《一種免擴散的雪崩光電二極體及其製備方法》是武漢電信器件有限公司於2013年2月5日申請的專利，該專利的公布號為CN103094398A，公布日為2013年5月8日，發明人是岳愛文、胡艷、李晶、王任凡。該發明屬於晶片製造技術領域。
《一種免擴散的雪崩光電二極體及其製備方法》所述雪崩光電二極體包括襯底，所述襯底表面上依次生長有緩衝層、擴散阻擋層、雪崩倍增層、電場控制層、漸變層、光吸收層、腐蝕停止層、視窗層和接觸層，所述的視窗層位於腐蝕停止層的中心位置，所述腐蝕停止層於視窗層的周圍以及接觸層的上方均覆蓋有介質絕緣層，所述介質絕緣層上具有環形溝道。該發明選擇性腐蝕腐蝕出圓形的視窗層，視窗層以外的部分覆蓋有介質絕緣層，視窗層的大小可以直接定義雪崩光電二極體的光敏感區域，使雪崩光電二極體適用於不同速率環境下工作；另外在光吸收層靠近視窗層邊緣一側，儘管存在略強的電場，但不會在雪崩倍增層出現邊緣擊穿現象。
2017年12月11日，《一種免擴散的雪崩光電二極體及其製備方法》獲得第十九屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《一種免擴散的雪崩光電二極體及其製備方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種免擴散的雪崩光電二極體及其製備方法
- 申請人：武漢電信器件有限公司
- 申請日：2013年2月5日
- 申請號：2013100453878
- 公布日：2013年5月8日
- 公布號：CN103094398A
- 發明人：岳愛文、胡艷、李晶、王任凡
- 地址：湖北省武漢市洪山區郵科院路88號
- 分類號：H01L31/107(2006.01)I、H01L31/18(2006.01)I
- 代理機構：北京匯澤智慧財產權代理有限公司
- 代理人：張若華
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
雪崩光電二極體利用高電場加速電子或空穴載流子，使載流子與晶格發生碰撞，離化出二次電子或空穴載流子，二次載流子漂移出耗盡區從而實現光電流的放大。在光通信套用領域中，雪崩光電二極體作為一種高靈敏度的接收器件，廣泛套用於G-PON/E-PON的接入光網路和中長距離的長途幹線傳輸中。基於InP襯底的雪崩光電二極體大部分採用在n-InP襯底上依次生長n-InP緩衝層、InGaAs光吸收層、n-InP電場控制層和低摻雜的n-InP視窗層的製作方法，其製作過程中採用Zn熱擴散進入低摻雜的InP視窗層中，從而形成p型摻雜InP區域，通過控制擴散深度來確定雪崩倍增層的厚度，然而，此種擴散會在擴散區域的邊緣部分出現邊緣擊穿現象。因此，在雪崩光電二極體的製作工藝中出現各種方法來抑制邊緣擊穿現象的發生，這些方法包括離子注入的保護環方法、形成擴散台階的雙擴散方法、腐蝕部分場控制層重新掩埋生長視窗層，再擴散的方法等。但是，上述這些抑制邊緣擊穿的方法均需要複雜的工藝設計，而且需要對擴散濃度、深度等參數需要精確控制，方法的實現過程極其複雜，並且方法實現的抑制效果也十分有限。
發明內容
專利目的
該發明要解決的技術問題是提供一種免擴散的雪崩光電二極體及其製備方法，通過MOCVD或MBE方法生長完其外延結構後，其整體結構不需要擴散就可以實現抑制雪崩光電二極體製作中經常出現的邊緣擊穿現象的發生，並且該發明提供的免擴散的雪崩光電二極體的製作工藝過程十分簡單。
技術方案
