CN115663000A - 一种apd集成芯片及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种APD集成芯片及其制造方法，所述的APD集成芯片由具有光电特性的APD部分与具有光敏特性的光敏部分组成。所述的PAD部分为具有SAGCM结构的雪崩二极管，光敏区的其中一端与APD电气互联，另一端接地，在强光照射下其电阻由高电阻减低，可以让电流直接通过光敏电阻区向接地端流动，达到保护APD目的。

Description

一种APD集成芯片及其制造方法

技术领域

本发明涉及光电子技术领域，尤其涉及一种APD集成芯片及其制造方法。

背景技术

在军用、民用的光电器件领域，雪崩光电二极管(APD)可以用来探测光子信号的高灵敏探测传感器件。其工作原理是利用内部强电场作用，产生雪崩倍增效应。因为APD灵敏度高、响应速度快，因此常用于光纤通讯，激光雷达，焦平面成像等领域。

在长距离光纤通信时，使用的光模块具有发射光功率大，接收灵敏度高的特点。光模块的接收端在采用雪崩光电二极管(APD)工作时需要加反向高压，APD工作在高压环境，且增益较大，APD电流会随着输入光功率的变化而变化；当输入光功率越大，其APD电流越大；但当输入光功率超出APD工作范围后，其APD可能会因为电流过大而被烧毁。因而，在APD的使用中需要加以保护。

为了避免过大的光电流对APD管芯的破坏，现有的APD光模块中通常会设置有限流电阻，在DC-DC电路的输出端，增加限流电阻，当强光入射到光模块时，由于限流电阻的分压，可以使得DC-DC电路作用于APD管芯的偏压减小，进而使得APD管芯的增益降低，达到减小电流的目的。但是，这样的方案只能在一定程度上避免APD管芯的损坏，在部分场合中，例如在DC-DC电路输出的偏压过高，光照强度过大，APD管芯所允许的最大交流较小等场合中，APD管芯中的电流依旧可能超过所允许的最大电流，造成APD管芯的损坏，也即APD光模块的

损坏。

在弱光成像领域，焦平面阵列成像仪是由APD探测器阵列和读出电路(ROIC)组成，其中探测器的作用是将微弱的光信号转化为微弱的电流信号。工作于线性模式的电路所产生的信号电流与光信号成正比。读出电路的作用是，将微弱的电信号转化为处理机可处理的电信号或数字信号。在电路工作过程中，光强过大时，APD可能因击穿而失效短路，N on P型雪崩二极管在击穿后，电路会产生负几十伏的电压，导致在硅片上产生一个较大的泄漏电流，容易将芯片烧毁。在实际工程使用中，通常通过外置电路来对APD进行保护，该外置电路的保护方法为：将高光功率输入导致的电压或电流的异常反馈至控制器，控制器检测到异常后，发送控制指令降低或关闭APD的电压输入。但是这种通过控制器进行反馈的方法中的反馈信号需要经过控制器检测、判断以及输出控制指令等过程，从而导致其反馈速度以及响应速度很慢(通常是ms级)，这样的反馈速度和响应速度足于导致APD损坏，因此应用场景十分有限。

在激光雷达领域，往往采用大光敏面(1mm)的高灵敏度APD组件完成对发射激光的探测，完成激光雷达对目标的探测。但在实际的使用中，复杂交通驾驶场景存在诸如高反物体、近处障碍物、阳光照射、多雷达对射等极端工况，这会对激光雷达点云成像带来一连串的异常，直接使后期算法产生误判，进而导致事故。

在实际驾驶场景，激光雷达探测器受到强光的几率非常高，比如交通指示牌，激光雷达对其反射回来的高强度回波非常敏感，容易在点云中形成异常点云；在当车辆面向太阳方向行驶的时候，而且激光雷达的视窗也朝向阳光方向的时候，也会导致激光雷达点云中出现明显异常点云；当两量都安装有激光雷达的车会车的时候，激光雷达会接收到对面的较强的激光照射。这几种情况都会导致异常。

