突髮式光模塊用淺溝柵狀背光探測器及其製作方法

2023-05-13 02:43:21

專利名稱：突髮式光模塊用淺溝柵狀背光探測器及其製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光通信中突髮式光模塊用背光探測器的結構和主要製作方法，特別涉及一種淺溝柵狀背光探測器的晶片結構及其主要製作工藝。
背景技術：
光接入網E-POM和G-PON正向高速、大容量方向發展，目前最高傳輸速率已達lOGb/s，其中關鍵光電子器件是高速雷射器(LD)、光探測器和LD用的背光探測器。對高速突髮式光收發模塊來說，有比較苛刻的快速響應和快速關斷時間要求。而這種要求滿足與否，主要取決於雷射器和探測器的性能和相關電路情況。對高速突髮式光發射模塊來說，通常要採用背光探測器來檢測雷射器前光信號的快速響應和發射光功率的變化，以期對雷射工作狀態進行實時調整。但發射端的背光探測器和接收端的光探測器的區別較大，主要體現在發送光信號接收點的位置和光敏面大小不同。具體來說，對接收端的光探測器，它和耦合光纖的位置離得很近，一般僅有2-10微米，光敏面直徑在30-50微米，其P-N結電容在O. 3-1. OPf範圍，這樣RC時間就較小，對光信號的響應速度就比較快；而發射端LD用的背光探測器，與LD背光發射面離得較遠，一般在1. 5-2. 5毫米範圍，而且，考慮到背光發散角和耦合難易程度，背光探測器光敏面面積一般設計得都較大，通常是前光探測器面積的16-36倍(直徑4-6倍)。這樣，背光探測器的PN結電容就比較大，是接收端光探測器結電容的16-36倍。此外，由 於雜散光和入射到光敏區邊緣的信號光產生非平衡載流子，它們通過擴散運動到PN結區時間比較長(與高電場下載流子漂移運動相比)。這種光生載流子擴散運動佔時比較長的光稱為「慢光」，它們將使光信號關斷後產生電脈衝信號的「拖尾」。現有光模塊中背光探測器(常稱MPD)，通常是大面積的PIN型結構，它的PN結電容較大，而且光纖對準可能偏移，使光敏面邊緣產生慢速擴散運動的非平衡載流子。由於PN結電容較大和光纖可能偏移，將引起光脈衝信號開啟延遲和光關斷後電脈衝信號「拖尾」現象。實踐表明，平面擴散型PIN光電二極體響應電流都有程度不同的光開延遲和光關「拖尾」現象。所謂拖尾，就是光信號關斷後，由光引起的光生載流子不是立即耗盡，而是慢慢流盡。經測試，在光發射信號停止後，背光探測器中的電流，在現有狀態下，要經過300 2000ns後才會消失，而高速突發光模塊用的背光探測器要求拖尾時間小於100ns。如果把光敏面大大減小，雖然可以減小PN結電容，但不能避免邊緣區慢速擴散的光生載流子。這不僅沒有徹底解決拖尾現象，而且又引起光耦合困難和光耦合效率降低。當然，為了避免慢速運動的光生載流子形成，可以把進光面P性電極加寬，但這樣一來等效PN結電容增加了，由RC效應引起的拖尾現象仍然沒有很好解決。

發明內容
有鑑於此，本發明的主要目的在於提供一種有效減小器件的PN結電容從而減小光開啟延時及光關斷拖尾時間的突髮式光模塊用背光探測器及其製作方法。
為達到上述目的，本發明提供一種突髮式光模塊用淺溝柵狀背光探測器，其由底部至上部依次包括有n+-1nP襯底、高濃度摻雜的n-1nP過渡層、中等濃度摻雜的n_InP緩衝層、非故意摻雜的InGaAs光吸收層、擴鋅的P-1nP覆蓋層、P+-1nGaAs電接觸層及SiO2保護層，該覆蓋層與電接觸層內形成有淺溝刻蝕區，該淺溝刻蝕區下方位於該光吸收層內形成有氫離子注入高阻區，在該SiO2保護層上設有環狀的金屬電極，該金屬電極包圍該淺溝刻蝕區，該金屬電極外圍設有金屬擋光層。所述襯底濃度為(1-3) XlO1Vcm3,厚度為250-300微米；所述過渡層濃度為(2-4) X IO1Vcm3,厚度為O. 5-0. 8微米；所述緩衝層濃度為(4_6) X IO1Vcm3,厚度為
