CN209766420U - 多像元集成铟镓砷雪崩二极管四象限光电探测芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多像元集成铟镓砷雪崩二极管四象限光电探测芯片及制作方法，其包括，在同一铟镓砷外延晶片上，分布有四个光敏探测区，每个光敏探测区内由多个小单元雪崩二极管并联而成的芯片。所述芯片整体光敏面由四个方形雪崩二极管中心对称均布组成，方形APD由尺寸更小的圆形且具有相等光电特性小单元APD并联而成。四个方形光敏探测区，能对连续或低频脉冲激光信号进行坐标定位探测，方形APD光敏探测之间通过刻蚀槽和背面进光面金属膜层遮挡方式隔离四个光敏探测区，其能有效消除光敏探测区之间产生的电学、光学串扰，同时保证不会产生过大的盲区。本实用新型可实现高成品率、大面积InGaAs雪崩二极管四象限芯片的制作。

Description

多像元集成铟镓砷雪崩二极管四象限光电探测芯片

技术领域

本实用新型属于光电探测器的芯片结构技术领域，涉及一种多像元集成铟镓砷雪崩二极管四象限光电探测芯片，属于波长在0.9-1.7μm的红外光电探测器芯片。

背景技术

现有激光探测技术中，激光坐标定位、跟踪，通常通过四象限探测器来完成相关的探测功能。四象限探测器是将探测器的探测区分成四个独立区域，依据信号光斑在探测区的面积不同，四个区域将输出不同的光电流，从而实现激光坐标定位和目标跟踪。雪崩四象限探测器是利用探测器的雪崩倍增效应实现更高灵敏度、更远距离的目标探测。由In_0.53Ga_0.47As(之后都统称为InGaAs)材料制作的四象限探测芯片可用于0.9-1.7μm波长激光信号的探测，在1.55-1.57μm波长具有良好响应，在该波段具有对人眼安全、大气传输性能好等特点，近年来在军、民光电应用方面受到越来越广泛的关注。

目前InGaAs雪崩二极管四象限探测芯片通常出现以下两类问题，限制了InGaAs雪崩四象限探测器的广泛应用。一是InGaAs外延材料通常通过金属有机气相外延设备(MOCVD)或分子束外延设备(MBE)制备，难以制作出大面积、光电特性一致的APD四象限探测器芯片，且成品率低；二是四象限探测芯片由四个扇形光敏探测区组成一个圆形的总光敏面，需对扇形区尖角处进行圆滑处理，同时扇形区边缘还需要制备相应的保护环以防止APD出现早击穿，这样将会导致象限间的盲区增大，盲区是指对信号光不产生电信号的区域。

实用新型内容

(一)实用新型目的

本实用新型的目的是：提供一种多像元集成铟镓砷雪崩二极管四象限光电探测芯片结构，该结构可实现高成品率、大面积InGaAs雪崩二极管四象限芯片的制作。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种多像元集成铟镓砷雪崩二极管四象限光电探测芯片，其包括：铟镓砷外延晶片，其上中心对称分布有四个方形的光敏探测区；铟镓砷外延晶片正面，每个光敏探测区内形成有p电极6，背面进光面形成有n电极16；p电极6覆盖下的每个光敏探测区内形成有多个小单元APD9；铟镓砷外延晶片正面的四个光敏探测区pn结之间设有隔离槽5进行电学隔离，铟镓砷外延晶片背面进光面的四个光敏探测区pn结之间设有隔离电极18进行电学隔离，背面进光面与正面四个光敏探测区一一对应的位置设有氮化硅增透膜17，n电极16和隔离电极18为同一材料的多层金属电极。

