专利名称：一种免扩散的雪崩光电二极管及其制备方法
技术领域：
本发明属于芯片制造技术领域，具体涉及一种免扩散的雪崩光电二极管及其制备方法。
背景技术：
雪崩光电二极管利用高电场加速电子或空穴载流子，使载流子与晶格发生碰撞，离化出二次电子或空穴载流子，二次载流子漂移出耗尽区从而实现光电流的放大。在光通信应用领域中，雪崩光电二极管作为一种高灵敏度的接收器件，广泛应用于G-P0N/E-P0N的接入光网络和中长距离的长途干线传输中。基于InP衬底的雪崩光电二极管大部分采用在n-1nP衬底上依次生长n-1nP缓冲层、InGaAs光吸收层、n-1nP电场控制层和低掺杂的n-1nP窗口层的制作方法，其制作过程中采用Zn热扩散进入低掺杂的InP窗口层中，从而形成P型掺杂InP区域，通过控制扩散深度来确定雪崩倍增层的厚度，然而，此种扩散会在扩散区域的边缘部分出现边缘击穿现象。因此，在雪崩光电二极管的制作工艺中出现各种方法来抑制边缘击穿现象的发生，这些方法包括离子注入的保护环方法、形成扩散台阶的双扩散方法、腐蚀部分场控制层重新掩埋生长窗口层，再扩散的方法等。但是，上述这些抑制边缘击穿的方法均需要复杂的工艺设计，而且需要对扩散浓度、深度等参数需要精确控制，方法的实现过程极其复杂，并且方法实现的抑制效果也十分有限。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种免扩散的雪崩光电二极管及其制备方法，通过MOCVD或MBE方法生长完其外延结构后，其整体结构不需要扩散就可以实现抑制雪崩光电二极管制作中经常出现的边缘击穿现象的发生，并且本发明提供的免扩散的雪崩光电二极管的制作工艺过程十分简单。本发明提供一种免扩散的雪崩光电二极管，所述雪崩光电二极管包括衬底，所述衬底的表面依次生长有缓冲层、扩散阻挡层、雪崩倍增层、电场控制层、渐变层、光吸收层、腐蚀停止层、窗口层和接触层，所述的窗口层位于腐蚀停止层的中心位置，所述腐蚀停止层于窗口层的周围以及接触层的上方均覆盖有介质绝缘层，所述介质绝缘层上具有环形沟道，且所述环形沟道的深度满足至少到达衬底的上方。进一步地，所述介质绝缘层的中心具有环形窗口，该环形窗口的深度与介质绝缘层的厚度相同，且该环形窗口内填充有第一接触电极层。进一步地，所述环形沟道内壁及底部均具有介质绝缘层，且环形沟道部分外侧壁及底部均具有第一接触电极层。进一步地，所述衬底的另一侧表面具有第二金属电极层。进一步地，所述衬底为p-1nP衬底，所述缓冲层为P-1nP缓冲层，所述扩散阻挡层为P型掺杂层，所述雪崩倍增层为n-1nP雪崩倍增层，所述电场控制层为η型掺杂层，所述渐变层为n-1nGaAsP渐变层，所述光吸收层为n-1nGaAs光吸收层，所述腐蚀停止层为InGaAsP腐蚀停止层，所述窗口层为n_InP窗口层。进一步地，所述环形沟道的深度为进入衬底的内部0.