O.8-1. O微米；所述光吸收層濃度為〈IX 1015/cm3，厚度為1. 8-2. O微米；所述覆蓋層濃度為〈5XlO1Vcm3,厚度為O. 35-0. 45微米；所述電接觸層濃度為〈5X 1015/cm3，厚度為
O.10-0. 12 微米。所述金屬擋光層與金屬電極之間有一絕緣區隔離，該絕緣區寬度為4. 0-6. O μ m。

所述淺溝刻蝕區的淺溝深度為O. 45-0. 50 μ m,溝寬5. 0-6. O μ m,相鄰淺溝條間隔為5. 0-6. O μ m,所述氫離子注入高阻區深度為1. 4-1. 6 μ m,所述氫離子注入高阻區的寬度為 5. 0-6. O μ m。所述金屬電極由鋅金合金構成，厚度為4500-5000埃，金屬條寬為10_15μπι，金屬焊盤直徑為40-45 μ m ;所述金屬擋光層為金鋅合金,金屬層厚為4000-5000埃，寬度為15-20 μ mD本發明還提供一種突髮式光模塊用淺溝柵狀背光探測器的製作方法，該方法包括
步驟一、首先製作背光探測器的層次結構，清洗摻S襯底片，利用氣相外延、掩膜澱積及光刻腐蝕在摻S襯底上依次外延生長高濃度摻雜的n-1nP過渡層、中等濃度摻雜的n-1nP緩衝層、非故意摻雜的InGaAs光吸收層、P-1nP覆蓋層及P+-1nGaAs電接觸層；
步驟二、採用兩次擴散技術，在P-1nP覆蓋層和InGaAs電接觸層中擴鋅；
步驟三、採用反應離子刻蝕技術把晶片光敏區的P-1nP覆蓋層和P+-1nGaAs電接觸層的部分區域刻蝕成淺溝條狀結構；
步驟四、採用兩次氫離子疊加注入，在淺溝條狀結構下面的InGaAs光吸收層製作氫離子注入高阻區；
步驟五、進行SiO2澱積，形成SiO2保護層；
步驟六、採用光刻P面電極窗口和標記、溼法去膠及電子束蒸發金/鋅合金在SiO2保護層上形成環狀的金屬電極，該金屬電極包圍該淺溝條狀結構；
步驟七、在SiO2保護層上形成金屬擋光層，該金屬擋光層圍繞裡邊環狀的金屬電極排布。所述步驟二中，第一次擴散在530攝氏度、壓強為225乇、二甲基鋅流量為5標況暈升每分，擴散15分鐘；第二次擴散在相同溫度和壓強下，以二甲基鋅流量為10標況暈升每分，擴散5分鐘；使其外延層P-1nP覆蓋層和InGaAs電接觸層中擴Zn，濃度分別為達到(4-6) X IO1Vcm3 和(1-2) X IO1Vcm30所述淺溝條狀結構的淺溝深度為O. 45-0. 50 μ m，溝寬為5. 0-6. O μ m，相鄰淺溝條間隔為 5. 0-6. O μ m。
在所述步驟四種，被氫離子注入的晶片法線與注入離子束成7°- 8°，氫離子注入能量、劑量分別為120KeV、5X1014 /cm2，兩次疊加注入深度為1. 4-1. 6 μ m，然後在180°C下退火30分種；所述氫離子注入高阻區深度為1. 4-1. 6 μ m，所述氫離子注入高阻區的寬度為5. 0-6. O μ mD所述金屬電極由鋅金合金構成，厚度為4500-5000埃，金屬條寬為10_15μπι，金屬焊盤直徑為40-45 ym;所述金屬擋光層為金鋅合金，金屬層厚為4000-5000埃，寬度為15-20 μ m;所述金屬擋光層與金屬電極之間有一絕緣區隔離，該絕緣區寬度為
