CN115207142B - 光电探测器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光电探测器及其制备方法，通过在半导体外延结构的扩散区中先刻蚀形成图形化的沟槽，并在沟槽中选择性生长顶面为凹曲面的曲率型填充扩散层后，结合1次选择性扩散工艺，形成扩散层，避免进行2次或多次选择性扩散的工艺制程，简化工艺流程；在沟槽基础上进行选择性生长后再扩散，可结合刻蚀和选择性生长工艺同时控制扩散层曲率，无需刻蚀较深的台阶，使得沟槽刻蚀更易控制，且可使得扩散层曲率控制更精确，可对扩散层实现纳米级控制精度，获得较平滑的曲率线，以有效抑制边缘击穿；该方法可解决扩散深度不均匀以及扩散工艺控制困难的问题，可满足高性能光电探测器对低暗电流性能、高良率以及低成本的发展需求。

Description

光电探测器及其制备方法
技术领域
本发明属于光电探测器领域，涉及一种光电探测器及其制备方法。
背景技术
光电探测器可在光通信系统中实现将光转变成电的作用，这主要是基于半导体材料的光生伏特效应，所谓的光生伏特效应是指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。
光电探测器的结构包括台面型光电探测器及平面型光电探测器，其中，台面型光电探测器由于其器件内部与表面电场是均匀分布的，因此在刻蚀台面后，引入的悬挂键、表面态容易在表面高电场的作用下，形成泄露电流路径，造成光电探测器高暗电流及低可靠性的问题。
平面型光电探测器，如平面型InP基探测器的制备，通常采用锌(Zn)扩散工艺，以形成P型掺杂，其中，掺杂元素的掺杂浓度与扩散深度相关，通过控制Zn扩散分布曲线，可以使得平面型光电探测器形成内部高电场、表面低电场的分布，从而可实现光电探测器的低暗电流及高可靠性，但目前高性能的平面型InP基光电探测器，如雪崩击穿二极管、单光子探测器等，在进行制备时，通常都需要进行2次或更多次的选择性Zn扩散工艺，并且因为Zn在InP材料体系中的扩散速率较快，从而难以实现对扩散深度和扩散浓度的控制精确。
因此，提供一种光电探测器及其制备方法，实属必要。
发明内容
鉴于以上所述现有技术现状，本发明的目的在于提供一种光电探测器及其制备方法，用于解决现有技术中在制备光电探测器时所遇到的工艺难以控制的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种光电探测器的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
提供半导体外延结构，所述半导体外延结构包括位于顶层的扩散区；
于所述扩散区的表面形成图形化的掩膜，采用选择性刻蚀工艺，图形化所述扩散区，于所述扩散区中形成沟槽；
于所述扩散区的表面形成图形化的掩蔽层，采用选择性生长工艺，于所述沟槽中形成顶面为凹曲面的曲率型填充扩散区；
通过选择性扩散工艺，沿所述凹曲面边缘，将P型掺杂剂扩散至所述扩散区中，于所述曲率型填充扩散区中形成沿所述凹曲面边缘分布的P型扩散层。
可选地，形成的所述沟槽呈矩形、梯形或漏斗状，且所述沟槽的开口宽度大于或等于所述沟槽的底部宽度。
可选地，所述沟槽的侧壁呈台阶状，且台阶数目N≥1；所述沟槽的侧壁与水平面的夹角范围为10°-90°。
可选地，生长工艺包括采用MOCVD设备进行的生长工艺；扩散工艺包括采用MOCVD设备或扩散炉进行的扩散工艺。
可选地，所述曲率型填充扩散区包括InP层或InGaAs层中的一种或由两种构成的叠层。
可选地，所述半导体外延结构包括自下而上依次堆叠的衬底、缓冲层、吸收层、过渡层、电荷控制层及扩散区。
本发明还提供一种光电探测器，所述光电探测器包括：
半导体外延结构，所述半导体外延结构包括扩散区，所述扩散区中具有沟槽，且所述沟槽中具有顶面为凹曲面的曲率型填充扩散区；
P型扩散层，所述P型扩散层位于所述曲率型填充扩散区中，且沿所述凹曲面边缘分布。