进一步地，所述窗口层和接触层为上下同心的圆形层，两者的直径尺寸相等，且均为 25 70Mm。进一步地，所述的环形沟道为与窗口层、接触层同心的环形沟道结构，宽度为15 25Mm，且所述环形沟道的内半径比窗口层、接触层的半径长40 70Mm。本发明提供一种免扩散的雪崩光电二极管的制备方法，包括以下几个步骤: 步骤一:在衬底的表面依次生长缓冲层、扩散阻挡层、雪崩倍增层、电场控制层、渐变
层、光吸收层、腐蚀停止层、窗口层和接触层；
步骤二:将窗口层、接触层的边缘部分腐蚀去除，保留中心位置，形成圆形区域的窗口层、接触层；
步骤三:在腐蚀停止层上制备围绕窗口层、接触层的环形沟道，且环形沟道的深度至少满足到达衬底表面；
步骤四:在腐蚀停止层和接触层的表面沉积介质绝缘层，并在介质绝缘层上方中心位置制备环形窗口，并在所述环形窗口中沉积第一接触电极层；
步骤五:在衬底的另一侧表面沉积第二接触电极层；
步骤六:按照所需晶片大 小进行解理，形成所需尺寸的雪崩光电二极管。本发明具有以下优点:
本发明提供的免扩散的雪崩光电二极管只需要在P-1nP衬底上生长各个功能层，场控制层的厚度可以通过采用MOCVD或MBE方法实现0.3Mm以下厚度的雪崩倍增层的精确控制，本发明提供的制备方法有利于设计和制作高速率雪崩光电二极管。本发明提供的免扩散的雪崩光电二极管，其结构中的扩散阻挡层可以有效减小在生长过程中缓冲层的掺杂组分向雪崩倍增层中扩散，有利于生长出低掺杂浓度的雪崩倍增层。本发明提供的免扩散的雪崩光电二极管，腐蚀停止层可以有效避免InGaAs光吸收层直接与介质绝缘层接触，有利于降低雪崩光电二极管的表面漏电流，提高了雪崩光电二极管的可靠性。本发明提供的免扩散的雪崩光电二极管，通过在n-1nP窗口层中选择性腐蚀腐蚀出圆形的n-1nP区域即窗口层，该区域以外的部分均覆盖有介质绝缘层，通过该区域的大小可以直接定义雪崩光电二极管的光敏感区域，使雪崩光电二极管适用不同速率工作，并且在InGaAs光吸收层靠近n_InP区域的边缘一侧，尽管存在略强的电场，但并不会在雪崩倍增层存在出现边缘击穿现象。
图1:本发明提供的雪崩光电二极管的结构示意 图2:本发明提供的雪崩光电二极管的外延层结构 图3:本发明提供的雪崩光电二极管的结构中局部电场标示示意 图4:本发明模拟出的图3中A-A位置的电场分布 图5:本发明模拟出的图3中B-B位置的电场分布图； 图6:本发明模拟出的图3中C-C位置的电场分布 图7:本发明模拟出的图3中D-D位置的电场分布 图8:本发明模拟出的图3中E-E位置的电场分布图。其中:
1—衬底；
2—缓冲层；
3—扩散阻挡层；
4一雪崩倍增层；
5—电场控制层；
6—渐变层；
7—光吸收层；
8—腐蚀停止层；
9一窗口层；
10—接触层；
11一介质绝缘层；
12—接触电极层；
13—接触电极层；
14—沟道。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。本实施例提供的一种免扩散的雪崩光电二极管，如图1和图2所示，在衬底I上依次生长缓冲层2、扩散阻挡层3、雪崩倍增层4、电场控制层5、渐变层6、光吸收层7、腐蚀停止层8、窗口层9和接触层10。所述衬底I优选为P-1nP衬底。所述缓冲层2优选p-1nP缓冲层。所述扩散阻挡层3为P型掺杂层，该扩散阻挡层3材料优选为AlInAs、AlGaInAs或InGaAsP,或者是以上几种材料的两种以上的组合，组合时比例不限。当扩散阻挡层3选择组合材料时，优选组合后材料中含有Al或Ga组分，而且扩散阻挡层3中的掺杂成分不容易向相邻材料层中扩散。