《一種免擴散的雪崩光電二極體及其製備方法》提供一種免擴散的雪崩光電二極體，所述雪崩光電二極體包括襯底，所述襯底的表面依次生長有緩衝層、擴散阻擋層、雪崩倍增層、電場控制層、漸變層、光吸收層、腐蝕停止層、視窗層和接觸層，所述的視窗層位於腐蝕停止層的中心位置，所述腐蝕停止層於視窗層的周圍以及接觸層的上方均覆蓋有介質絕緣層，所述介質絕緣層上具有環形溝道，且所述環形溝道的深度滿足至少到達襯底的上方。
進一步地，所述介質絕緣層的中心具有環形視窗，該環形視窗的深度與介質絕緣層的厚度相同，且該環形視窗內填充有第一接觸電極層。進一步地，所述環形溝道內壁及底部均具有介質絕緣層，且環形溝道部分外側壁及底部均具有第一接觸電極層。進一步地，所述襯底的另一側表面具有第二金屬電極層。
進一步地，所述襯底為p-InP襯底，所述緩衝層為p-InP緩衝層，所述擴散阻擋層為p型摻雜層，所述雪崩倍增層為n-InP雪崩倍增層，所述電場控制層為n型摻雜層，所述漸變層為n-InGaAsP漸變層，所述光吸收層為n-InGaAs光吸收層，所述腐蝕停止層為InGaAsP腐蝕停止層，所述視窗層為n-InP視窗層。
進一步地，所述環形溝道的深度為進入襯底的內部0.1-3微米。進一步地，所述視窗層和接觸層為上下同心的圓形層，兩者的直徑尺寸相等，且均為25～70微米。進一步地，所述的環形溝道為與視窗層、接觸層同心的環形溝道結構，寬度為15～25微米，且所述環形溝道的內半徑比視窗層、接觸層的半徑長40～70微米。
該發明提供一種免擴散的雪崩光電二極體的製備方法，包括以下幾個步驟：
步驟一：在襯底的表面依次生長緩衝層、擴散阻擋層、雪崩倍增層、電場控制層、漸變層、光吸收層、腐蝕停止層、視窗層和接觸層；
步驟二：將視窗層、接觸層的邊緣部分腐蝕去除，保留中心位置，形成圓形區域的視窗層、接觸層；
步驟三：在腐蝕停止層上製備圍繞視窗層、接觸層的環形溝道，且環形溝道的深度至少滿足到達襯底表面；
步驟四：在腐蝕停止層和接觸層的表面沉積介質絕緣層，並在介質絕緣層上方中心位置製備環形視窗，並在所述環形視窗中沉積第一接觸電極層；
步驟五：在襯底的另一側表面沉積第二接觸電極層；
步驟六：按照所需晶片大小進行解理，形成所需尺寸的雪崩光電二極體。
改善效果
《一種免擴散的雪崩光電二極體及其製備方法》具有以下優點：
該發明提供的免擴散的雪崩光電二極體只需要在p-InP襯底上生長各個功能層，場控制層的厚度可以通過採用MOCVD或MBE方法實現0.3微米以下厚度的雪崩倍增層的精確控制，該發明提供的製備方法有利於設計和製作高速率雪崩光電二極體。
該發明提供的免擴散的雪崩光電二極體，其結構中的擴散阻擋層可以有效減小在生長過程中緩衝層的摻雜組分向雪崩倍增層中擴散，有利於生長出低摻雜濃度的雪崩倍增層。
該發明提供的免擴散的雪崩光電二極體，腐蝕停止層可以有效避免InGaAs光吸收層直接與介質絕緣層接觸，有利於降低雪崩光電二極體的表面漏電流，提高了雪崩光電二極體的可靠性。
該發明提供的免擴散的雪崩光電二極體，通過在n-InP視窗層中選擇性腐蝕腐蝕出圓形的n-InP區域即視窗層，該區域以外的部分均覆蓋有介質絕緣層，通過該區域的大小可以直接定義雪崩光電二極體的光敏感區域，使雪崩光電二極體適用不同速率工作，並且在InGaAs光吸收層靠近n-InP區域的邊緣一側，儘管存在略強的電場，但並不會在雪崩倍增層存在出現邊緣擊穿現象。
附圖說明
圖1：該發明提供的雪崩光電二極體的結構示意圖；
圖2：該發明提供的雪崩光電二極體的外延層結構圖；
圖3：該發明提供的雪崩光電二極體的結構中局部電場標示示意圖；
圖4：該發明模擬出的圖3中A-A位置的電場分布圖；
圖5：該發明模擬出的圖3中B-B位置的電場分布圖；