可选地，所述沟槽呈矩形、梯形或漏斗状，且所述沟槽的开口宽度大于或等于所述沟槽的底部宽度；所述沟槽的侧壁呈台阶状，且台阶数目N≥1；所述沟槽的侧壁与水平面的夹角范围为10°-90°。
可选地，所述曲率型填充扩散区包括InP层或InGaAs层中的一种或由两种构成的叠层。
可选地，所述光电探测器包括雪崩光电二极管或单光子探测器；所述光电探测器包括正面进光结构或背面进光结构。
如上所述，本发明的光电探测器及其制备方法，通过在半导体外延结构的扩散区中先刻蚀形成图形化的沟槽，并在沟槽中选择性生长顶面为凹曲面的曲率型填充扩散层后，结合1次选择性扩散工艺，形成扩散层，避免进行2次或多次选择性扩散的工艺制程，简化工艺流程；在沟槽基础上进行选择性生长后再扩散，可结合刻蚀和选择性生长工艺同时控制扩散层曲率，无需刻蚀较深的台阶，使得沟槽刻蚀更易控制，且可使得扩散层曲率控制更精确，可对扩散层实现纳米级控制精度，获得较平滑的曲率线，以有效抑制边缘击穿；该方法可解决扩散深度不均匀以及扩散工艺控制困难的问题，可满足高性能光电探测器对低暗电流性能、高良率以及低成本的发展需求。
附图说明
图1显示为本发明实施例中光电探测器的制备方法的工艺流程示意图。
图2显示为本发明实施例中形成沟槽后的结构示意图。
图3显示为本发明实施例中形成曲率型填充扩散区后的结构示意图。
图4显示为本发明实施例中光电探测器的结构示意图。
元件标号说明
101-衬底；102-缓冲层；103-吸收层；104-过渡层；105-电荷控制层；106-扩散区；1061-沟槽；107-曲率型填充扩散区；108-P型扩散层。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员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与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。本文使用的“介于……之间”表示包括两端点值。
在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，本实施例提供一种光电探测器的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
S1：提供半导体外延结构，所述半导体外延结构包括位于顶层的扩散区；
S2：于所述扩散区的表面形成图形化的掩膜，采用选择性刻蚀工艺，图形化所述扩散区，于所述扩散区中形成沟槽；
S3：于所述扩散区的表面形成图形化的掩蔽层，采用选择性生长工艺，于所述沟槽中形成顶面为凹曲面的曲率型填充扩散区；
S4：通过选择性扩散工艺，沿所述凹曲面边缘，将P型掺杂剂扩散至所述扩散区中，于所述扩散区中形成沿所述凹曲面边缘分布的P型扩散层。
本实施例中，通过在所述半导体外延结构的所述扩散区中先刻蚀形成图形化的所述沟槽，而后在所述沟槽中选择性生长顶面为凹曲面的所述曲率型填充扩散层后，通过1次扩散工艺，即可形成沿所述凹曲面边缘分布的所述P型扩散层，可避免进行2次或多次选择性扩散的工艺制程，且通过精确控制所述沟槽刻蚀及所述选择性生长工艺，即可实现对所述P型扩散层曲率及深度的精确控制，可实现纳米级控制精度，获得较平滑的曲率线，以有效抑制边缘击穿，从而可解决因多次外延所造成的扩散深度不均匀以及扩散工艺控制困难的问题，满足高性能光电探测器对低暗电流性能、高良率以及低成本的发展需求。
具体的，参阅图4，显示为本实施例中采用所述制备方法所形成的光电探测器的结构示意图，其中，所述光电探测器包括半导体外延结构，所述半导体外延结构包括位于顶层的扩散区106，所述扩散区106中具有沟槽1061，且所述沟槽1061中具有顶面为凹曲面的曲率型填充扩散区107，P型扩散层108位于所述曲率型填充扩散区107中，且所述P型扩散层108沿所述凹曲面边缘分布。
关于所述光电探测器的制备，具体可包括以下步骤：