针对激光雷达在强光照射后的频谱分析，在同样的频率的激光发射后，如果遇到强光照射后，测试探测器接收板输出的回波信号发生展宽，时间在1.5us，进一步的通过限流的方法，将APD电流从100mA降低到45mA，则降低探测器接收板输出的回波信号发生展宽由1.0us减少到0.5us.进一步的将APD电压降低到0V，但是还有0.2us的展宽。这是由于在强光下，APD产生过饱和光生载流子以及释放导致。

综上所述，APD在受到强光的作用下，会产生强光电流，过强电流可以导致激光雷达信号失真，光模块接收端器件失效等问题。虽然业界有通过在APD的保护电路来进行避免损坏，如专利：CN 109217272，CN 111342433，CN 110554404都提出了改善APD在强光下的方案。然而，这些方法还存在着电路复杂需要反馈回路，实施繁琐，成本高，难以形成APD阵列，新增加的保护电路又可能增加新的不稳定因素等问题。

因此，如何避免APD由于过电流造成的损坏，是目前本领域技术人员急需解决的技术问题

发明内容

有鉴于此，本专利可以解决现有技术中存在的至少一个问题而提供一种APD集成芯片及其制造方法，可以解决现有APD芯片的存在的问题。

本发明的目的是提供一种APD集成芯片及其制作方法，所述APD集成芯片由雪崩二极管与光敏薄膜电阻集成，光敏薄膜电阻的功能是在APD受到强光时进行过电流保护功能。

在本发明的一个方面，提供了一种APD集成芯片包括：

衬底，衬底可以使Si，GaAs，InP。不同相应波长的APD对应不同的衬底。在可见光波段的探测器选用Si，在近红外波段的探测器则选择GaAs或者InP。

所述衬底上至少有吸收层，倍增层，隔离层，光敏层，P电极，N电极，GND电极，其中倍增层在工作电压下会发生雪崩效应，提供器件内部增益放大。

可选择的，对于InP衬底的APD，衬底上依次有SAGCM(分离吸收-过渡-电荷-倍增)层，隔离层，光敏层，P电极，N电极，GND电极，其中倍增层在工作电压下会发生雪崩效应，提供器件内部增益放大。

所述的光敏材料包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌等，红外光敏选用硫化铅、碲化铅、硒化铅、锑化铟等。

所述光敏薄膜层的两端分别电气链接为APD的N电极或者P电极和接地电极。

本发明：一种APD集成芯片在工作的时，N电极接高电压Vapd＝40V，在弱光照射条件下，光敏电阻层的电阻达到10MΩ，此时，APD两端电压不受光照影响。但是在强光照射的时候，光敏电阻的阻值降到100Ω时，则APD两端的电压下降，光生电流由APD流向到接地电极。

在本发明的另一方面，提供一种APD集成芯片的制作方法，包括步骤：

制作平面型APD的外延结构，采用MOCVD沉积设备分别沉积：缓冲层，吸收层，过渡层，电荷层，倍增层。

在所述APD的外延结构上进行锌扩散，并制作P电极，N电极，光敏电阻薄膜，接地电极，形成APD集成芯片。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：APD收到强光时候的保护，同时有利于器件后续的信号处理。

本申请实施例提供了一种APD集成芯片及其制作方法，由于集成芯片表面的光敏电阻在强光下的分流作用，可以让APD得到有效的保护，同时，由于减少APD在强光下产生的强电流，对于如激光雷达这种在接受脉冲信号状态使用的APD器件，可以简化其接收端的信号处理。

附图说明

图1.本发明的一种APD集成芯片电路原理图，由于电极的链接可以有两种方法，因此可以有图1a和图1b两种

图2.本发明的一种APD集成芯片表面示意图，由于电极的互联有两种方法，因此有图2a和图2b两种结构

图3.a-f为本专利发明的制造步骤

附图标记说明：

SUB衬底 buffer缓冲层 A吸收层 G渐变层 C电荷层 M倍增层 CAP接触层 2a环形电极 2b光敏电阻区 2cP电极的焊点 2d光敏材料的接地焊点 GM光敏薄膜