4.0-6. O μ m。 本發明在臨近晶片光敏區的邊緣製作一個較寬的金屬擋光環，該擋光環與環狀P性電極之間有一很窄的絕緣區(SiO2)隔離(此隔離寬度受到光刻精度的限制，一般為3-5微米)，從而不增加光敏區面積和等效PN結電容。因此，臨近光敏面邊緣區的光就被金屬擋光層反射回去了，可避免光敏面邊緣可能產生的入射光生載流子慢速擴散運動。同時本發明的淺溝柵狀氫離子高阻隔離區可有效減少光敏區的面積和PN結電容，達到進一步減小光脈衝信號的開啟延遲和光關斷後的電脈衝拖尾。


圖1a為本發明突髮式光模塊用淺溝柵狀背光探測器總體結構剖面 圖1b為本發明突髮式光模塊用淺溝柵狀背光探測器總體結構俯視 圖2為本發明突髮式光模塊用淺溝柵狀背光探測器的內部層次結構示意 圖3為本發明突髮式光模塊用淺溝柵狀背光探測器的淺溝結構示意 圖4為本發明突髮式光模塊用淺溝柵狀背光探測器的H離子注入區結構示意圖。
具體實施例方式為便於對本發明高速突髮式光模塊用淺溝柵狀背光探測器的晶片結構和主要製作工藝有進一步的了解，現結合附圖並舉較佳實施例詳細說明如下。如圖1a與圖1b及圖2所示，本發明突髮式光模塊用淺溝柵狀背光探測器的晶片的總體結構，其由底部至上部依次包括有n+-1nP襯底1、高濃度摻雜的n-1nP過渡層2、中等濃度摻雜的n-1nP緩衝層3、非故意摻雜的InGaAs光吸收層4、擴Zn的P-1nP覆蓋層5、P+-1nGaAs電接觸層8及SiO2保護層9，該覆蓋層5與電接觸層8內形成有淺溝刻蝕區6，該淺溝刻蝕區6下方位於光吸收層4內形成有氫離子注入高阻區7 (如圖4所示)，在SiO2保護層9上設有環狀的金屬電極11，該金屬電極11包圍該淺溝刻蝕區6，該金屬電極11外圍設有金屬擋光層10。本發明突髮式光模塊用淺溝柵狀背光探測器的工藝參數為摻雜S的n+-1nP襯底1，濃度為(1-3) X IO1Vcm3,厚度為250-300微米；高濃度摻雜的n_InP過渡層2，濃度為(2-4) X IO1Vcm3,厚度為O. 5-0. 8微米；中等濃度摻雜的n_InP緩衝層3，濃度為(4-6) X IO1Vcm3,厚度為O. 8-1. O微米；非故意摻雜的InGaAs光吸收層4，濃度為〈I X IO15/cm3，厚度為1. 8-2. O微米；非故意摻雜的外延的P-1nP覆蓋層5，濃度為〈5 X IO1Vcm3，厚度為O. 35-0. 45微米;非故意摻雜的外延的P+ -1nGaAs電接觸層8，濃度為<5 X IO1Vcm3,厚度為O. 10-0. 12微米。
本發明的突髮式光模塊用淺溝柵狀背光探測器的製作方法包括有如下步驟1、首先製作背光探測器的層次結構，清洗摻S襯底片,利用氣相外延(Metal-organicChemical Vapor Deposition,金屬有機化合物化學氣相沉澱)、掩膜澱積及光刻腐蝕在摻S襯底I上依次外延生長高濃度摻雜的n-1nP過渡層2、中等濃度摻雜的n_InP緩衝層3、非故意摻雜的InGaAs光吸收層4、P-1nP覆蓋層5及P+-1nGaAs電接觸層8。2、採用兩次擴散技術，在P-1nP覆蓋層5和InGaAs電接觸層8擴Zn，第一次擴散在530攝氏度、壓強為225乇、二甲基鋅流量為5標況毫升每分，擴散15分鐘；第二次擴散在相同溫度和壓強下，以二甲基鋅流量為10標況毫升每分，擴散5分鐘；使其外延層P-1nP覆蓋層5和InGaAs電接觸層8中擴Zn，即形成P+-1nGaAs,濃度分別為達到(4-6) X IO16/cm3和(1-2) X IO1Vcm3,然後除去殘留掩膜，澱積新掩膜。