圖6：該發明模擬出的圖3中C-C位置的電場分布圖；
圖7：該發明模擬出的圖3中D-D位置的電場分布圖；
圖8：該發明模擬出的圖3中E-E位置的電場分布圖。
其中：1—襯底；2—緩衝層；3—擴散阻擋層；4—雪崩倍增層；5—電場控制層；6—漸變層；7—光吸收層；8—腐蝕停止層；9—視窗層；10—接觸層；11—介質絕緣層；12—接觸電極層；13—接觸電極層；14—溝道。
權利要求
1.一種免擴散的雪崩光電二極體，所述雪崩光電二極體包括襯底，所述襯底的表面依次生長有緩衝層、擴散阻擋層、雪崩倍增層、電場控制層、漸變層、光吸收層、腐蝕停止層、視窗層和接觸層，其特徵在於，所述的視窗層位於腐蝕停止層的中心位置，所述腐蝕停止層於視窗層的周圍以及接觸層的上方均覆蓋有介質絕緣層，所述介質絕緣層上具有環形溝道，且所述環形溝道的深度滿足至少到達襯底的上方。
2.根據權利要求1所述的免擴散的雪崩光電二極體，其特徵在於，所述介質絕緣層的中心具有環形視窗，該環形視窗的深度與介質絕緣層的厚度相同，且該環形視窗內填充有第一接觸電極層。
3.根據權利要求2所述的免擴散的雪崩光電二極體，其特徵在於，所述環形溝道內壁及底部均具有介質絕緣層，且環形溝道部分外側壁及底部均具有第一接觸電極層。
4.根據權利要求3所述的免擴散的雪崩光電二極體，其特徵在於，所述襯底的另一側表面具有第二金屬電極層。
5.根據權利要求4所述的免擴散的雪崩光電二極體，其特徵在於，所述襯底為p-InP襯底，所述緩衝層為p-InP緩衝層，所述擴散阻擋層為p型摻雜層，所述雪崩倍增層為n-InP雪崩倍增層，所述電場控制層為n型摻雜層，所述漸變層為n-InGaAsP漸變層，所述光吸收層為n-InGaAs光吸收層，所述腐蝕停止層為InGaAsP腐蝕停止層，所述視窗層為n-InP視窗層。
6.根據權利要求5所述的免擴散的雪崩光電二極體，其特徵在於，所述環形溝道的深度為進入襯底的內部0.1-3微米。
7.根據權利要求6所述的免擴散的雪崩光電二極體，其特徵在於，所述視窗層和接觸層為上下同心的圓形層，兩者的直徑尺寸相等，且均為25～70微米。
8.根據權利要求7所述的免擴散的雪崩光電二極體，其特徵在於，所述的環形溝道為與視窗層、接觸層同心的環形溝道結構，寬度為15～25微米，且所述環形溝道的內半徑比視窗層、接觸層的半徑長40～70微米。
9.一種免擴散的雪崩光電二極體的製備方法，其特徵在於，包括以下幾個步驟：
步驟一：在襯底的表面依次生長緩衝層、擴散阻擋層、雪崩倍增層、電場控制層、漸變層、光吸收層、腐蝕停止層、視窗層和接觸層；
步驟二：將視窗層、接觸層的邊緣部分腐蝕去除，保留中心位置，形成圓形區域的視窗層、接觸層；
步驟三：在腐蝕停止層上製備圍繞視窗層、接觸層的環形溝道，且環形溝道的深度至少滿足到達襯底表面；
步驟四：在腐蝕停止層和接觸層的表面沉積介質絕緣層，並在介質絕緣層上方中心位置製備環形視窗，並在所述環形視窗中沉積第一接觸電極層；
步驟五：在襯底的另一側表面沉積第二接觸電極層。
實施方式
該實施例提供的一種免擴散的雪崩光電二極體，如圖1和圖2所示，在襯底1上依次生長緩衝層2、擴散阻擋層3、雪崩倍增層4、電場控制層5、漸變層6、光吸收層7、腐蝕停止層8、視窗層9和接觸層10。所述襯底1優選為p-InP襯底。所述緩衝層2優選p-InP緩衝層。所述擴散阻擋層3為p型摻雜層，該擴散阻擋層3材料優選為AlInAs、AlGaInAs或InGaAsP，或者是以上幾種材料的兩種以上的組合，組合時比例不限。當擴散阻擋層3選擇組合材料時，優選組合後材料中含有Al或Ga組分，而且擴散阻擋層3中的摻雜成分不容易向相鄰材料層中擴散。