CN212392253U - 一种雪崩光电二极管 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种雪崩光电二极管，所述雪崩光电二极管自下而上依次包括衬底、缓冲层、吸收层、过渡层、电荷层和帽层，所述帽层包括扩散区，所述吸收层包括掺杂环，且所述掺杂环在所述帽层上的投影覆盖所述扩散区的边缘，以降低所述扩散区边缘的电场强度。本申请提供的雪崩光电二极管可有效降低雪崩光电二极管光敏面边缘的电场强度，起到抑制边缘击穿的作用。

Description

一种雪崩光电二极管

技术领域

本申请涉及光电探测器技术领域，特别涉及一种雪崩光电二极管。

背景技术

目前制造平面结构的雪崩光电二极管(Avalanche Photodiodes，APD)时，扩散区边缘区域因曲率效应造成该区域的电场强度高于光敏面中心区，导致器件接收面中心部分的增益较低，并出现边缘击穿现象，无法正常使用。

参见图1所示，现有的雪崩光电二极管结构中，采用单次扩散，边缘区域的电势等势线密集，电场强度高于中心区域，出现边缘击穿现象，不能正常工作。

现有技术中，为了抑制边缘击穿，主要的方法有：进行两次扩散窗口直径不同的扩散，形成阶梯状或其他边缘缓变的扩散形貌，降低扩散区域边缘曲率，从而降低边缘区域电场强度。

然而，上述通过两次扩散的制作方法，会导致扩散的深度和均匀性控制难度较大，尤其是深度误差范围会因多次扩散而累积，影响到晶圆内和晶圆间的器件的一致性；并且，当扩散深度过大时，晶圆无法返工，只能直接报废，严重影响了成品率。

可见，通过两次扩散的制作方法，虽然可以在一定程度上抑制边缘击穿，但是由于工艺流程复杂，控制难度大，导致制作成本增加、器件良品率较低、器件一致性也较差。

发明内容

本申请实施例提供一种雪崩光电二极管，以解决相关技术中通过扩散出现边缘击穿的技术问题，既包括采用一次扩散出现的边缘击穿，也包括采用两次阶梯状的扩散出现的边缘击穿问题。

第一方面，提供了一种雪崩光电二极管自下而上依次包括衬底、缓冲层、吸收层、过渡层、电荷层和帽层，所述帽层包括扩散区，所述吸收层包括掺杂环，且所述掺杂环在所述帽层上的投影覆盖所述扩散区的边缘，以降低所述扩散区边缘的电场强度。

一些实施例中，所述掺杂环为离子注入环，所述吸收层通过局部离子注入形成所述离子注入环。

一些实施例中，所述掺杂环为扩散环，所述吸收层通过局部扩散形成所述扩散环。

一些实施例中，所述扩散区为圆形，所述掺杂环为环状。

一些实施例中，所述扩散区和掺杂环同心设置，且所述扩散区的直径位于所述掺杂环的外径和内径之间。

一些实施例中，所述扩散区的直径等于所述掺杂环的外径和内径的平均值。

一些实施例中，所述扩散区的边缘为圆弧状，所述扩散区的圆弧状的区域为抑制区，所述掺杂环在所述帽层上的投影覆盖所述抑制区。

一些实施例中，所述掺杂环的内径和所述抑制区的内径大致相等。

一些实施例中，所述衬底为N型或半绝缘InP，缓冲层为N型InP，吸收层为非故意掺杂N型In_1-xGa_xAs_yP_1-y，过渡层为成分渐变的In_1-xGa_xAs_yP_1-y，电荷层为N型InP，帽层为非故意掺杂InP。

一些实施例中，所述扩散区和掺杂环均为P型锌掺杂区域。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：可有效降低雪崩光电二极管光敏面边缘的电场强度，起到抑制边缘击穿的作用。