3、如圖3所示，採用反應離子刻蝕(或化學腐蝕)技術把晶片光敏區的P-1nP覆蓋層5和P+-1nGaAs電接觸層8的部分區域刻蝕成淺溝條狀結構，即淺溝刻蝕區6，淺溝深度為O. 45-0. 50 μ m，溝寬為5. 0-6. O μ m，相鄰淺溝條間隔為5. 0-6. O μ m。4、如圖4所示，採用兩次氫離子疊加注入、低溫退火等工藝在淺溝條狀結構下面的InGaAs光吸收層4製作氫離子注入高阻區7，兩次注入氫離子，以獲得電隔離所需的高阻區，氫離子注入高阻區7對表面入射光起散射和阻隔作用，由於不存在PN結，也就有效減小了光敏PN結總電容。為避免溝道效應，並獲得氫離子均勻分布，被氫離子注入的晶片法線與注入離子束成7°- 8°，氫離子注入能量、劑量分別為120KeV、5X1014 /cm2，兩次疊加注入深度為1. 4-1. 6 μ m ;然後在180°C下退火30分種，以消除反應離子刻蝕和離子注入引起的晶格損傷。該氫離子注入高阻區7的寬度等同於上方的淺溝條狀結構的溝寬，即
5.0-6. O μ mD5、進行SiO2澱積 ，形成SiO2保護層9。6、採用光刻P面電極窗口和標記、溼法去膠及電子束蒸發金/鋅合金在SiO2保護層9上形成P面電極，即金屬電極11，該金屬電極11為環狀結構，並包圍淺溝刻蝕區6。金屬電極11由Zn/Au合金構成，厚度為4500-5000埃，金屬條寬10-15 μ m,而金屬焊盤直徑為40-45 μm。7、在SiO2保護層9上形成金屬擋光層10，該金屬擋光層10圍繞裡邊環狀金屬電極11排布，該金屬擋光層為金鋅合金(Au/Zn)，金屬層厚為4000-5000埃，寬度為15-20 μ m，金屬擋光層10內側與金屬電極11之間間距為4. 0-6. O μ m。金屬擋光層10其作用是利用其反射掉可能存在的入射信號光和雜散光，避免擋光層下面非故意摻雜的InGaAs光吸收層4層產生光生載流子，從而避免光關斷後引起的拖尾現象。此外，在光敏區淺溝柵狀的頂層也有相同的金屬擋光層。本發明突髮式光模塊用的淺溝柵狀背光探測器的製作方法，主要工藝為氣相外延、介質澱積、光刻腐蝕、Zn掩蔽擴散、等離子刻蝕、氫離子注入、低溫退火和金屬蒸發等。本發明之所以提出淺溝柵狀結構，是因為1)Ρ-ΙηΡ覆蓋層和P+-1nGaAs電接觸層中的Zn摻雜濃度很高，一般在(I X IO16-1 X IO18 ) cm_3範圍，氫離子注入區不足以補償該處高摻雜，從而可能形成導電層，這將起不到電隔離作用。所以採用反應離子刻蝕技術把高濃度摻雜區除去，形成淺溝條狀結構，刻蝕深度為(O. 45-0. 50)微米，寬度為5. 0-6. O微米；
2)考慮氫離子注入深度受限，為彌補深度不足，增加上述淺溝。通常，氫離子在InP/InGaAs材料中的最大注入深度為I微米，氫離子兩次疊加注入深度為1. 4-1. 6微米，考慮到入射到InGaAs光的吸收效率，其層厚度應為1. 6微米以上。如果淺溝深度為(O. 45-0. 50)微米，氫離子注入深度為1. 4-1. 6微米，這樣隔離區總深度也可達1. 8微米以上，從而更有效地限制了透入入射光。本發明在臨近晶片光敏區的邊緣製作一個較寬的金屬擋光環，該擋光環與環狀P性電極之間有一很窄的絕緣區(SiO2)隔離(此隔離寬度受到光刻精度的限制，一般為
4.0-6. O微米)，從而不增加光敏區面積和等效PN結電容。因此，臨近光敏面邊緣區的光就被金屬擋光層反射回去了，可避免光敏面邊緣可能產生的入射光生載流子慢速擴散運動。為了減小探測器光敏區的PN結電容，本發明特別設計製作了淺溝柵狀氫離子高阻隔離區，從而有效減少光敏區的面積和PN結電容，達到進一步減小光脈衝信號的開啟延遲和光關斷後的電脈衝拖尾。本發明的主要效果和技術特點是