所述雪崩倍增層4為n-InP雪崩倍增層。所述電場控制層5為n型摻雜層。電場控制層5的材料可以是InP或InGaAsP。所述漸變層6為n-InGaAsP漸變層。所述光吸收層7為n-InGaAs光吸收層。所述腐蝕停止層8為InGaAsP腐蝕停止層。所述視窗層9為n-InP視窗層。在腐蝕停止層8上通過選擇性化學腐蝕留下圓形的接觸層10和視窗層9。所述電場控制層5為InGaAsP時，所述接觸層10為InGaAsP接觸層，所述視窗層9為n-InP區域。所述腐蝕停止層8的表面中心位置形成有視窗層9，所述視窗層9的上方有接觸層10，所述腐蝕停止層8在視窗層9的周圍位置覆蓋有介質絕緣層11，視窗層9上方覆蓋有接觸層10。所述的襯底1、緩衝層2、擴散阻擋層3、雪崩倍增層4、電場控制層5、漸變層6、n-InGaAs光吸收層7、腐蝕停止層8、視窗層9、接觸層10和介質絕緣層11上存在降低暗電流的環形溝道14，環形溝道14從上至下，溝道深度滿足至少到達襯底1上方，當然也可以進入襯底1內部0.1-3微米，所述介質絕緣層11同時作為增透膜。且所述環形溝道14的內壁及底部均覆蓋有介質絕緣層11。所述介質絕緣層11的中心位置上具有環形視窗，該環形視窗與接觸層10和視窗層9為同心的圓形結構，該環形視窗的深度與介質絕緣層11的厚度相同，且該環形視窗內具有第一接觸電極層12，同時所述環形溝道14的部分外側壁及底部均具有第一接觸電極層。所述的襯底1的另一側表面（即背面）設定有第二接觸電極層13。
該實施例提供的一種免擴散的雪崩光電二極體的製作方法包括以下幾個步驟：
步驟一：在Zn摻雜濃度為1～3e18厘米的p-InP襯底1上使用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）或分子束外延（MBE）來依次生長下列各層：摻Zn或C載流子濃度為0.5～1e18厘米、厚度為0.2～1.0微米的InP緩衝層2，摻C載流子濃度為1～3e18厘米、厚度為1.0～2.0微米的InP擴散阻擋層3，濃度為低於5e15厘米、厚度為0.2～1.0微米的InP雪崩倍增層4，摻雜濃度為0.1～1e18厘米、厚度為0.05～0.5微米的InP電場控制層5，摻雜濃度低於1e16厘米，厚度為0.06～0.12微米的InGaAsP漸變層6，摻雜濃度低於5e15厘米、厚度為0.8～3.0微米的InGaAs光吸收層7；帶隙為1.2eV、摻雜濃度低於2e15厘米，厚度為0.2～0.5微米的InGaAsP腐蝕停止層8；摻雜濃度為1～3e18厘米、厚度為1.0微米的InP視窗層9，摻雜濃度低於5e15厘米，帶隙為1.2eV、厚度為0.06～0.12微米的InGaAsP或InGaAs接觸層10。
所述的雪崩倍增層4、電場控制層5、漸變層6、光吸收層7和腐蝕停止層8中的摻雜元素均可以為Si或S。其中所述的緩衝層2可以採用Zn或碳摻雜，優選採用碳摻雜，擴散阻擋層3的材料優選為InP、InGaAsP或AlGaInAs，並優選該層採用碳作p型摻雜通過該步驟一製備得到的雪崩光電二極體晶片的各外延層結構如圖2所示。
步驟二：在步驟一製備得到的晶片的接觸層10表面上旋塗光刻膠，通過光刻工藝，在接觸層10表面上形成直徑為25～70微米的圓形光刻膠區域，然後將晶片置於H2SO4、H2O2和H2O構成的混合溶液中腐蝕10~180秒。H2SO4:H2O2:H2O體積比為1:1:1，該混合溶液也可以使用H3PO4、H2O2、H2O構成的混合溶液，具體的混合體積比例可以根據實際的腐蝕時間需要進行選擇，腐蝕時間取決於組分比例。然後再置於HCl和H3PO4的混合溶液中腐蝕1～2分鐘後取出並去除光刻膠，HCl和H3PO4混合時的體積比1：3。通過兩次腐蝕，並通過中心區域的光刻膠的保護，使視窗層9和接觸層10僅對應中心圓形光刻膠區域的位置有保留，其餘位置均腐蝕掉，通過該過程的兩次腐蝕，在晶片表面分別順次形成一直徑為25～70微米的圓形接觸層10和n-InP區域9。