所述雪崩倍增层4为n-1nP雪崩倍增层。所述电场控制层5为η型掺杂层。电场控制层5的材料可以是InP或InGaAsP。所述渐变层6为n-1nGaAsP渐变层。所述光吸收层7为n-1nGaAs光吸收层。所述腐蚀停止层8为InGaAsP腐蚀停止层。所述窗口层9为n-1nP窗口层。在腐蚀停止层8上通过选择性化学腐蚀留下圆形的接触层10和窗口层9。所述电场控制层5为InGaAsP时，所述接触层10为InGaAsP接触层，所述窗口层9为n-1nP区域。所述腐蚀停止层8的表面中心位置形成有窗口层9，所述窗口层9的上方有接触层10，所述腐蚀停止层8在窗口层9的周围位置覆盖有介质绝缘层11，窗口层9上方覆盖有接触层10。所述的衬底1、缓冲层2、扩散阻挡层3、雪崩倍增层4、电场控制层5、渐变层6、n-1nGaAs光吸收层7、腐蚀停止层8、窗口层9、接触层10和介质绝缘层11上存在降低暗电流的环形沟道14，环形沟道14从上至下，沟道深度满足至少到达衬底I上方，当然也可以进入衬底I内部0.l-3Mm，所述介质绝缘层11同时作为增透膜。且所述环形沟道14的内壁及底部均覆盖有介质绝缘层11。所述介质绝缘层11的中心位置上具有环形窗口，该环形窗口与接触层10和窗口层9为同心的圆形结构，该环形窗口的深度与介质绝缘层11的厚度相同，且该环形窗口内具有第一接触电极层12，同时所述环形沟道14的部分外侧壁及底部均具有第一接触电极层。所述的衬底I的另一侧表面(即背面)设置有第二接触电极层13。本实施例提供的一种免扩散的雪崩光电二极管的制作方法包括以下几个步骤: 步骤一:在Zn掺杂浓度为I 3el8Cm_3的p_InP衬底I上使用金属有机化学气相沉
积(MOCVD)或分子束外延(MBE)来依次生长下列各层:掺Zn或C载流子浓度为0.5 lel8Cm_3、厚度为0.2 1.0Mm的InP缓冲层2，掺C载流子浓度为I 3e18cm_3、厚度为
1.0 2.0Mm的InP扩散阻挡层3，浓度为低于5el5cm_3、厚度为0.2 1.0Mm的InP雪崩倍增层4，掺杂浓度为0.1 lel8Cm_3、厚度为0.05 0.5Mm的InP电场控制层5，掺杂浓度低于lel6cm_3，厚度为0.06 0.12Mm的InGaAsP渐变层6，掺杂浓度低于5el5cm_3、厚度为0.8 3.0Mm的InGaAs光吸收层7 ;带隙为1.2eV、掺杂浓度低于2el5cm_3，厚度为0.2
0.5Mm的InGaAsP腐蚀停止层8 ;掺杂浓度为I 3el8cnT3、厚度为1.0Mm的InP窗口层9,掺杂浓度低于5el5cnT3，带隙为1.2eV、厚度为0.06 0.12Mm的InGaAsP或InGaAs接触层10。所述的雪崩倍增层4、电场控制层5、渐变层6、光吸收层7和腐蚀停止层8中的掺杂元素均可以为Si或S。其中所述的缓冲层2可以采用Zn或碳掺杂，优选采用碳掺杂，扩散阻挡层3的材料优选为InP、InGaAsP或AlGaInAs,并优选该层采用碳作p型掺杂通过该步骤一制备得到的雪崩光电二极管晶片的各外延层结构如图2所示。步骤二:在步骤一 制备得到的晶片的接触层10表面上旋涂光刻胶，通过光刻工艺，在接触层10表面上形成直径为25 70Mm的圆形光刻胶区域，然后将晶片置于H2S04、H2O2和H2O构成的混合溶液中腐蚀1(Γ180秒。H2S04:H202:H20体积比为1: 1: 1，该混合溶液也可以使用H3PO4、H2O2、H2O构成的混合溶液，具体的混合体积比例可以根据实际的腐蚀时间需要进行选择，腐蚀时间取决于组分比例。然后再置于HCl和H3PO4的混合溶液中腐蚀I 2分钟后取出并去除光刻胶,HCl和H3PO4混合时的体积比1:3。