首先，执行步骤S1，提供所述半导体外延结构，所述半导体外延结构包括位于顶层的所述扩散区106。
作为示例，本实施例中，优选所述半导体外延结构包括自下而上依次堆叠的衬底101、缓冲层102、吸收层103、过渡层104、电荷控制层105及扩散区106，但所述半导体外延结构的设置并非局限于此，具体设置可根据需要进行选择，此处不作过分限制。其中，所述衬底101可选用如n+InP衬底或半绝缘InP衬底；所述缓冲层102可选用如n+型InP缓冲层或InGaAsP缓冲层；所述吸收层103可选用如本征InGaAs吸收层或InGaAsP吸收层；所述过渡层104可选用如n型InGaAsP过渡层，所述电荷控制层105可选用如n型InP电荷控制层；所述扩散区106可选用如n-或本征InGaAs(P)扩散区或InP扩散区。关于所述半导体外延结构的具体结构、各层材质及厚度等的选择，可根据具体需要进行选择，此处不作过分限制。
接着，执行步骤S2，于所述扩散区106的表面形成图形化的掩膜(未图示)，采用选择性刻蚀工艺，图形化所述扩散区106，于所述扩散区106中形成所述沟槽1061。
具体的，所述掩膜可包括光刻胶层或介质膜层，可先图形化所述光刻胶层或介质膜层，获得所需求的图形化的光刻胶层或介质膜层，而后可通过图形化的所述光刻胶层或介质膜层作为刻蚀掩膜，以对所述扩散区106进行选择性的干法或湿法刻蚀，从而在所述扩散区106中形成所述沟槽1061。其中，所述选择性刻蚀工艺可以是在单层需扩散的半导体材料中精确控制，也可通过引入刻蚀阻挡层等进行深度上的精确控制。关于所述掩膜的具体材料、厚度及图形化的工艺等，此处不作过分限制，可根据具体需求进行选择。
作为示例，形成的所述沟槽1061呈矩形、梯形或漏斗状，且所述沟槽1061的开口宽度大于或等于所述沟槽1061的底部宽度。
进一步的，所述沟槽1061的侧壁可呈台阶状，且台阶数目N≥1；所述沟槽1061的侧壁与水平面的夹角范围可为10°-90°。
具体的，如图2，本实施例中，形成的所述沟槽1061呈台阶状，且所述台阶数目N为2，但所述台阶数目N的取值并非局限与此，如所述台阶数目N根据需求也可取N为1、3、5等值，且根据N的取值，可通过分步刻蚀的方式实现，具体操作此处不作过分限制。
其中，所述沟槽1061的侧壁与水平面的夹角范围可为如10°、30°、45°、60°、90°等，如形成的所述沟槽1061的侧壁与水平面可为直角、倾斜角或者其他窗口形状，具体可根据需要进行选择，此处不作过分限制。
接着，如图3，执行步骤S3，于所述扩散区106的表面形成图形化的掩蔽层(未图示)，采用选择性生长工艺，于所述沟槽1061中形成顶面为凹曲面的所述曲率型填充扩散区107。
具体的，所述掩蔽层可包括氧化硅层或氮化硅层等，生长工艺可通过采用MOCVD设备进行，其中，结合选择性生长在所述掩蔽层边缘厚于中心层的原理，可在所述沟槽1061中形成顶面为凹曲面的所述曲率型填充扩散区107，从而可进一步对后续形成的所述P型扩散层108的深度及曲率进行精确控制，可实现纳米级控制精度，从而相比主要通过控制刻蚀深度影响曲率，且刻蚀控制难度较大的刻蚀沟槽后直接扩散的工艺方法，在形成所述沟槽1061的基础上再进行选择性生长所述曲率型填充扩散区107而后再扩散，可使得刻蚀深度和选择性生长同时影响所述P型扩散层108的曲率及深度，不用刻蚀较深的台阶，沟槽刻蚀更易控制，曲率及深度控制更精确，可以获得更平滑的曲率线，可以更有效的抑制边缘提前击穿的问题。
作为示例，所述曲率型填充扩散区107包括InP层或InGaAs层中的一种或由两种构成的叠层。
具体的，所述曲率型填充扩散区107的材质可与所述扩散区106具有相同材质，或具有不同材质，具体可根据需要进行选择，本实施例中，所述曲率型填充扩散区107采用与所述扩散区106相同的InP材质，且后续形成的所述P型扩散层108延伸至所述扩散区106中，如图4，但并非局限于此，在进行选择性扩散工艺中，当所述曲率型填充扩散区107的材质与所述扩散区10的材质不同时，所述P型扩散层108也可仅位于所述曲率型填充扩散区107中，形成的所述P型扩散层108的深度具体可根据需要进行控制，此处不作过分限制。
