一種雪崩光電二極體及其製備方法與流程

2023-05-05 05:55:01

本發明涉及一種半導體光電器件技術領域，特別是一種雪崩光電二極體及其製備方法。

背景技術：

在InGaAs/InP雪崩光電二極體(APD)內部高電場區的作用下，載流子可以與晶格原子發生碰撞，產生二次載流子雪崩倍增效應，實現對初始光電流信號的放大，從而提高了整個光接收機的靈敏度。APD作為光通信領域內重要的高靈敏度光信號接收元件，已經被廣泛應用於GPON/EPON接入網絡和中長距離的幹線數據傳輸中。當前，InGaAs/InP APD晶片主要採用分離吸收區和倍增區的SAGCM結構，該結構可以在實現雪崩區高電場的同時獲得低電場區的光吸收區，具有高雪崩增益和低暗電流的雙重優點。常規的熱擴散或離子注入方法可以較方便地形成APD的雪崩區，但是摻雜區邊緣不可避免地會出現雜質分布的「彎曲」結構，使得APD雪崩區邊緣的電場大於中心區域的電場，導致邊緣區域將先於雪崩中心區域被擊穿(即產生所謂的邊緣效應)，導致雪崩區倍增增益的減少和器件可靠性的惡化。

傳統抑止邊緣擊穿的方法有多種：包括在器件的側向形成保護環，這種技術是利用在晶片生長過程中通過擴散形成P區的同時，利用離子注入或者二次擴散的方法在P區的側向注入一定濃度的雜質，形成一個保護環結構(GR)，或者形成兩個相鄰的一深一淺的保護環結構(PLEG)。保護環的作用在於它降低了P區的曲率效應，從而有效的抑止APD器件中P區邊緣電場過高導致的擊穿。但是這種辦法對於分別吸收倍增(SAM)結構的APD器件來講，由於引入了保護環，在環下面的空間電荷急劇下降，容易導致環底下的吸收層電場過高發生隧穿效應。另一種辦法是在器件中形成浮動保護環，這種辦法通過光刻技術一次性在倍增層上面形成三個有一定間隔窗口，然後通過一次性擴散形成重摻雜的P區和兩個保護環。有了這兩個保護環，隨著外加電壓的升高，P區下的耗盡區域往側向擴展直至碰到內側的保護環，由於保護環與中心的P區都是重摻雜，它們之間電勢相等，耗盡區域就直接″跳″到外側的保護環，擴大了的耗盡區域增加了P區邊緣等電勢線的間隔從而降低了P區邊緣的電場。當電壓繼續升高時，耗盡區域又從內側保護環″跳″到外側的保護環，進一步降低邊緣的電場，從而有效的抑止P區邊緣發生擊穿。再一種技術是利用在P區下方生長部分電荷薄層以增強PN區的電場，使PN區的電場大於邊緣的電場先發生碰撞電離。該技術是先利用金屬有機氣相沉積(MOCVD)或分子束外延(MBE)的方法在襯底上生長吸收層和電荷層，然後利用反應離子刻蝕(RBE)在P區的正下方刻蝕出一個電荷薄層，再繼續使用MOCVD或者MBE的辦法生長倍增層。該技術涉及到多種工藝過程，包括二次生長，反應離子刻蝕等，實現比較複雜。現階段還存在其他邊緣擊穿抑制的方法，如雙Zn擴散臺階結技術、預刻蝕技術和刻蝕電荷層二次外延技術等。雖然上述方法都能夠在一定程度上實現對邊緣效應的抑制，但代價卻是製備工藝更複雜和生成成本更昂貴，以及對工藝精度要求更高，從而阻礙了APD晶片性能和成品率的進一步提高。

專利文獻CN105655436公開的一種雪崩光電二極體的製造方法具有以下工序：在襯底上形成p型電場緩和層的工序，其中，在該p型電場緩和層中作為p型摻雜物而添加碳，作為組成而包含鋁；在所述p型電場緩和層上形成帽蓋層的工序；以及在所述帽蓋層上形成光吸收層的工序，不導入V族原料而在不活潑氣體氣氛中進行從所述帽蓋層的生長溫度至所述光吸收層的生長溫度為止的升溫工序。該專利能夠改善電場緩和層中所添加的碳的活化率，但該專利無法實現對邊緣擊穿效應的抑制，同時不影響APD晶片的其他性能參數。