本申请提供了一种雪崩光电二极管，由于在帽层有个扩散区，在吸收层上有个掺杂环，且所述掺杂环在所述帽层上的投影覆盖所述扩散区的边缘，从而可以有效降低雪崩光电二极管光敏面边缘的电场强度，进而起到抑制边缘击穿的作用。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：可有效降低雪崩光电二极管光敏面边缘的电场强度，起到抑制边缘击穿的作用；雪崩光电二极管的扩散工艺容差更大，可提高成品率，减小制作成本，而且控制难度小，进而提高雪崩光电二极管的生产质量。

本申请提供了一种雪崩光电二极管的制作方法，由于先通过局部掺杂在帽层上形成扩散区，再通过局部掺杂，在吸收层形成形成掺杂环，并且掺杂环的投影可以覆盖扩散区的边缘，一方面，可以有效降低雪崩光电二极管光敏面边缘的电场强度，进而起到抑制边缘击穿的作用，另一方面，与两次阶梯状的扩散的制作工艺相比，通过在吸收层进行一次扩散或离子注入，在帽层上进行一次扩散或多次阶梯状的扩散，两者相结合的方式，使得雪崩光电二极管的扩散工艺容差更大，可提高成品率，减小制作成本，而且控制难度小，进而提高雪崩光电二极管的生产质量。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中雪崩光电二极管的结构示意图；

图2为本申请实施例中雪崩光电二极管的结构示意图；

图3为本申请实施例的雪崩光电二极管的电场分布效果图；

图4为本申请实施例的雪崩光电二极管的制作方法的总流程图；

图5为本申请实施例的第一种雪崩光电二极管的制作方法的流程图；

图6为本申请实施例的第一种雪崩光电二极管的制作方法的步骤S101的示意图；

图7为本申请实施例的第一种雪崩光电二极管的制作方法的步骤S102的示意图；

图8为本申请实施例的第一种雪崩光电二极管的制作方法的步骤S103的示意图；

图9为本申请实施例的第一种雪崩光电二极管的制作方法的步骤S105的示意图；

图10为本申请实施例的第二种雪崩光电二极管的制作方法的流程图；

图11为本申请实施例的第二种雪崩光电二极管的制作方法的步骤S201的示意图；

图12为本申请实施例的第二种雪崩光电二极管的制作方法的步骤S202的示意图；

图13为本申请实施例的第二种雪崩光电二极管的制作方法的步骤S205的示意图；

图14为本申请实施例的第二种雪崩光电二极管的制作方法的步骤S206的示意图。

图中：1、衬底；2、缓冲层；3、吸收层；4、过渡层；5、电荷层；6、帽层；7、扩散区；8、掺杂环；9、第一钝化层；10、第一掺杂窗口；11、倍增区；12、第二钝化层；13、第二掺杂窗口。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

参见图2所示，图2为本申请实施例的一种雪崩光电二极管的结构示意图，所述雪崩光电二极管自下而上依次包括衬底1、缓冲层2、吸收层3、过渡层4、电荷层5和帽层6，所述帽层6包括扩散区7，所述吸收层3包括掺杂环8，且所述掺杂环8在所述帽层6上的投影覆盖所述扩散区7的边缘，以降低所述扩散区7边缘的电场强度。

本申请实施例提供了一种雪崩光电二极管，由于在帽层6有个扩散区7，在吸收层3上有个掺杂环8，且所述掺杂环8在所述帽层6上的投影覆盖所述扩散区7的边缘，从而可以有效降低雪崩光电二极管光敏面边缘的电场强度，进而起到抑制边缘击穿的作用。

在其中一种实施方式中，所述掺杂环8为离子注入环，所述吸收层3通过局部离子注入形成所述离子注入环。

在另一种实施方式中，所述掺杂环8为扩散环，所述吸收层3通过局部扩散形成所述扩散环。

在本申请实施例中，所述扩散区7可以为圆形。所述掺杂环8可以为圆环状，也可以根据实际情况形成其他形状，只需要能达到降低扩散区7边缘的电场强度的目的即可，在此不做限定。

