本征InP盖层、p型InP中央集电区、p型InP电场保护环和SiO2隔离层的表面上淀积光学减反膜，利用腐蚀的方法在p型InP中央集电区上方的光学减反膜上开出一个金属接触窗口；
步骤六：利用光刻胶形成上电极金属和金属打线板图形，蒸镀金属并进行金属剥离，得到图形化的上电极和金属打线板，上电极通过步骤五中所述的金属接触窗口与p型InP中央集电区接触，并退火形成欧姆接触；金属打线板位于SiO2隔离层的正上方；所述上电极上具有一光学入射窗口，光学入射窗口在p型InP中央集电区的上方；
步骤七：将n型InP衬底背面减薄、抛光后，在其下表面制备背电极，并退火形成欧姆接触。
在上述技术方案中，步骤一中，n型InP缓冲层厚度为0.1-1um。
在上述技术方案中，步骤一中，n型InP电荷控制层厚度为200-500nm。
在上述技术方案中，步骤一中，本征InP倍增层厚度为300-800nm。
在上述技术方案中，步骤一中，In0.53Ga0.47As吸收层的厚度为1-5um。
在上述技术方案中，所述InxGa1-xAsyP1-y带宽渐变层包括N层组分渐变的InxGa1- xAsyP1-y层，N大于等于1，优选为3层，各层的带宽在0.75eV-1.35eV之间，InxGa1-xAsyP1-y带宽渐变层的各层的带宽自下而上依次增大，从In0.53Ga0.47As吸收层的带宽逐步渐变到n型InP电荷控制层的带宽，这样能够有效降低光生载流子在界面处的堆积。
在上述技术方案中，p型InP中央集电区和p型InP电场保护环与本征InP盖层的厚度一致。
在上述技术方案中，所述步骤三中p型InP电场保护环的数目为1至10个，每个p型InP电场保护环的宽度为2至15um，相邻p型InP电场保护环之间的间隔为2至20um。
在上述技术方案中，步骤五中所述金属接触窗口为环形。
在上述技术方案中，所述步骤三中的二次外延采用金属有机化学气相沉积法(MOCVD)或分子束外延法(MBE)。
在上述技术方案中，所述SiO2隔离层厚度500nm至1500nm。
本发明的优点和有益效果为：
1.采用1至5层InxGa1-xAsyP1-y带宽过渡层，实现了In0.53Ga0.47As吸收层和InP电荷控制层之间带宽的平缓过渡，减少了光生载流子的堆积，提高了探测器的响应速度。
2.采用图形化刻蚀本征InP盖层，通过二次外延在被腐蚀区域填充p型InP，形成中央集电区和环绕中央集电区的电场保护环。中央集电区用于和上电极形成欧姆接触，并同时起到窗口层的作用。电场保护环可以有效降低集电区边缘电场强度，降低探测器边缘被击穿的概率、减小边缘的隧穿暗电流。
3.利用选择性二次外延，在被腐蚀区域二次外延填充InP。二次外延生长的材料与被腐蚀掉的材料为同一种材料，属于同质外延，因此二次外延的晶体质量高，降低了界面的缺陷密度。
4.n型InP电荷控制层与本征InP倍增层的厚度、掺杂由第一次外延生长精确控制，因此，不存在扩散式探测器制备方法中Zn扩散工艺的不稳定性造成的探测器的不一致性问题。同时，采用本发明中所述制备方法的探测器为平面结构，不存在台面结构制备方法造成的台面侧壁漏电流和易击穿的问题。
5.在上电极金属打线板与本征InP盖层之间增加了500nm至1500nm厚的SiO2隔离层，有效降低了金属打线板与本征InP盖层之间的电容，提高了探测器的响应速度。
6.上电极与金属打线板同时淀积并图形化，简化了工艺流程并节省了贵金属消耗，降低生产成本。
附图说明
图1是本发明的具有二次外延集电区和电场保护环的雪崩光电探测器的结构示意图；
图2是本发明的具有二次外延集电区和电场保护环的雪崩光电探测器的制备方法流程示意图。
图3为所制备的具有二次外延集电区和电场保护环的雪崩光电探测器的典型IV曲线。
图4为所制备的具有二次外延集电区和电场保护环的雪崩光电探测器的典型CV曲线。
其中：
1：n型InP衬底，
2：n型InP缓冲层，
3：In0.53Ga0.47As吸收层，
4：InxGa1-xAsyP1-y带宽渐变层，
5：n型InP电荷控制层，