專利文獻CN104465853 A公開的一種雪崩光電二極體在襯底上至少外延生長的緩衝層，N型歐姆接觸層，光吸收層，雪崩倍增層和P型歐姆接觸層。該專利採用不同厚度的InAs層、GaSb層的超晶格製成光吸收層，可以吸收從短波到長波的紅外，同時AlGaAsSb可以減少暗電流，但該專利無法實現對邊緣擊穿效應的抑制，同時不影響APD晶片的其他性能參數。

專利文獻CN103081129 A公開的一種雪崩光電二極體包括半絕緣性基板；在所述半絕緣性基板面上，按照p型電極層、p型光吸收層、低雜質濃度的光吸收層、帶隙傾斜層、p型電場控制層、雪崩倍增層、n型電場控制層、以及低雜質濃度的電子行進層的順序層疊的第1層疊結構所構成的第1臺面；以及從層疊方向看，外周處於所述第1臺面的外周的內側，在所述第1臺面的所述電子行進層側的表面上，按照n型電極緩衝層、以及n型電極層的順序層疊的第2層疊結構所構成的第2臺面，所述n型電場控制層的總施主濃度比所述p型電場控制層的總受主濃度低2×1011～1×1012/cm2的範圍。該專利提供能夠降低臺面表面、電極層的形狀所引起的暗電流的APD，但該專利無法實現對邊緣擊穿效應的抑制，同時不影響APD晶片的其他性能參數。

專利文獻CN102280516 A公開的一種半導體受光元件具有：第一導電型的半導體襯底；依次層疊在所述半導體襯底上的摻雜有雜質的第一導電型的光吸收複合層、第一導電型的多層反射膜、光吸收層以及窗層；第二導電型的摻雜區域，形成在所述窗層的一部分上；第一電極，與所述摻雜區域連接；以及第二電極，與所述半導體襯底的下表面連接，所述窗層的帶隙能量比所述光吸收層的帶隙能量大，所述光吸收複合層的帶隙能量比所述半導體襯底的帶隙能量小。該專利能夠降低響應失真並且抑制受光靈敏性的降低，但該專利無法實現對邊緣擊穿效應的抑制，同時不影響APD晶片的其他性能參數。

在背景技術部分中公開的上述信息僅僅用於增強對本發明背景的理解，因此可能包含不構成在本國本領域普通技術人員公知的現有技術的信息。

技術實現要素：

鑑於上述問題，本發明的目的是提出了一種雪崩光電二極體及其利用補償摻雜技術製備雪崩光電二極體(APD)晶片的方法。採用該方法製備APD晶片不需要複雜的加工工藝就可以實現對邊緣擊穿效應的抑制，同時不影響APD晶片的其他性能參數。