步驟三：在腐蝕停止層8表面，處於圓形接觸層10和n-InP區域9的外圍旋塗光刻膠，並在光刻膠上開出一個寬度為15～25微米，並且與視窗層9、接觸層10同心的圓環，該圓環的內半徑優選為比視窗層9、接觸層10的半徑長40～70微米。再將晶片浸泡在飽和Br2水：HBr:H2O的體積比1:1:3的混合溶液中腐蝕，對應所開設的圓環位置，向晶片內部腐蝕出一個具有一定深度的環形溝道14。所述環形溝道14的深度滿足到達襯底1，可以為達到襯底1的表面停止，也可以為進入襯底1內部0.1~3微米。
步驟四：通過化學氣象沉積（PECVD）在步驟三處理晶片的腐蝕停止層8和接觸層10上澱積介質絕緣層11，且同時環形溝道14的內壁及底部也均沉積有介質絕緣層11。所述介質絕緣層11可以是SiNx或SiNx/SiO2複合介質絕緣層，如為SiNx時，SiNx的厚度1600~1800Å；如為複合介質絕緣層時，SiNx的厚度1100~2200Å，SiO2的厚度2000~5000Å。通過光刻和反應離子刻蝕（RIE）開出一個與視窗區9同心的環形視窗，該環形視窗寬度3～5微米。然後在得到的晶片的環形視窗處，通過光刻工藝，依此蒸發Ti、Pt、Au金屬層，Ti、Pt、Au金屬層的各層厚度分別為300~500Å、500~900Å、5000Å，蒸發完成後超聲剝離掉光刻膠及其表面上的金屬層，形成n型第一接觸電極層12，在蒸發第一接觸電極層12時，使所述環形溝道14的部分內壁以及底部也均蒸發有n型第一接觸電極層12。
步驟五：減薄晶片p-InP襯底1的另一面，並經過Br2甲醇溶液（Br2的質量百分比為0.1%～1%）化學拋光，將晶片厚度控制到150～180微米。在拋光一面依次蒸發厚度為500Å、600Å、5000Å的Ti、Pt、Au金屬層，形成p型第二接觸電極層13。
步驟八：將經步驟七處理後的晶片進行解理，形成300×300微米的雪崩光電二極體晶片。
該發明提供的免擴散的雪崩光電二極體，通過在n-InP視窗層中選擇性腐蝕腐蝕出圓形的n-InP區域及後期的視窗層9，該區域以外的部分覆蓋有介質絕緣層11，一方面，視窗層9的大小可以直接定義雪崩光電二極體的光敏感區域，使雪崩光電二極體適用不同速率下工作；另一方面，在InGaAs光吸收層7靠近n-InP區域邊緣一側，儘管存在略強的電場，但並不會在雪崩倍增層4存在邊緣擊穿顯現。該發明的雪崩光電二極體各個重要電場的位置中心雪崩區A-A、邊緣區域B-B、遠離雪崩區的區域C-C、吸收區橫向D-D和雪崩區橫向E-E，如圖3所示，通過模擬計算出在施加0.98倍的擊穿電壓下，雪崩光電二極體內各位置的電場分布如圖4-圖8。在中心A-A處，倍增區電場為500-525千伏/厘米，在邊緣B-B處，倍增區電場為500千伏/厘米，在C-C處，倍增區電場為440千伏/厘米，而吸收區的電場降低到25千伏/厘米，遠低於中心區A-A處吸收區電場75-100千伏/厘米。在吸收區D-D處，位於n-InP區域邊緣的電場略高於中心區電場。在倍增層E-E處，並不存在明顯的邊緣電場，在遠離中心雪崩區，電場迅速降低。模擬計算表明，不會存在邊緣擊穿現象。
榮譽表彰
2017年12月11日，《一種免擴散的雪崩光電二極體及其製備方法》獲得第十九屆中國專利優秀獎。