优选地，在本申请实施例中，所述扩散区7和掺杂环8同心设置，并且所述扩散区7的直径位于所述掺杂环8的内径和外径之间，使得掺杂环8在所述帽层6上的投影可以覆盖所述扩散区7的边缘，以降低所述扩散区7边缘的电场强度，从而起到抑制边缘击穿的作用。

更为优选地，在本申请实施例中，所述扩散区7的直径等于所述掺杂环8的外径和内径的平均值，使得圆环状的掺杂环8有一半面积可以覆盖所述扩散区7的边缘，降低所述扩散区7边缘的电场强度的效果更好。

更为具体地，在本申请实施例中，所述扩散区7的边缘为圆弧状，所述扩散区7的圆弧状的区域为抑制区，所述掺杂环8在所述帽层6上的投影覆盖所述抑制区，可以进一步使得降低扩散区7边缘电场的效果更好。

更进一步地，在本申请实施例中，所述掺杂环8的内径和所述抑制区的内径大致相等，此时，降低扩散区7边缘电场的效果较好。

更进一步地，在本申请实施例中，所述衬底1为N型或半绝缘InP，缓冲层2为N型InP，吸收层3为非故意掺杂N型In_1-xGa_xAs_yP_1-y，过渡层4为成分渐变的In_1-xGa_xAs_yP1-_y，电荷层5为N型InP，帽层6为非故意掺杂InP。

更进一步地，在本申请实施例中，所述扩散区7和掺杂环8均为P型锌掺杂区域。

需要说明的是，在本申请实施例的雪崩光电二极管的结构中表面钝化层、增透膜、电极结构等属于APD的基本结构，在本申请的附图中未示意。

参见图3所示，本申请实施例的雪崩光电二极管的电场分布效果图，从图中可以看出，与图1现有技术相比，掺杂环8有效降低了扩散区7边缘的电场强度，起到了较好地抑制边缘击穿的作用。

参见图4所示，本申请实施例还提供了一种雪崩光电二极管的制作方法，包括步骤：

S1：在帽层6进行局部掺杂，形成扩散区7；

S2：在吸收层3进行局部掺杂，形成掺杂环8，且使所述掺杂环8在所述帽层6上的投影覆盖所述扩散区7的边缘，以降低所述扩散区7边缘的电场强度。

在实际生产制作工艺中，只需要包括上述两个步骤即可，先后顺序可以根据实际情况而定，在其他的一些实施例中，也可以先在吸收层3进行局部掺杂，形成掺杂环8，然后在帽层6进行局部掺杂，形成扩散区7。

本申请实施例提供了一种雪崩光电二极管的制作方法，由于先通过局部掺杂在帽层6上形成扩散区7，再通过局部掺杂，在吸收层3形成形成掺杂环8，并且掺杂环8的投影可以覆盖扩散区7的边缘，一方面，可以有效降低雪崩光电二极管光敏面边缘的电场强度，进而起到抑制边缘击穿的作用，另一方面，与两次阶梯状的扩散的制作工艺相比，通过在吸收层3进行一次扩散或离子注入，在帽层6上进行一次扩散或多次阶梯状的扩散，两者相结合的方式，使得雪崩光电二极管的扩散工艺容差更大，可提高成品率，减小制作成本，而且控制难度小，进而提高雪崩光电二极管的生产质量。

在上述步骤S1中，在帽层6进行局部掺杂的方式很多，可以采用一次扩散的方式，也可以采用多种扩散的方式。

在一些实施例中，在帽层6进行局部掺杂的具体过程包括：采用一次扩散的方式进行局部掺杂。

在一些实施例中，在帽层6进行局部掺杂的具体过程包括：采用多次扩散的方式进行局部掺杂。

可见，本申请实施例的雪崩光电二极管的制作方法，既适用于帽层进行一次扩散的情况，也适用于帽层进行多次阶梯状的扩散的情况，适用范围较广，而且，通过阶梯状扩散和离子注入技术的结合，可以实现抑制边缘击穿的效果更好。