本發明的目的是通過以下技術方案予以實現。

本發明的一個方面，一種雪崩光電二極體包括：

-襯底；

-緩衝層，所述的緩衝層布置在所述的襯底上；

-光吸收層，所述的光吸收層布置在所述的緩衝層上；

-過渡層，所述的過渡層布置在所述的光吸收層上；

-漸變層，所述的漸變層布置在所述的過渡層上；

-電荷層，所述的電荷層布置在所述的漸變層上；

-覆蓋層，所述的覆蓋層布置在所述的電荷層上，其中，所述的覆蓋層包括P型中心有源區和補償摻雜區，

所述的P型中心有源區是向所述的覆蓋層中心區域摻入P型雜質而形成；

所述的補償摻雜區是向所述的P型中心有源區的外圍環形區域內摻入N型雜質而形成；

-介質掩膜層，所述的介質掩膜層經由澱積方式布置在所述的覆蓋層上，並經由光刻布置電極孔；

-正面電極層，所述的正面電極層布置在所述的介質掩膜層上，並通過所述的介質掩膜層的所述電極孔與所述的覆蓋層相接觸，實現電連接；

-背面電極層，所述的背面電極層布置在所述的襯底背面。

優選地，所述的襯底和所述的緩衝層均為N型InP材料。

優選地，所述的襯底為重摻雜層。

優選地，所述的光吸收層和所述的過渡層均為N型InGaAs材料。

優選地，所述的光吸收層為非故意摻雜的本徵材料。

優選地，所述的漸變層為N型InGaAsP多層帶隙漸變結構。

優選地，所述的電荷層和所述的覆蓋層均為N型InP材料。

優選地，所述的電荷層為重摻雜層。

優選地，所述的P型中心有源區和所述的補償摻雜區均採用熱擴散或離子注入的方式實現摻雜，所述的P型中心有源區為P型重摻雜區。

優選地，所述的補償摻雜區為摻入一定量的N型雜質的P型材料。

優選地，所述的P型中心有源區與所述的電荷層之間的區域為高電場的雪崩倍增區。

優選地，所述的介質掩膜層為SiO2或SiNx材料，所述的P型中心有源區上方有刻蝕出的環形電極孔。

優選地，所述的正面電極層通過所述的電極孔與所述的P型中心有源區相接觸，且中央區域為透光的窗口區。

優選地，所述的背面電極布置在減薄之後的所述的襯底的背面。

本發明的另一個方面，一種製備所述的雪崩光電二極體的方法的步驟包括：

在第一步驟中：在襯底上利用外延生長設備依次生成緩衝層、光吸收層、過渡層、漸變層、電荷層和覆蓋層；

在第二步驟中：利用光刻、刻蝕或者摻雜工藝，向所述的覆蓋層中心區域摻入P型雜質，形成P型中心有源區；

在第三步驟中：利用光刻、刻蝕或者摻雜工藝，向所述的P型中心有源區的外圍環形區域內摻入N型雜質，形成補償摻雜區；

在第四步驟中：採用澱積方式在所述的覆蓋層上製作介質掩膜層，並利用光刻或者刻蝕工藝，製作電極孔；

在第五步驟中：製作正面電極，通過所述的電極孔與所述的P型中心有源區形成歐姆接觸，並利用光刻或者刻蝕工藝，製作出透光的窗口區；

在第六步驟中：將所述的襯底減薄後，在所述的襯底背面製作背面電極；

在第七步驟中：對所述的雪崩光電二極體的管芯進行分割解理，然後封裝。

優選地，所述的P型中心有源區和所述的補償摻雜區均採用熱擴散或離子注入的方式實現摻雜，其中，所述的P型中心有源區為P型重摻雜區，所述的補償摻雜區中摻入一定量的N型雜質，實現對所述的P型中心有源區外圍區域的雜質補償作用，所述的補償摻雜區是P型材料。

優選地，所述的P型中心有源區與所述的電荷層之間的區域為高電場的雪崩倍增區。

優選地，所述的介質掩膜層為SiO2或SiNx材料，並在所述的P型中心有源區上方刻蝕出環形電極孔。

優選地，所述的正面電極層通過所述的電極孔與所述的P型中心有源區相接觸，且中央區域為透光的窗口區。

優選地，所述的背面電極布置在減薄之後的所述的襯底的背面。

本發明依據半導體中雜質補償的原理，在傳統的兩步擴散工藝基礎上進行了改進，實現了對APD晶片邊緣效應的抑制。在完成有源區P型摻雜後，在P型摻雜區外圍再進行N型摻雜。利用N型雜質對P型雜質的補償作用，實質上降低了P型有源區外圍的P型雜質濃度，從而降低了整個有源區外圍區域的擊穿電場，實現了對APD晶片邊緣提前擊穿現象的抑制。

上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠使得本發明的技術手段更加清楚明白，達到本領域技術人員可依照說明書的內容予以實施的程度，並且為了能夠讓本發明的上述和其它目的、特徵和優點能夠更明顯易懂，下面以本發明的具體實施方式進行舉例說明。

附圖說明

通過閱讀下文優選的具體實施方式中的詳細描述，本發明各種其他的優點和益處對於本領域普通技術人員將變得清楚明了。說明書附圖僅用於示出優選實施方式的目的，而並不認為是對本發明的限制。顯而易見地，下面描述的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。而且在整個附圖中，用相同的附圖標記表示相同的部件。

在附圖中：

圖1是根據本發明一個實施例的雪崩光電二極體的結構示意圖；

圖2是P型中心有源區和補償摻雜區的雪崩倍增因子與偏置電壓的典型關係曲線；

圖3是根據本發明一個實施例的製備雪崩光電二極體的方法的步驟示意圖。

其中：

20-襯底；

21-緩衝層；

22-光吸收層；

23-過渡層；

24-漸變層；

25-電荷層；

26-覆蓋層；

27-P型中心有源區；

28-補償摻雜區；

29-介質掩膜層；

30-正面電極層；

31-背面電極層；

32-雪崩倍增區。

以下結合附圖和實施例對本發明作進一步的解釋。

具體實施方式

下面將參照附圖更詳細地描述本發明的具體實施例。雖然附圖中顯示了本發明的具體實施例，然而應當理解，可以以各種形式實現本發明而不應被這裡闡述的實施例所限制。相反，提供這些實施例是為了能夠更透徹地理解本發明，並且能夠將本發明的範圍完整的傳達給本領域的技術人員。