6：本征InP倍增层，
7：本征InxGa1-xAsyP1-y腐蚀截止层，
8：本征InP盖层，
9：p型InP中央集电区，
10：p型InP电场保护环，
11：SiO2隔离层，
12：光学减反膜，
13：光学减反膜的金属接触窗口，
14：上电极，14.1：金属打线板，
15：上电极的光学入射窗口，
16：背电极。
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，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例一
参见附图1，本实施例提供了一种具有二次外延集电区和电场保护环的雪崩光电探测器，其包括自下而上依次设置的背电极16、n型InP衬底1、n型InP缓冲层2、In0.53Ga0.47As吸收层3、InxGa1-xAsyP1-y带宽渐变层4、n型InP电荷控制层5、本征InP倍增层6、本征InxGa1- xAsyP1-y腐蚀截止层7和本征InP盖层8。
在本征InP盖层8中具有p型InP中央集电区9和p型InP电场保护环10，所述p型InP电场保护环10环绕在p型InP中央集电区9外围并且二者之间具有间隔；并且，p型InP中央集电区9和p型InP电场保护环10与本征InP盖层8的厚度一致，即，所述p型InP中央集电区9顶面、p型InP电场保护环10顶面与本征InP盖层8顶面相齐平(即处于同一平面)，所述p型InP中央集电区9底面、p型InP电场保护环10底面与本征InP盖层8底面相齐平(即处于同一平面)。
在本征InP盖层8、p型InP中央集电区9、以及p型InP电场保护环10之上镀有带金属接触窗口13的光学减反膜12，所述金属接触窗口13为环形，位于p型InP中央集电区9上方。
在光学减反膜12之上设置有带光学入射窗口15的上电极14，上电极14透过光学减反膜12上的金属接触窗口13与所述p型InP中央集电区9接触，通过退火形成欧姆接触；上电极14上的光学入射窗口15位于p型InP中央集电区9上方的光学减反膜12上方。
在电场保护环10外围的本征InP盖层8区域和光学减反膜12之间形成一圈环形的SiO2隔离层11；所述上电极14和金属打线板14.1一起蒸镀连接；所述金属打线板14.1为圆形，直径为60um，位于SiO2隔离层11之上的光学减反膜12的上表面，通过SiO2隔离层11增加金属打线板14.1与本征InP盖层8之间的距离，从而降低电容，增加探测器的响应速度。
进一步的，在本实施案例中，n型InP缓冲层2厚度为0.5um，其作用是为了更好的匹配n型InP衬底1和In0.53Ga0.47As吸收层3之间因为生长条件不同所造成的晶格常数的差异，确保外延层的生长质量。
进一步的，在本实施案例中，所述In0.53Ga0.47As吸收层3的厚度为2um，背景掺杂浓度小于1×1015/cm3，该层为光生载流子产生层，设计目的为尽可能吸收1.1～1.7um的光子能量。
进一步的，在本实施案例中，所述InxGa1-xAsyP1-y带宽渐变层4共包括三层组分渐变的InxGa1-xAsyP1-y层，各层的带宽自下而上分别为0.95eV、1.03eV和1.13eV；三层带宽渐变层从In0.53Ga0.47As吸收层3的带宽逐步渐变到n型InP电荷控制层5的带宽，能够有效降低光生载流子在界面处的堆积。
进一步的，在本实施案例中，所述n型InP电荷控制层5厚度为300nm，掺杂浓度为6×1016/cm3。该层的厚度和掺杂浓度决定了探测器雪崩效应的起始电压。
进一步的，在本实施案例中，所述本征InP倍增层6厚度为500nm，为非故意掺杂，并且背景掺杂浓度小于1×1015/cm3。
进一步的，在本实施案例中，所述本征InxGa1-xAsyP1-y腐蚀截止层7的厚度为20nm，带宽为1.25eV。
进一步的，在本实施案例中，所述本征InP盖层8的厚度为1um，掺杂浓度小于等于1×1015/cm3。