其中，相邻的光敏探测区之间的间距为30μm。

其中，相邻的光敏探测区之间的隔离槽5宽10μm、深7μm。

其中，所述光电探测芯片四个象限组成的总光敏探测区为1.0mm×1.0mm。

其中，所述铟镓砷外延晶片包括：磷化铟衬底15，形成在磷化铟衬底15上的n型掺杂浓度为3×10¹⁶/cm³的磷化铟过渡层14，形成在磷化铟过渡层14上的n型杂质浓度为(1-2)×10¹⁵/cm³的铟镓砷光吸收层13，形成在铟镓砷光吸收层13上的n型掺杂浓度为3×10¹⁶/cm³的铟镓砷磷能带过渡层12，形成在铟镓砷磷能带过渡层12上的n型掺杂浓度为6×10¹⁶/cm³的磷化铟电荷层11，形成在磷化铟电荷层11上的n型掺杂浓度为7×10¹⁴/cm³的顶层磷化铟层10。

其中，所述磷化铟衬底15为n型掺杂浓度为(3-8)×10¹⁸/cm³的100晶向磷化铟。

其中，所述铟镓砷外延晶片中，磷化铟过渡层14厚度1μm，铟镓砷光吸收层13厚度1.5-2.5μm，铟镓砷磷能带过渡层12厚度为0.15μm，磷化铟电荷层11厚度为0.4μm，顶层磷化铟层10厚度3.5μm。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的多像元集成铟镓砷雪崩二极管四象限光电探测芯片，可实现InGaAs APD光敏面的大面积制备，提高芯片的制作成品率，可以用于探测人眼安全的1310nm、1550nm波长激光信号的探测，而且还可以用于常用的1060nm波长激光信号的探测。

附图说明

图1是本实用新型一种多像元集成铟镓砷雪崩二极管四象限光电探测芯片的俯视示意图。

图2是本实用新型一种多像元集成铟镓砷雪崩二极管四象限光电探测芯片的剖面示意图。

附图标记说明：1-第一象限：2-第二象限；3-第三象限；4-第四象限；5-隔离槽；6-p电极；7-氮化硅；8-无效像元；9-小单元APD；10-顶层磷化铟层；11-磷化铟电荷层；12-铟镓砷磷能带过渡层；13-铟镓砷光吸收层；14-磷化铟过渡层；15-磷化铟衬底；16-n电极；17-氮化硅增透膜；18-隔离电极。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。

如图1、图2所示，本实用新型多像元集成铟镓砷雪崩二极管四象限光电探测芯片包括：铟镓砷外延晶片，其上中心对称分布有四个方形的光敏探测区；铟镓砷外延晶片正面，每个光敏探测区内形成有p电极6，背面进光面形成有n电极16；p电极6覆盖下的每个光敏探测区内形成有多个小单元APD9；铟镓砷外延晶片正面的四个光敏探测区pn结之间设有隔离槽5进行电学隔离，铟镓砷外延晶片背面进光面的四个光敏探测区pn结之间设有隔离电极18进行电学隔离，背面进光面与正面四个光敏探测区一一对应的位置设有氮化硅增透膜17，n电极16和隔离电极18为同一材料的多层金属电极。

四个光敏探测区分别记为第一象限1、第二象限2、第三象限3、第四象限4。

相邻的光敏探测区之间的间距为30μm，相邻的光敏探测区之间的隔离槽5宽10μm、深7μm；光电探测芯片四个象限组成的总光敏探测区为1.0mm×1.0mm。

铟镓砷外延晶片包括：磷化铟(InP)衬底15，形成在磷化铟衬底15上的厚度1μm、n型掺杂浓度为3×10¹⁶/cm³的磷化铟过渡层14，形成在磷化铟过渡层14上的厚度1.5-2.5μm、n型杂质浓度为(1-2)×10¹⁵/cm³的铟镓砷(In_0.53Ga_0.47As)光吸收层13，形成在铟镓砷光吸收层13上的厚度为0.15μm、n型掺杂浓度为3×10¹⁶/cm³的铟镓砷磷(In_0.76Ga_0.24As_0.51P_0.49)能带过渡层12，形成在铟镓砷磷能带过渡层12上的厚度为0.4μm、n型掺杂浓度为6×10¹⁶/cm³的磷化铟电荷层11，形成在磷化铟电荷层11上的厚度3.5μm、n型掺杂浓度为7×10¹⁴/cm³的顶层磷化铟层10。