接着，执行步骤S4，通过选择性扩散工艺，沿所述凹曲面边缘，将P型掺杂剂扩散至所述曲率型填充扩散区107中，于所述曲率型填充扩散区107中形成沿所述凹曲面边缘分布的P型扩散层108。
作为示例，所述P型掺杂剂可包括Zn掺杂剂，扩散工艺可包括采用MOCVD设备或扩散炉进行的扩散工艺，但并非局限于此，如所述P型掺杂剂还可采用铬掺杂剂、镁掺杂剂等。其中，通过对选择性扩散方式的控制，可实现高精度扩散曲线的控制，从而控制所述光电探测器的电场分布，所述扩散方式可以通过扩散炉进行金属有机化学气象沉积(MOCVD)或者采用其他扩散方式，此处不作过分限制。
本实施例中，通过具有一定形貌的所述沟槽1061，以及对所述选择性生长及所述选择性扩散工艺的控制，可通过1次扩散工艺，即可形成沿所述凹曲面边缘分布的所述P型扩散层108，从而可满足高性能光电探测器对低暗电流性能、高良率的发展需求，且因为Zn扩散在InP材料体系速率较快，会造成精确控制扩散深度和浓度的难题，本实施例由于仅采用1次扩散工艺，即可形成具有1层或2层以上的扩散层的效果，从而减少了扩散工艺的步骤，且在所述沟槽1061的基础上进行所述选择性生长后再扩散，可结合刻蚀和选择性生长工艺同时控制所述P型扩散层108曲率及深度，无需刻蚀较深的台阶，使得沟槽刻蚀更易控制，且可使得所述P型扩散层108曲率及深度控制更精确，可对所述P型扩散层108实现纳米级控制精度，获得较平滑的曲率线，以有效抑制边缘击穿，因此可解决因多次外延所造成的扩散深度不均匀以及扩散工艺控制困难的问题，且有利于满足高性能光电探测器对低暗电流性能、高良率以及低成本的发展需求。
进一步的，在形成所述P型扩散层108后还可包括采用钝化层(未图示)填充所述沟槽1061的步骤或进行减反层镀膜(未图示)的步骤。
具体的，根据需要，在形成所述P型扩散层108后可采用如绝缘氮化硅、绝缘氧化物等物质对所述沟槽106进行填充，以形成表面平整的所述光电探测器，但并非局限于此。
进一步的，还可包括形成顶电极(未图示)、底电极(未图示)、增透膜层(未图示)及减反层(未图示)的步骤，其中，所述光电探测器可包括正面进光结构或背面进光结构，形成的所述光电探测器可包括雪崩光电二极管或单光子探测器等，关于所述顶电极、底电极、增透膜层及减反层的制备、材质的选择，以及所述光电探测器的种类等，此处不作过分限制。
参阅图4，本实施例还提供一种光电探测器，所述光电探测器包括半导体外延结构，所述半导体外延结构包括扩散区106，所述扩散区106中具有沟槽1061，且所述沟槽1061中具有顶面为凹曲面的曲率型填充扩散区107；所述P型扩散层108位于所述曲率型填充扩散区107中，且所述P型扩散层108沿所述凹曲面边缘分布。
其中，所述光电探测器可采用上述制备方法制备，但并非局限于此，本实施例中，采用上述制备方法制备所述光电探测器，从而有关所述光电探测器的制备、材质等的选择此处不作赘述。
作为示例，所述沟槽1061呈矩形、梯形或漏斗状，且所述沟槽1061的开口宽度大于或等于所述沟槽1061的底部宽度。
作为示例，所述沟槽1061的侧壁呈台阶状，且台阶数目N≥1；所述沟槽1061的侧壁与水平面的夹角范围为10°-90°。
具体的，如图2，本实施例中，形成的所述沟槽1061呈台阶状，且所述台阶数目N为2，但所述台阶数目N的取值并非局限与此，如所述台阶数目N根据需求也可取N为1、3、5等值，且根据N的取值，可通过分步刻蚀的方式实现，具体操作此处不作过分限制。
其中，所述沟槽1061的侧壁与水平面的夹角范围可为如10°、30°、45°、60°、90°等，如形成的所述沟槽1061的侧壁与水平面可为直角、倾斜角或者其他窗口形状，具体可根据需要进行选择，此处不作过分限制。
作为示例，所述曲率型填充扩散区107包括InP层或InGaAs层中的一种或由两种构成的叠层。