进一步的，在本实施案例中，所述p型InP中央集电区9为圆形，直径为50um，厚度为1um，采用Zn原位重掺杂，与上电极14形成欧姆接触并起到窗口层的作用。所述环绕中央集电区9的电场保护环10为圆环型，厚度也为1um，宽度为10um(即电场保护环的内径和外径之差为10um)，与中央集电区9的间距为15um，电场保护环10可以有效降低p型InP中央集电区9的边缘电场，从而降低边缘击穿的几率，并减小了隧穿暗电流。
进一步的，在本实施案例中，所述p型InP中央集电区9和电场保护环10是选择性腐蚀本征InP盖层8之后，在被腐蚀区域二次外延生长的p型InP，其厚度为1um；二次外延之后，填充生长的p型InP的厚度和被腐蚀掉的本征InP厚度一致，从而实现平坦的表面。二次外延的材料与被腐蚀掉的材料都是InP，因此属于同质外延，界面缺陷密度低，可以有效减少漏电流。
实施例二
如图2所示，本实施案例介绍上述具有二次外延集电区和电场保护环的雪崩光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：在n型InP衬底1上依次生长n型InP缓冲层2、In0.53Ga0.47As吸收层3、InxGa1-xAsyP1-y带宽渐变层4、n型InP电荷控制层5、本征InP倍增层6、本征InxGa1-xAsyP1-y腐蚀截至层7、本征InP盖层8。
步骤二：利用SiO2图形化硬掩模，利用腐蚀的方法，在特定区域腐蚀本征InP盖层8，被腐蚀的区域包括一中央区域和环绕该中央区域的一个或多个环形区域(本实施例中，是一个环形区域)，腐蚀停止在InxGa1-xAsyP1-y腐蚀截止层7的上表面。
步骤三：利用SiO2硬掩模在步骤二所述的被腐蚀区域二次外延p型InP，在步骤二所述中央区域形成p型InP中央集电区9，在步骤二所述环绕中央区域的环形区域形成环绕中央集电区的p型InP电场保护环10，二次外延之后，利用腐蚀的方法，腐蚀掉SiO2硬掩模，从而实现平坦的表面形貌，即，使本征InP盖层8的顶面、p型InP中央集电区9顶面和p型InP电场保护环10顶面齐平。进一步的说，二次外延可采用金属有机化学气相沉积法(MOCVD)或分子束外延法(MBE)。
步骤四：在步骤三得到的本征InP盖层8、中央集电区9和电场保护环10表面上淀积SiO2层，然后利用光刻胶图形化掩模刻蚀掉部分区域的SiO2，使得在电场保护环10外围的本征InP盖层8区域之上形成一圈环形的SiO2隔离层11，SiO2隔离层11的厚度为1um。
步骤五：在本征InP盖层8、中央集电区9和电场保护环10、SiO2隔离层11的表面上淀积光学减反膜12，利用腐蚀的方法在中央集电区9上方的光学减反膜12上开出一个环形的金属接触窗口13。
步骤六：利用光刻胶形成上电极金属和金属打线板图形，蒸镀金属并进行金属剥离，得到图形化的上电极14和金属打线板14.1。上电极14通过步骤五中所述的金属接触窗口13与p型InP中央集电区9接触，并退火形成欧姆接触；金属打线板14.1位于SiO2隔离层11的正上方；所述上电极14上具有一光学入射窗口15，光学入射窗口15在中央集电区9的上方。
步骤七：将n型InP衬底1背面减薄、抛光后，在其下表面制备背电极16，并退火形成欧姆接触。
参见附图3，为所制备的具有二次外延集电区和电场保护环的雪崩光电探测器的典型IV曲线，图中，a为不同电压值对应的反向光电流值曲线，b为不同电压值对应的反向暗电流值曲线，可以看出，所制备的雪崩光电探测器的暗电流在击穿电压附近仍在1nA以内，远小于台面式雪崩光电探测器的典型暗电流值(>10nA)。
参见附图4，为所制备的具有二次外延集电区和电场保护环的雪崩光电探测器的典型CV曲线，可以看出，所制备的雪崩光电探测器在工作电压下的电容值很小，使其适用于超高速光电探测的使用。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种具有二次外延集电区和电场保护环的雪崩光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在n型InP衬底上依次生长n型InP缓冲层、In0.53Ga0.47As吸收层、InxGa1-xAsyP1-y带宽渐变层、n型InP电荷控制层、本征InP倍增层、本征InxGa1-xAsyP1-y腐蚀截至层和本征InP盖层；