需要說明的是，在說明書及權利要求當中使用了某些詞彙來指稱特定組件。本領域技術人員應可以理解，技術人員可能會用不同名詞來稱呼同一個組件。本說明書及權利要求並不以名詞的差異來作為區分組件的方式，而是以組件在功能上的差異來作為區分的準則。如在通篇說明書及權利要求當中所提及的「包含」或「包括」為一開放式用語，故應解釋成「包含但不限定於」。說明書後續描述為實施本發明的較佳實施方式，然所述描述乃以說明書的一般原則為目的，並非用以限定本發明的範圍。本發明的保護範圍當視所附權利要求所界定者為準。

為便於對本發明實施例的理解，下面將結合附圖以具體實施例為例做進一步的解釋說明，且各個附圖並不構成對本發明實施例的限定。

為了更好地理解，圖1是根據本發明一個實施例的雪崩光電二極體的結構示意圖，如圖1所示，所述雪崩光電二極體包括：

-襯底20；

-緩衝層21，所述的緩衝層21布置在所述的襯底20上；

-光吸收層22，所述的光吸收層22布置在所述的緩衝層21上；

-過渡層23，所述的過渡層23布置在所述的光吸收層22上；

-漸變層24，所述的漸變層24布置在所述的過渡層23上；

-電荷層25，所述的電荷層25布置在所述的漸變層24上；

-覆蓋層26，所述的覆蓋層26布置在所述的電荷層25上，其中，

所述的覆蓋層26包括P型中心有源區27和補償摻雜區28，

所述的P型中心有源區27是向所述的覆蓋層26中心區域摻入P型雜質而形成；

所述的補償摻雜區28是向所述的P型中心有源區27的外圍環形區域內摻入N型雜質而形成；

-介質掩膜層29，所述的介質掩膜層29經由澱積方式布置在所述的覆蓋層26上，並經由光刻布置電極孔；

-正面電極層30，所述的正面電極層30布置在所述的介質掩膜層29上，並通過所述的介質掩膜層29的所述電極孔與所述的覆蓋層26相接觸，實現電連接；

-背面電極層31，所述的背面電極層31布置在所述的襯底20背面。

圖2是P型中心有源區和補償摻雜區的雪崩倍增因子與偏置電壓的典型關係曲線，如圖2所示的P型中心有源區和補償摻雜區的雪崩倍增因子與偏置電壓的典型關係，其中，實線表示P型中心有源區，虛線表示補償摻雜區，從圖2中可以看出，相同偏置電壓下，補償摻雜區的倍增因子小於P型中心有源區的，特別是在接近擊穿電壓的區域，這種差異更明顯。採用補償摻雜區結構後，明顯地提高了有源區外圍區域，即補償摻雜區的擊穿電壓，從而有效的抑制了邊緣提前擊穿現象的發生。本發明巧妙地利用雜質補償原理對APD晶片邊緣電場的分布進行了優化。在N型補償摻雜的作用下，有源區外圍區域的P型雜質濃度降低。在同樣的偏置電壓下，該區域的電場小於P型中心有源區的電場。從而使得APD邊緣的擊穿電壓小於P型中心有源區內的擊穿電壓，實現了對邊緣效應的抑制。雖然在P型中心有源區和補償摻雜區的界面處存在雜質濃度差，但是由於都是P型雜質，不會形成PN結，因此不會形成明顯的空間電荷分布，即在界面處不存在明顯的界面電場。