一、晶片結構中臨近光敏區邊緣設置隔離的金屬擋光環，能有效避免邊緣區的慢速運動的光生載流子，且不增加光敏區PN結總電容，從而大大減小光關斷後的電脈衝拖尾時間。金屬擋光環圍繞環狀P性金屬電極，與其有3-5微米的隔離距離，而且，在該隔離表面有絕緣的SiO2膜保護膜；
二、晶片結構中光敏區有特定設計製作的淺溝隔離區，它能克服P-1nP覆蓋層和P+-1nGaAs電接觸層中摻雜濃度高而引起的高阻隔離不足和注入深度不足問題。該淺溝隔離區採用反應離子刻蝕形成，刻蝕深度為O. 45-0. 50微米，寬度為5. 0-6. O微米； 三、淺溝下進行氫離子注入形成高阻隔離區，有效減小了光敏區PN結電容，從而有利於減小光關斷後的電脈衝拖尾時間，採用兩次氫離子疊加注入，深度可達1. 4-1. 6微米，寬度與淺溝區相同；
四、氫離子注入與擴散摻雜工藝相比，具有工藝製作溫度低、雜質橫向擴散小、注入深度精度控制高等特點。在光模塊背光探測器晶片的InP/InGaAs/InP異質結構中，採用氫離子注入，目前尚未見報導。以上所述，僅為本發明的較佳實施例而已，並非用於限定本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種突髮式光模塊用淺溝柵狀背光探測器，其特徵在於，其由底部至上部依次包括有n+-1nP襯底、高濃度摻雜的n-1nP過渡層、中等濃度摻雜的n_InP緩衝層、非故意摻雜的 InGaAs光吸收層、擴鋅的P-1nP覆蓋層、P+-1nGaAs電接觸層及SiO2保護層，該覆蓋層與電接觸層內形成有淺溝刻蝕區，該淺溝刻蝕區下方位於該光吸收層內形成有氫離子注入高阻區，在該SiO2保護層上設有環狀的金屬電極，該金屬電極包圍該淺溝刻蝕區，該金屬電極外圍設有金屬擋光層。
2.如權利要求1所述的突髮式光模塊用淺溝柵狀背光探測器，其特徵在於，所述襯底濃度為(1-3) XlO1Vcm3,厚度為250-300微米；所述過渡層濃度為(2_4) X 1017/cm3，厚度為O. 5-0. 8微米；所述緩衝層濃度為(4-6) X IO1Vcm3,厚度為O. 8-1. O微米；所述光吸收層濃度為〈I XlO1Vcm3,厚度為1. 8-2. O微米；所述覆蓋層濃度為〈5 X 1015/cm3，厚度為O.35-0. 45微米;所述電接觸層濃度為<5X 1015/cm3，厚度為O. 10-0. 12微米。
3.如權利要求1所述的突髮式光模塊用淺溝柵狀背光探測器，其特徵在於，所述金屬擋光層與金屬電極之間有一絕緣區隔離，該絕緣區寬度為4. 0-6. O μ m。
4.如權利要求1所述的突髮式光模塊用淺溝柵狀背光探測器，其特徵在於，所述淺溝刻蝕區的淺溝深度為O. 45-0. 50 μ m，溝寬5. 0-6. Oym,相鄰淺溝條間隔為5. 0-6. O μ m，所述氫離子注入高阻區深度為1. 4-1. 6 μ m,所述氫離子注入高阻區的寬度為5. 0-6. O μ m。
5.如權利要求1所述的突髮式光模塊用淺溝柵狀背光探測器，其特徵在於，所述金屬電極由鋅金合金構成，厚度為4500-5000埃，金屬條寬為10-15μ m，金屬焊盤直徑為 40-45 μ m ;所述金屬擋光層為金鋅合金，金屬層厚為4000-5000埃，寬度為15-20 μ m。