本实用新型多像元集成铟镓砷雪崩二极管四象限光电探测芯片的制备方法包括以下过程：

首先，铟镓砷(InGaAs)外延晶片的制备：

本实施例所使用的InGaAs外延晶片是利用金属有机物化学汽相沉积(MOCVD)技术，在n型掺杂浓度为(3-8)×10¹⁸/cm³的100晶向磷化铟(InP)衬底15上依次外延：厚度1μm，n型掺杂浓度为3×10¹⁶/cm³的磷化铟(InP)过渡层14；厚度1.5-2.5μm，n型杂质浓度为(1-2)×10¹⁵/cm³的铟镓砷(In_0.53Ga_0.47As)光吸收层13；厚度为0.15μm，n型掺杂浓度为3×10¹⁶/cm³的铟镓砷磷(In_0.76Ga_0.24As_0.51P_0.49)能带过渡层12；厚度为0.4μm，n型掺杂浓度为6×10¹⁶/cm³的磷化铟(InP)电荷层11；厚度3.5μm，n型掺杂浓度为7×10¹⁴/cm³的顶层磷化铟(InP)层10。

其次，铟镓砷(InGaAs)集成光电探测芯片的制备：

首先在上述已制备好的InGaAs外延晶片上，利用等离子化学汽相沉积(PECVD)技术生长厚度2000埃左右的氮化硅(SiN_X)7。采用光刻技术、刻蚀技术在氮化硅层上制出四个区域对称均布的多个直径40μm小圆形扩散窗口，通过石英熔封闭管高温扩散方式进行锌(Zn)扩散(P型掺杂)，在顶层磷化铟11中形成直径40μm、深2μm深的PN结，形成一个个的小单元APD9。对小单元APD9的电学性能进行测试，记录下性能参数不一致的无效像元8。第二次利用等离子化学汽相沉积(PECVD)技术生长厚度左右的氮化硅(SiN_X)7，通过光刻技术、干法刻蚀技术制作出象限间的隔离槽5。第三次利用等离子化学汽相沉积(PECVD)技术生长厚度左右的氮化硅(SiN_X)7，对隔离槽5进行钝化。如果某一个象限内所测试后标定的无效像元8，在其余3个象限内的相同位置无论小单元APD9电学性能如何都视为无效像元，通过无掩膜光刻设备的光刻技术、刻蚀技术一一对应刻蚀出四个象限内完全对称分布的多个小单元APD9电极孔，而被认为无效像元的都不刻蚀出来。采用光刻技术、真空蒸镀技术，在430℃下合金，制备出四个象限的铬/金p电极6。

对完成上述工艺后的InGaAs外延晶片进行背面减薄抛光，利用等离子化学汽相沉积(PECVD)技术、光刻技术在背面生长厚度左右的氮化硅(SiN_X)增透膜17。采用光刻技术、真空蒸镀技术，在430℃下合金，制备出背面n电极16，象限间的电极即作为减少光窜扰的隔离电极18，也作为有利于光生载流子收集的电极。

由本实用新型铟镓砷集成光电探测芯片制成的探测器，其工作原理是：当被探测的圆形均匀激光信号光斑D＝d/2(D为光斑直径，d为集成光电探测芯片的总光敏面直径)正对这种集成光电探测芯片时，APD四象限各光敏探测区将产生相等的光电流。当光斑沿着X轴或Y轴移动后，各象限光敏探测区将产生依赖于二维坐标的不同光电流，光电探测系统可根据这种光电流的不同来确定光斑的二维坐标，从而实现对激光信号的定位、跟踪等功能。