在一個實施例中，所述的襯底20和所述的緩衝層21均為N型InP材料。

在一個實施例中，所述的襯底20為重摻雜層。

在一個實施例中，所述的光吸收層22和所述的過渡層23均為N型InGaAs材料。

在一個實施例中，所述的光吸收層22為非故意摻雜的本徵材料。

在一個實施例中，所述的漸變層24為N型InGaAsP多層帶隙漸變結構。

在一個實施例中，所述的電荷層25和所述的覆蓋層26均為N型InP材料。

在一個實施例中，所述的電荷層25為重摻雜層。

在一個實施例中，所述的P型中心有源區27和所述的補償摻雜區28均採用熱擴散或離子注入的方式實現摻雜，所述的P型中心有源區27為P型重摻雜區。

在一個實施例中，所述的補償摻雜區28為摻入一定量的N型雜質的P型材料。

在一個實施例中，所述的P型中心有源區27與所述的電荷層25之間的區域為高電場的雪崩倍增區32。

在一個實施例中，所述的介質掩膜層29為SiO2或SiNx材料，所述的P型中心有源區27上方有刻蝕出的環形電極孔。

在一個實施例中，所述的正面電極層30通過所述的電極孔與所述的P型中心有源區27相接觸，且中央區域為透光的窗口區。

在一個實施例中，所述的背面電極層31布置在減薄之後的所述的襯底20的背面。

圖3為本發明的一個實施例的製備雪崩光電二極體的步驟示意圖，本發明實施例將結合圖3進行具體說明。

如圖3所示，一種製備所述的雪崩光電二極體的方法的步驟包括：

在第一步驟S1中：在襯底20上利用外延生長設備依次生成緩衝層21、光吸收層22、過渡層23、漸變層24、電荷層25和覆蓋層26。例如，在重摻雜的N+型的InP襯底20上利用外延生長設備依次生長約1μm厚的N-型InP緩衝層21、2-4μm厚的N-型InGaAs光吸收層22、0.2-0.3μm厚的N型InGaAs過渡層23、0.05-0.1μm厚的N型InGaAsP漸變層24、0.1-0.5μm厚的摻雜濃度1-8×1017cm-3的N+型InP電荷層25和3-5μm厚的N-型InP覆蓋層26。

在第二步驟S2中：利用光刻、刻蝕或者摻雜工藝，向所述的覆蓋層26中心區域摻入P型雜質，形成P型中心有源區27。例如，利用光刻或者刻蝕工藝，在覆蓋層26的中心形成擴散孔，採用熱擴散技術向擴散孔內摻入Zn，雜質濃度約2-5×1018cm-3，實現對該區域的P型重摻雜。

在第三步驟S3中：利用光刻、刻蝕或者摻雜工藝，向所述的P型中心有源區27的外圍環形區域內摻入N型雜質，形成補償摻雜區28。例如，利用光刻或者刻蝕工藝，在P型中心有源區27的外圍環形區域形成開孔區，採用離子注入技術，向開孔區內注入少量的Si，用以補償該區域內的Zn雜質含量，使得該區域內P型濃度降低至0.1-0.8×1018cm-3。形成補償摻雜區28。

在第四步驟S4中：採用澱積方式在所述的覆蓋層26上製作介質掩膜層29，並利用光刻或者刻蝕工藝，製作電極孔。例如，採用化學氣相沉積PECVD技術，在InP覆蓋層26上製作100nm-200nm厚的SiNx作為介質掩膜層29，並利用光刻和刻蝕工藝在SiNx層上留出環形電極孔，用於電極接觸。

在第五步驟S5中：製作正面電極層30，通過所述的電極孔與所述的P型中心有源區27形成歐姆接觸，並利用光刻或者刻蝕工藝，製作出透光的窗口區。例如，採用光刻和電子束蒸發工藝，蒸發Ti/Pt/Au材料作為正面電極，與InP覆蓋層26形成歐姆接觸。同時，剝離後，保證P型中心有源區27上方為透光窗口區。

在第六步驟S6中：將所述的襯底20減薄後，在所述的襯底20背面製作背面電極層31。例如，將InP襯底20減薄至150～200μm厚，並拋光。再利用電子束蒸發技術，在InP襯底20背面蒸發Ti/Pt/Au材料製作背面電極層31。

在第七步驟S7中：對所述的雪崩光電二極體管芯進行分割解理，然後封裝，最終獲得的利用補償摻雜技術製備的如APD晶片結構的雪崩光電二極體如圖1所示。

本發明提出的APD製備方法與現有的平面工藝SAGCM結構APD晶片製備工藝相兼容，並基本沿用了現有APD晶片的外延結構，從而在不增加工藝複雜性的前提下，實現了對邊緣效應的有效抑制。同時，還具有晶片結構簡單，易於製備和可靠性高的特點。

儘管以上結合附圖對本發明的實施方案進行了描述，但本發明並不局限於上述的具體實施方案和應用領域，上述的具體實施方案僅僅是示意性的、指導性的，而不是限制性的。本領域的普通技術人員在本說明書的啟示下和在不脫離本發明權利要求所保護的範圍的情況下，還可以做出很多種的形式，這些均屬於本發明保護之列。