通过两次腐蚀，并通过中心区域的光刻胶的保护，使窗口层9和接触层10仅对应中心圆形光刻胶区域的位置有保留，其余位置均腐蚀掉，通过该过程的两次腐蚀，在晶片表面分别顺次形成一直径为25 70Mm的圆形接触层10和n-1nP区域9。步骤三:在腐蚀停止层8表面，处于圆形接触层10和n-1nP区域9的外围旋涂光刻胶，并在光刻胶上开出一个宽度为15 25Mm，并且与窗口层9、接触层10同心的圆环，该圆环的内半径优选为比窗口层9、接触层10的半径长40 70Mm。再将晶片浸泡在饱和Br2水:HBr:H20的体积比1:1:3的混合溶液中腐蚀，对应所开设的圆环位置，向晶片内部腐蚀出一个具有一定深度的环形沟道14。所述环形沟道14的深度满足到达衬底1，可以为达到衬底I的表面停止，也可以为进入衬底I内部0.l 3um。步骤四:通过化学气象沉积(PECVD)在步骤三处理晶片的腐蚀停止层8和接触层10上淀积介质绝缘层11，且同时环形沟道14的内壁及底部也均沉积有介质绝缘层11。所述介质绝缘层11可以是SiNx或SiNx/Si02复合介质绝缘层，如为SiNx时，SiNx的厚度160(Γ1800Α ;如为复合介质绝缘层时，SiNx的厚度110(Γ2200Α，SiO2的厚度200(Γ5000Α。通过光刻和反应离子刻蚀(RIE)开出一个与窗口区9同心的环形窗口，该环形窗口宽度3 5Mm。然后在得到的晶片的环形窗口处，通过光刻工艺，依此蒸发T1、Pt、Au金属层，T1、Pt、Au金属层的各层厚度分别为30(Γ500Α、50(Γ900Α、5000Α，蒸发完成后超声剥离掉光刻胶及其表面上的金属层，形成η型第一接触电极层12，在蒸发第一接触电极层12时，使所述环形沟道14的部分内壁以及底部也均蒸发有η型第一接触电极层12。步骤五:减薄晶片ρ-ΙηΡ衬底I的另一面，并经过Br2甲醇溶液(Br2的质量百分比为0.1% 1%)化学抛光，将晶片厚度控制到150 180Mm。在抛光一面依次蒸发厚度为500A、600A、5000A的T1、Pt、Au金属层，形成P型第二接触电极层13。步骤八:将经步骤七处理后的晶片进行解理，形成300X300Mffl2的雪崩光电二极管
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心/T O本发明提供的免扩散的雪崩光电二极管，通过在n-1nP窗口层中选择性腐蚀腐蚀出圆形的n-1nP区域及后期的窗口层9，该区域以外的部分覆盖有介质绝缘层11，一方面，窗口层9的大小可以直接定义雪崩光电二极管的光敏感区域，使雪崩光电二极管适用不同速率下工作；另一方面，在InGaAs光吸收层7靠近n_InP区域边缘一侧，尽管存在略强的电场，但并不会在雪崩倍增层4存在边缘击穿显现。本发明的雪崩光电二极管各个重要电场的位置中心雪崩区A-A、边缘区域B-B、远离雪崩区的区域C-C、吸收区横向D-D和雪崩区横向E-E，如图3所示，通过模拟计算出在施加0.98倍的击穿电压下，雪崩光电二极管内各位置的电场分布如图4-图8。在中心A-A处，倍增区电场为500-525kV/cm，在边缘B-B处，倍增区电场为500kV/cm，在C-C处，倍增区电场为440kV/cm，而吸收区的电场降低到25kV/cm，远低于中心区A-A处吸收区电场75-100kV/cm。在吸收区D-D处,位于n_InP区域边缘的电场略高于中心区电场。在倍增层E-E处，并不存在明显的边缘电场，在远离中心雪崩区，电场迅速降低。模拟计算表明，不会存在边缘击穿现象。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