参见图5所示，本申请实施例提供了第一种雪崩光电二极管的制作方法，具体步骤包括：

S101：通过MOCVD或MBE技术生长第一外延结构，所述第一外延结构自下而上依次包括衬底1、缓冲层2、吸收层3、过渡层4、电荷层5和帽层6，如图6所示；

在本申请实施例中，以InP型的雪崩光电二极管为例，所述衬底1为N型或半绝缘InP，缓冲层2为N型InP，吸收层3为非故意掺杂N型In_1-xGa_xAs_yP_1-y，过渡层4为成分渐变的In_1-xGa_xAs_yP1-_y，电荷层5为N型InP，帽层6为非故意掺杂InP。

S102：通过PECVD技术在所述帽层6上沉积SiO2或SiNx的第一钝化层9，并在所述第一钝化层9上形成圆形的第一掺杂窗口10，如图7所示，本申请实施例中，由第一掺杂窗口10的尺寸决定雪崩光电二极管的有效光敏面的尺寸；

S103：通过MOCVD或扩散炉技术，将所述第一掺杂窗口10内的帽层6进行局部扩散，通过局部掺杂形成圆形的扩散区7，所述第一掺杂窗口10内的帽层6未掺杂区域形成倍增区11，如图8所示；

S104：腐蚀去除所述第一钝化层9；

S105：通过PECVD技术在所述帽层6上沉积SiO2或SiNx的第二钝化层12，并在所述第二钝化层12上形成与所述扩散区7配合的圆环状的第二掺杂窗口13，如图9所示；

S106：在所述第二掺杂窗口13内通过离子注入技术，在吸收层3局部形成圆环状的掺杂环8，如图9所示。

在本申请实施例中，所述扩散区7为圆形，所述掺杂环8为圆环状，与之对应地，第一掺杂窗口10为与所述扩散区7形状匹配的圆形结构，第二掺杂窗口13为与所述掺杂环8形状相匹配的圆环状，在其他的一些实施例中，扩散区7、第一掺杂窗口10、掺杂环8和第二掺杂窗口13的形状可以根据工艺需要进行改变，只需要能达到降低扩散区7边缘电场的目的即可。

所述扩散区7和掺杂环8同心设置，并且所述扩散区7的直径位于所述掺杂环8的内径和外径之间，使得掺杂环8在所述帽层6上的投影可以覆盖所述扩散区7的边缘，以降低所述扩散区7边缘的电场强度，从而起到抑制边缘击穿的作用。

需要说明的是，在本申请实施例中，第二掺杂窗口13与扩散区7配合，应该理解为第二掺杂窗口13与扩散区7的位置配合设置，以能够使掺杂环8在帽层6上的投影覆盖扩散区7的边缘，从而降低扩散区7边缘的电场强度。

而且，本申请实施例中，所述掺杂环8的掺杂元素可以为锌，但不限于锌，还可以是镉、铍、镁等元素。

参见图10所示，本申请实施例提供了第二种雪崩光电二极管的制作方法，具体步骤包括：

S201：通过MOCVD或MBE技术生长第二外延结构，所述第二外延结构自下而上依次包括衬底1、缓冲层2和部分吸收层3，如图11所示；

S202：通过PECVD技术在所述吸收层3上沉积SiO2或SiNx的第二钝化层12，并在所述第二钝化层12上形成圆环状的第二掺杂窗口13，如图12所示；

S203：在所述第二掺杂窗口13内进行局部掺杂，使所述部分吸收层3局部形成掺杂环8，如图12所示；

S204：腐蚀去除所述第二钝化层12；

S205：在所述第二外延结构上再依次生长部分吸收层3、过渡层4、电荷层5和帽层6，如图13所示；

S206：在所述帽层6上沉积第一钝化层9，并在所述第一钝化层9上形成与所述掺杂环8配合的圆形的第一掺杂窗口10，如图14所示；

S207：通过MOCVD或扩散炉技术，将所述第一掺杂窗口10内的帽层6进行局部扩散，通过局部掺杂形成扩散区7，所述第一掺杂窗口10内的帽层6未掺杂区域形成倍增区11，如图14所示。