本实用新型小面积(直径≤40μm)InGaAs APD芯片的成品率比大面积(直径≥200μm)的成品率高，因此，对于多个小单元APD组合的四象限光敏探测区，再通过对无效小单元APD的屏蔽处理可有效提高四象限光敏芯片的成品率，同时可实现制作大面积、光电特性一致的APD四象限探测器芯片。雪崩四象限探测器与PIN四象限探测器相比能对更微弱的脉冲激光信号进行探测，增加探测器的探测距离。

具体实施例的光电探测芯片四个象限组成的总光敏探测区1.0mm×1.0mm，保证了≤0.5mm直径的激光信号光斑在APD四象限光敏探测区上具有灵敏的坐标特性，能对连续或低频微弱脉冲激光信号进行坐标定位探测。这种光电探测芯片象限光敏探测区之间间距为30μm，光敏探测区pn结之间有隔离槽离，背进光面之间采用金属膜层遮光，保证了光敏探测区之间不会产生过大电学、光学串扰也不会产生过大的盲区。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种多像元集成铟镓砷雪崩二极管四象限光电探测芯片，其特征在于，包括：铟镓砷外延晶片，其上中心对称分布有四个方形的光敏探测区；铟镓砷外延晶片正面，每个光敏探测区内形成有p电极6，背面进光面形成有n电极16；p电极6覆盖下的每个光敏探测区内形成有多个小单元APD9；铟镓砷外延晶片正面的四个光敏探测区pn结之间设有隔离槽5进行电学隔离，铟镓砷外延晶片背面进光面的四个光敏探测区pn结之间设有隔离电极18进行电学隔离，背面进光面与正面四个光敏探测区一一对应的位置设有氮化硅增透膜17，n电极16和隔离电极18为同一材料的多层金属电极。

2.如权利要求1所述的多像元集成铟镓砷雪崩二极管四象限光电探测芯片，其特征在于，相邻的光敏探测区之间的间距为30μm。

3.如权利要求2所述的多像元集成铟镓砷雪崩二极管四象限光电探测芯片，其特征在于，相邻的光敏探测区之间的隔离槽5宽10μm、深7μm。

4.如权利要求3所述的多像元集成铟镓砷雪崩二极管四象限光电探测芯片，其特征在于，所述光电探测芯片四个象限组成的总光敏探测区为1.0mm×1.0mm。

5.如权利要求4所述的多像元集成铟镓砷雪崩二极管四象限光电探测芯片，其特征在于，所述铟镓砷外延晶片包括：磷化铟衬底15，形成在磷化铟衬底15上的n型掺杂浓度为3×10¹⁶/cm³的磷化铟过渡层14，形成在磷化铟过渡层14上的n型杂质浓度为(1-2)×10¹⁵/cm³的铟镓砷光吸收层13，形成在铟镓砷光吸收层13上的n型掺杂浓度为3×10¹⁶/cm³的铟镓砷磷能带过渡层12，形成在铟镓砷磷能带过渡层12上的n型掺杂浓度为6×10¹⁶/cm³的磷化铟电荷层11，形成在磷化铟电荷层11上的n型掺杂浓度为7×10¹⁴/cm³的顶层磷化铟层10。

6.如权利要求5所述的多像元集成铟镓砷雪崩二极管四象限光电探测芯片，其特征在于，所述磷化铟衬底15为n型掺杂浓度为(3-8)×10¹⁸/cm³的100晶向磷化铟。

7.如权利要求6所述的多像元集成铟镓砷雪崩二极管四象限光电探测芯片，其特征在于，所述铟镓砷外延晶片中，磷化铟过渡层14厚度1μm，铟镓砷光吸收层13厚度1.5-2.5μm，铟镓砷磷能带过渡层12厚度为0.15μm，磷化铟电荷层11厚度为0.4μm，顶层磷化铟层10厚度3.5μm。