权利要求
1.一种免扩散的雪崩光电二极管，所述雪崩光电二极管包括衬底，所述衬底的表面依次生长有缓冲层、扩散阻挡层、雪崩倍增层、电场控制层、渐变层、光吸收层、腐蚀停止层、窗口层和接触层，其特征在于，所述的窗口层位于腐蚀停止层的中心位置，所述腐蚀停止层于窗口层的周围以及接触层的上方均覆盖有介质绝缘层，所述介质绝缘层上具有环形沟道，且所述环形沟道的深度满足至少到达衬底的上方。
2.根据权利要求1所述的免扩散的雪崩光电二极管，其特征在于，所述介质绝缘层的中心具有环形窗口，该环形窗口的深度与介质绝缘层的厚度相同，且该环形窗口内填充有第一接触电极层。
3.根据权利要求2所述的免扩散的雪崩光电二极管，其特征在于，所述环形沟道内壁及底部均具有介质绝缘层，且环形沟道部分外侧壁及底部均具有第一接触电极层。
4.根据权利要求3所述的免扩散的雪崩光电二极管，其特征在于，所述衬底的另一侧表面具有第二金属电极层。
5.根据权利要求4所述的免扩散的雪崩光电二极管，其特征在于，所述衬底为p-1nP衬底，所述缓冲层为P-1nP缓冲层，所述扩散阻挡层为P型掺杂层，所述雪崩倍增层为n-1nP雪崩倍增层，所述电场控制层为η型掺杂层，所述渐变层为n-1nGaAsP渐变层，所述光吸收层为n-1nGaAs光吸收层，所述腐蚀停止层为InGaAsP腐蚀停止层，所述窗口层为n_InP窗口层。
6.根据权利要求5所述的免扩散的雪崩光电二极管，其特征在于，所述环形沟道的深度为进入衬底的内部0.l-3Mm。
7.根据权利要求6所述的免扩散的雪崩光电二极管，其特征在于，所述窗口层和接触层为上下同心的圆形层，两者的直径尺寸相等，且均为25 70Mm。
8.根据权利要求7所述的免扩散的雪崩光电二极管，其特征在于，所述的环形沟道为与窗口层、接触层同心的环形沟道结构，宽度为15 25ΜΠ1，且所述环形沟道的内半径比窗口层、接触层的半径长40 70Mm。
9.一种免扩散的雪崩光电二极管的制备方法，其特征在于，包括以下几个步骤: 步骤一:在衬底的表面依次生长缓冲层、扩散阻挡层、雪崩倍增层、电场控制层、渐变层、光吸收层、腐蚀停止层、窗口层和接触层； 步骤二:将窗口层、接触层的边缘部分腐蚀去除，保留中心位置，形成圆形区域的窗口层、接触层； 步骤三:在腐蚀停止层上制备围绕窗口层、接触层的环形沟道，且环形沟道的深度至少满足到达衬底表面； 步骤四:在腐蚀停止层和接触层的表面沉积介质绝缘层，并在介质绝缘层上方中心位置制备环形窗口，并在所述环形窗口中沉积第一接触电极层； 步骤五:在衬底的另一侧表面沉积第二接触电极层。
全文摘要
本发明提供一种免扩散的雪崩光电二极管及其制备方法，所述雪崩光电二极管包括衬底，所述衬底表面上依次生长有缓冲层、扩散阻挡层、雪崩倍增层、电场控制层、渐变层、光吸收层、腐蚀停止层、窗口层和接触层，所述的窗口层位于腐蚀停止层的中心位置，所述腐蚀停止层于窗口层的周围以及接触层的上方均覆盖有介质绝缘层，所述介质绝缘层上具有环形沟道。本发明选择性腐蚀腐蚀出圆形的窗口层，窗口层以外的部分覆盖有介质绝缘层，窗口层的大小可以直接定义雪崩光电二极管的光敏感区域，使雪崩光电二极管适用于不同速率环境下工作；另外在光吸收层靠近窗口层边缘一侧，尽管存在略强的电场，但不会在雪崩倍增层出现边缘击穿现象。
文档编号H01L31/107GK103094398SQ20131004538
公开日2013年5月8日 申请日期2013年2月5日 优先权日2013年2月5日
发明者岳爱文, 胡艳, 李晶, 王任凡 申请人:武汉电信器件有限公司