作为示例，所述光电探测器可包括雪崩光电二极管或单光子探测器；所述光电探测器可包括正面进光结构或背面进光结构。
进一步的，所述光电探测器还可包括填充所述沟槽1061的钝化层(未图示)，如氮化硅钝化层、氧化物钝化层等，以形成表面平整的所述光电探测器，但并非局限于此。
进一步的，所述光电探测器还可包括顶电极(未图示)、底电极(未图示)、增透膜层(未图示)及减反层(未图示)，此处不作过分限制。
其中，所述光电探测器可包括正面进光结构或背面进光结构，形成的所述光电探测器可包括雪崩光电二极管或单光子探测器等，关于所述顶电极、底电极、增透膜层及减反层的制备、材质的选择，以及所述光电探测器的种类等，此处不作过分限制。
综上所述，本发明的光电探测器及其制备方法，通过在半导体外延结构的扩散区中先刻蚀形成图形化的沟槽，并在沟槽中选择性生长顶面为凹曲面的曲率型填充扩散层后，结合1次选择性扩散工艺，形成扩散层，避免进行2次或多次选择性扩散的工艺制程，简化工艺流程；在沟槽基础上进行选择性生长后再扩散，可结合刻蚀和选择性生长工艺同时控制扩散层曲率，无需刻蚀较深的台阶，使得沟槽刻蚀更易控制，且可使得扩散层曲率控制更精确，可对扩散层实现纳米级控制精度，获得较平滑的曲率线，以有效抑制边缘击穿；该方法可解决扩散深度不均匀以及扩散工艺控制困难的问题，可满足高性能光电探测器对低暗电流性能、高良率以及低成本的发展需求。
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 (8)

1.一种光电探测器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
提供半导体外延结构，所述半导体外延结构包括位于顶层的扩散区；
于所述扩散区的表面形成图形化的掩膜，采用选择性刻蚀工艺，图形化所述扩散区，于所述扩散区中形成沟槽；
于所述扩散区的表面形成图形化的掩蔽层，采用选择性生长工艺，于所述沟槽中形成顶面为凹曲面的曲率型填充扩散区，所述曲率型填充扩散区包括InP层或InGaAs层中的一种或由两种构成的叠层；
通过选择性扩散工艺，沿所述凹曲面边缘，将P型掺杂剂扩散至所述曲率型填充扩散区中，于所述曲率型填充扩散区中形成沿所述凹曲面边缘分布的P型扩散层。
2.根据权利要求1所述的光电探测器的制备方法，其特征在于：形成的所述沟槽呈矩形、梯形或漏斗状，且所述沟槽的开口宽度大于或等于所述沟槽的底部宽度。
3.根据权利要求2所述的光电探测器的制备方法，其特征在于：所述沟槽的侧壁呈台阶状，且台阶数目N≥1；所述沟槽的侧壁与水平面的夹角范围为10°-90°。
4.根据权利要求1所述的光电探测器的制备方法，其特征在于：生长工艺包括采用MOCVD设备进行的生长工艺；扩散工艺包括采用MOCVD设备或扩散炉进行的扩散工艺。
5.根据权利要求1所述的光电探测器的制备方法，其特征在于：所述半导体外延结构包括自下而上依次堆叠的衬底、缓冲层、吸收层、过渡层、电荷控制层及扩散区。
6.一种光电探测器，其特征在于，所述光电探测器包括：
半导体外延结构，所述半导体外延结构包括扩散区，所述扩散区中具有沟槽，且所述沟槽中具有顶面为凹曲面的曲率型填充扩散区，所述曲率型填充扩散区包括InP层或InGaAs层中的一种或由两种构成的叠层；
P型扩散层，所述P型扩散层位于所述曲率型填充扩散区中，且沿所述凹曲面边缘分布。
7.根据权利要求6所述的光电探测器，其特征在于：所述沟槽呈矩形、梯形或漏斗状，且所述沟槽的开口宽度大于或等于所述沟槽的底部宽度；所述沟槽的侧壁呈台阶状，且台阶数目N≥1；所述沟槽的侧壁与水平面的夹角范围为10°-90°。
8.根据权利要求6所述的光电探测器，其特征在于：所述光电探测器包括雪崩光电二极管或单光子探测器；所述光电探测器包括正面进光结构或背面进光结构。
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