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的APD集成芯片及其制作方法作进一步详细说明。根据下面的说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

案例一：

该案例根据入光面为从P电极面入射到APD的一种设计方案

第一步，在InP衬底上通过MOCVD技术沉积APD需要的多层半导体材料，如图3.a，其顺序为

名称	材料	厚度nm	浓度
				衬底Sub	InP
缓冲层buffer	N+InP：Si	1500	1e18
				吸收层absorption	N InGaAs；Si	1000	2e15
渐变层Grade	N InGaAsP	90nm	3e16
				电荷层Charge	N InP	250nm	2e17
增益层Multiplication	InP	250nm	2e15
				接触层Cap	P-InP	220nm	5e18

第二步，通过扩散工艺，在MOCVD设备扩散锌，在APD表面形成环状耐压环，如图3.b；

第三步，通过LIFTOFF工艺，形成与InP接触的Au50nm-Zn700nm-Au500nm金属环：p-m1，APD表面的P面第一层的并通过快速退火形成合金，如图3.c；

第四步，通过PECVD工艺，沉积150nm SiO2，进一步的，通过PVD形成光敏薄膜材料区域GM(如图3.d)，光敏材料可以选用硫化铅、碲化铅、硒化铅，锑化铟，通过PVD方法形成光敏薄膜，本案例采用硫化铅薄膜，硫化铅在室温下在波长为1-2UM的光照射下，其电阻可以亮电阻u暗电阻比例可以达到2000倍。通过设计硫化铅的薄膜面积就可以设计出需要的亮电阻与暗电阻。

第五步，通过PECVD工艺沉积SiO2形成对光敏的保护层，并开金属导通孔，如图3.e

第六步，通过LIFTOFF工艺，形成电极p-pad，G-pad，如图3.f

案例二：

该案例根据入光面为从底面入射到APD的一种设计方案，和案例一相比，唯一的区别是将光敏材料沉积在背面，并通过通孔与P电极想成电气互联，其他工艺基本一样。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明权利范围的任何限定，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，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、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种APD集成芯片，包括雪崩二极管部分和光敏电阻部分，所述的雪崩二极管与光敏电阻在同一面，一个电极与光敏电阻的形成电气互联，另一个电极与雪崩二极管的形成电气互联。

2.如权利要求1所述的一种APD集成芯片，光敏电阻薄膜材料与雪崩二极管与光敏电阻在同一受光面。

3.如权利要求1所述的一种APD集成芯片，其特征在于光敏电阻的薄膜材料为：硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌等，硫化铅、碲化铅、硒化铅、锑化铟中的其中一种。

4.如权利要求2所述的一种APD集成芯片，其特征在于光敏薄膜材料沉积在雪崩二极管上表层。

5.如权利要求1所述的一种APD集成芯片，其特征在于一个电极与光敏电阻电气互联，另一端接地。

6.如权利要求1所述的一种APD集成芯片，其特征在于光敏薄膜材料与光电二极管的P电极隔离一层介质薄膜，介质薄膜可以使二氧化硅，氮化硅，氧化铝。

7.如权利要求2所述的一种APD集成芯片，其特征在于光敏薄膜在100nm-1000nm范围，光敏面与雪崩二极管受光面面积比小于1。

8.如权利要求7所述的一种APD集成芯片，光敏薄膜材料为通过物理气相沉积形成。

9.如权利要求8所述的一种APD集成芯片，由如1至8其任一项的平面工艺完成。

10.一种如权利9所述的APD集成芯片制作方法，其特征在于，包括步骤：

先外延形成雪崩二极管叠层结构，进一步形成电极，进一步形成光敏薄膜层，最后形成雪崩二极管与光敏电阻的电气互联。

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