步骤二：利用SiO2图形化硬掩模，利用腐蚀的方法，在特定区域腐蚀本征InP盖层，被腐蚀的区域包括一中央区域和环绕该中央区域的一个或多个环形区域，腐蚀停止在InxGa1- xAsyP1-y腐蚀截止层的上表面；
步骤三：利用SiO2硬掩模在步骤二所述的被腐蚀区域二次外延p型InP，从而在步骤二所述中央区域形成p型InP中央集电区，以及在步骤二所述的环形区域形成p型InP电场保护环；二次外延之后，利用腐蚀的方法，腐蚀掉SiO2硬掩模，从而得到平坦的表面形貌，即，使本征InP盖层的顶面、p型InP中央集电区顶面和p型InP电场保护环顶面齐平；
步骤四：在步骤三得到的本征InP盖层、p型InP中央集电区和p型InP电场保护环表面上淀积SiO2层，然后利用光刻胶图形化掩模刻蚀掉部分区域的SiO2，使得在p型InP电场保护环外围的本征InP盖层区域之上形成一圈环形的SiO2隔离层；
步骤五：在本征InP盖层、p型InP中央集电区、p型InP电场保护环和SiO2隔离层的表面上淀积光学减反膜，利用腐蚀的方法在p型InP中央集电区上方的光学减反膜上开出一个金属接触窗口；
步骤六：利用光刻胶形成上电极金属和金属打线板图形，蒸镀金属并进行金属剥离，得到图形化的上电极和金属打线板，上电极通过步骤五中所述的金属接触窗口与p型InP中央集电区接触，并退火形成欧姆接触；金属打线板位于SiO2隔离层的正上方；所述上电极上具有一光学入射窗口，光学入射窗口在p型InP中央集电区的上方；
步骤七：将n型InP衬底背面减薄、抛光后，在其下表面制备背电极，并退火形成欧姆接触。
2.根据权利要求1所述的具有二次外延集电区和电场保护环的雪崩光电探测器的制备方法，其特征在于：步骤一中，n型InP缓冲层厚度为0.1-1um，n型InP电荷控制层厚度为200-500nm。
3.根据权利要求1所述的具有二次外延集电区和电场保护环的雪崩光电探测器的制备方法，其特征在于：步骤一中，本征InP倍增层厚度为300-800nm。
4.根据权利要求1所述的具有二次外延集电区和电场保护环的雪崩光电探测器的制备方法，其特征在于：步骤一中，In0.53Ga0.47As吸收层的厚度为1-5um。
5.根据权利要求1所述的具有二次外延集电区和电场保护环的雪崩光电探测器的制备方法，其特征在于：所述InxGa1-xAsyP1-y带宽渐变层包括N层组分渐变的InxGa1-xAsyP1-y层，N大于等于1，优选为3层，各层的带宽在0.75eV-1.35eV之间，InxGa1-xAsyP1-y带宽渐变层的各层的带宽自下而上依次增大，从In0.53Ga0.47As吸收层的带宽逐步渐变到n型InP电荷控制层的带宽。
6.根据权利要求1所述的具有二次外延集电区和电场保护环的雪崩光电探测器的制备方法，其特征在于：p型InP中央集电区和p型InP电场保护环与本征InP盖层的厚度一致。
7.根据权利要求1所述的具有二次外延集电区和电场保护环的雪崩光电探测器的制备方法，其特征在于：所述步骤三中p型InP电场保护环的数目为1至10个，每个p型InP电场保护环的宽度为2至15um，相邻p型InP电场保护环之间的间隔为2至20um。
8.根据权利要求1所述的具有二次外延集电区和电场保护环的雪崩光电探测器的制备方法，其特征在于：步骤五中所述金属接触窗口为环形。
9.根据权利要求1所述的具有二次外延集电区和电场保护环的雪崩光电探测器的制备方法，其特征在于：所述步骤三中的二次外延采用金属有机化学气相沉积法或分子束外延法。
10.根据权利要求1所述的具有二次外延集电区和电场保护环的雪崩光电探测器的制备方法，其特征在于：所述SiO2隔离层厚度500nm至1500nm。
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