6.一種突髮式光模塊用淺溝柵狀背光探測器的製作方法，其特徵在於，該方法包括步驟一、首先製作背光探測器的層次結構，清洗摻S襯底片，利用氣相外延、掩膜澱積及光刻腐蝕在摻S襯底上依次外延生長高濃度摻雜的n-1nP過渡層、中等濃度摻雜的n-1nP 緩衝層、非故意摻雜的InGaAs光吸收層、P-1nP覆蓋層及P+-1nGaAs電接觸層；步驟二、採用兩次擴散技術，在P-1nP覆蓋層和InGaAs電接觸層中擴鋅；步驟三、採用反應離子刻蝕技術把晶片光敏區的P-1nP覆蓋層和P+-1nGaAs電接觸層的部分區域刻蝕成淺溝條狀結構；步驟四、採用兩次氫離子疊加注入，在淺溝條狀結構下面的InGaAs光吸收層製作氫離子注入高阻區；步驟五、進行SiO2澱積，形成SiO2保護層；步驟六、採用光刻P面電極窗口和標記、溼法去膠及電子束蒸發金/鋅合金在SiO2保護層上形成環狀的金屬電極，該金屬電極包圍該淺溝條狀結構；步驟七、在SiO2保護層上形成金屬擋光層，該金屬擋光層圍繞裡邊環狀的金屬電極排布。
7.如權利要求6所示的突髮式光模塊用淺溝柵狀背光探測器的製作方法，其特徵在於，所述步驟二中，第一次擴散在530攝氏度、壓強為225乇、二甲基鋅流量為5標況毫升每分，擴散15分鐘；第二次擴散在相同溫度和壓強下，以二甲基鋅流量為10標況毫升每分，擴散5分鐘；使其外延層P-1nP覆蓋層和InGaAs電接觸層中擴Zn，濃度分別為達到 (4-6) X IO1Vcm3 和(1-2) X IO1Vcm30
8.如權利要求6所示的突髮式光模塊用淺溝柵狀背光探測器的製作方法，其特徵在於，所述淺溝條狀結構的淺溝深度為O. 45-0. 50 μ m，溝寬為5. 0-6. O μ m，相鄰淺溝條間隔為 5. 0-6. O μ m。
9.如權利要求6所示的突髮式光模塊用淺溝柵狀背光探測器的製作方法，其特徵在於，在所述步驟四種，被氫離子注入的晶片法線與注入離子束成7°- 8°，氫離子注入能量、 劑量分別為120KeV、5X1014 /cm2，兩次疊加注入深度為1. 4-1. 6 μ m，然後在180°C下退火30分種；所述氫離子注入高阻區深度為1. 4-1. 6 μ m，所述氫離子注入高阻區的寬度為5.0-6. O μ m。
10.如權利要求6所示的突髮式光模塊用淺溝柵狀背光探測器的製作方法，其特徵在於，所述金屬電極由鋅金合金構成，厚度為4500-5000埃，金屬條寬為10-15 μ m, 金屬焊盤直徑為40-45 ym;所述金屬擋光層為金鋅合金，金屬層厚為4000-5000埃, 寬度為15-20 μ m;所述金屬擋光層與金屬電極之間有一絕緣區隔離，該絕緣區寬度為4.0-6. O μ m。
全文摘要
本發明提供一種突髮式光模塊用淺溝柵狀背光探測器及其製作方法，該背光探測器由底部至上部依次包括有n+-InP襯底、高濃度摻雜的n-InP過渡層、中等濃度摻雜的n-InP緩衝層、非故意摻雜的InGaAs光吸收層、擴鋅的P-InP覆蓋層、P+-InGaAs電接觸層及SiO2保護層，該覆蓋層與電接觸層內形成有淺溝刻蝕區，該淺溝刻蝕區下方位於該光吸收層內形成有氫離子注入高阻區，在該SiO2保護層上設有環狀的金屬電極，該金屬電極包圍該淺溝刻蝕區，該金屬電極外圍設有金屬擋光層。本發明的淺溝柵狀氫離子高阻隔離區可有效減少光敏區的面積和PN結電容，達到減小光脈衝信號的開啟延遲和光關斷後的電脈衝拖尾。
文檔編號H01L31/109GK103050565SQ20121057378
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月26日 優先權日2012年12月26日
發明者丁國慶, 唐琦, 胡長飛 申請人:華工科技產業股份有限公司