在本申请实施例中，在步骤S201中先生长部分吸收层3，待形成掺杂环8后，再继续生长部分吸收层3，从而可以更好地确定掺杂环8在吸收层中的位置。

在上述步骤S203中，实现在所述第二掺杂窗口13内进行局部掺杂的方式很多，可以为离子注入的方式，也可以为扩散的方式。

在其中一些实施例中，步骤S203中在所述第二掺杂窗口13内进行局部掺杂的具体过程包括：采用离子注入技术进行局部掺杂。

在其中一些实施例中，步骤S203中在所述第二掺杂窗口13内进行局部掺杂的具体过程包括：采用扩散的方式进行局部掺杂。

更进一步地，在本申请实施例中，在第一钝化层9上形成第一掺杂窗口10、在第二钝化层12上形成第二掺杂窗口13均采用光刻和RIE刻蚀技术。

优选地，在本申请实施例中，所述扩散区7为圆形，所述掺杂环8为圆环状，与之对应地，第一掺杂窗口10为与所述扩散区7形状匹配的圆形结构，第二掺杂窗口13为与所述掺杂环8形状相匹配的圆环状。

所述扩散区7和掺杂环8同心设置，并且所述扩散区7的直径位于所述掺杂环8的内径和外径之间，使得掺杂环8在所述帽层6上的投影可以覆盖所述扩散区7的边缘，以降低所述扩散区7边缘的电场强度，从而起到抑制边缘击穿的作用。

需要说明的是，在本申请实施例中，第一掺杂窗口10与掺杂环8配合，应该理解为第一掺杂窗口10与掺杂环8的位置配合设置，以能够使掺杂环8在帽层6上的投影覆盖扩散区7的边缘，从而降低扩散区7边缘的电场强度。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“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，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种雪崩光电二极管，其特征在于，其自下而上依次包括衬底(1)、缓冲层(2)、吸收层(3)、过渡层(4)、电荷层(5)和帽层(6)，所述帽层(6)包括扩散区(7)，所述吸收层(3)包括掺杂环(8)，且所述掺杂环(8)在所述帽层(6)上的投影覆盖所述扩散区(7)的边缘，以降低所述扩散区(7)边缘的电场强度。

2.如权利要求1所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述掺杂环(8)为离子注入环，所述吸收层(3)通过局部离子注入形成所述离子注入环。

3.如权利要求1所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述掺杂环(8)为扩散环，所述吸收层(3)通过局部扩散形成所述扩散环。

4.如权利要求1所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述扩散区(7)为圆形，所述掺杂环(8)为环状。

5.如权利要求4所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述扩散区(7)和掺杂环(8)同心设置，且所述扩散区(7)的直径位于所述掺杂环(8)的外径和内径之间。

6.如权利要求5所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述扩散区(7)的直径等于所述掺杂环(8)的外径和内径的平均值。

7.如权利要求1所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述扩散区(7)的边缘为圆弧状，所述扩散区(7)的圆弧状的区域为抑制区，所述掺杂环(8)在所述帽层(6)上的投影覆盖所述抑制区。

8.如权利要求7所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述掺杂环(8)的内径和所述抑制区的内径大致相等。

9.如权利要求1所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述衬底(1)为N型或半绝缘InP，缓冲层(2)为N型InP，吸收层(3)为非故意掺杂N型In_1-xGa_xAs_yP_1-y，过渡层(4)为成分渐变的In_1-xGa_xAs_yP_1-y，电荷层(5)为N型InP，帽层(6)为非故意掺杂InP。

10.如权利要求1所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述扩散区(7)和掺杂环(8)均为P型锌掺杂区域。

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