专利名称：外延晶片、光接收元件、光学传感器装置及用于制造外延晶片和光接收元件的方法
技术领域：
本发明涉及一种外延晶片、光电二极管、光学传感器装置以及用于制造外延晶片和光电二极管的方法。更具体地，本发明涉及一种具有预定组成、较少的表面缺陷和高结晶性的外延晶片、光电二极管和光学传感器装置、以及用于制造外延晶片和光电二极管的方法。
背景技术：
包括InP衬底的III-V化合物半导体具有与近红外区域对应的带隙能量并且因而为了开发用于包括通信、生物医学检验以及夜间图像捕捉的应用的光电二极管而进行研究。特别地，例如，与生物体和环境有关的物质的吸收谱在近红外长波长区域内。据此，光电二极管的吸收响应度向长波长区域的扩展已成为重要主题。例如，非专利文献I (NPL I)提出了一种具有在InP衬底上具有InGaAs/GaAsSbII型多量子结构(MQW)的吸收层的光电二极管。该光电二极管具有2. 39 μ m的截止波长并具有波长在从1.7μπι到2. 7μπι范围内的响应度特性。NPL I还提出使用应变补偿结构用于使截止波长向例如2 μ πΓ5 μ m的较长的波长范围扩展。专利文献I提出了一种光电二极管，其中，在InP衬底上形成有II型(InGaAs/GaAsSb) MQff,并且将用作P型杂质的锌(Zn)通过选择性扩散掩模图案选择性扩散，使得像素形成为通过选择性非扩散区域而被隔离。在MQW上，设置有(InGaAs扩散浓度分布调整层/InP窗口层)。在该光电二极管中，由于用于形成台面结构的蚀刻是不必要的，因而维持高的结晶性并且能够抑制暗电流。引用文献列表专利文献PTL I :日本未审查专利申请公开No. 2009-206499非专利文献INPL I R. Sidhu 等人的 “A Long-ffavelength Photodiode on InP UsingLattice-Matched GaInAs-GaAs Sb Type-II Quantum Wells^IEEE Photonics TechnologyLetters, Vol. 17, No.12 (2005),pp.2715-271
发明内容
本发明要解决的问题已发现，当通过仅使用金属有机源的金属有机气相外延(下文中被称为全金属有机源M0VPE)生长II型(InGaAs/GaAsSb) MQW、窗口层等来实际生产这样的光电二极管时，在外延晶片上产生粗糙凸状表面缺陷并且生产良率大幅下降。凸状表面缺陷似乎在一定条件下在此类型的光电二极管中不可避免地产生而不是极少产生。
除非减少这样的凸状表面缺陷，否则不能使生产良率处于实用水平，并且难以将光电二极管投入实际使用。一般而言，特定外延晶片的有效率的生产以及表面缺陷的减少的实现不仅对于上述类型的光电二极管是有利的，而且对于各种半导体元件也是有利的。另外，在由外延晶片生产的半导体元件中，重要的是，不仅抑制表面缺陷而且也抑制影响半导体元件的性能的杂质污染。本发明的目的是要提供外延晶片、光电二极管以及光学传感器装置，其包含含锑层并且能够有效率地生产，使得能够减少导致良率大幅下降的凸状表面缺陷并且抑制导致半导体元件的性能降低的杂质污染；以及用于生产该外延晶片和光电二极管的方法。 解决问题的方案在根据本发明的用于生产外延晶片的方法中，生产了一种外延晶片，其包括衬底，该衬底由III-V化合物半导体构成；和外延层结构，该外延层结构由III-V化合物半导体构成、包括窗口层并设置在该衬底上。该生产方法包括通过仅使用金属有机源的金属有机气相外延在衬底上生长含锑(Sb)层的步骤；以及在该含锑层上生长包括该窗口层的无锑层的步骤，其中，从该含锑层的生长到该窗口层的生长完成，在425°c或更大且525°C或更小的生长温度下执行生长。在该方法中，通过使生长温度在525 °C或更小，能够有效率地生长具有低密度的表面缺陷、特别是具有IOym或更大的高度的凸状表面缺陷的外延晶片。因而，能够抑制基于目视检查的废弃而导致的生产良率的下降。当生产温度超过525°C时，不能使具有10 μ m或更大的高度的凸状表面缺陷的密度处于例如I. O个缺陷cm—2或更小的预定水平；生产良率大幅下降且实际应用成为不可能。通过使生长温度在425°C或更大，则金属有机源气体能够在晶片上充分分解，使得源气体中必然包含且用作杂质的碳能够被可靠地排出而不被结合到外延层中。当结合了碳时，碳在III-V化合物半导体中作为P型杂质。因而，形成非意图的导电类型的层并且形成非意图的半导体器件。通过在诸如光电二极管的半导体元件的生产中抑制碳污染，能够抑制由于碳而导致的性能降低，诸如过高的暗电流。结果，能够抑制由于性能降低而导致的良率下降。当生长温度小于425°C时，金属有机源气体中必然包含的碳被结合到外延晶片中，从而使半导体元件的性能大幅降低。 上述温度是指利用包括红外相机以及红外光谱仪的高温计(pyrometer )监测的衬底表面温度。严格意义上，此衬底表面温度是形成在衬底上的外延层的表面的温度。虽然该温度被称为各种术语，诸如衬底温度、生长温度和沉积温度，但所有这些术语都是指上述监测的温度。本文中，仅使用金属有机源的有机气相外延是指使用由金属有机化合物构成的金属有机源作为用于气相外延的所有源的外延，并且被描述为全金属有机源M0VPE。虽然全金属有机源MOVPE如下所述具有大量优点，但最大的优点是能够有效率地生长各层。对于上述的425°C或更大且525°C或更小的生长温度，所有层可以在相同的生长温度或不同的生长温度下生长。特别地，如本文所述，用于窗口层的生长温度优选比用于在从含锑层到直接位于该窗口层下面的层范围内的层的生长温度至少低25°C。在此情况下，在生长具有高结晶性的外延层结构时，能够进一步减小凸状表面缺陷的密度。具体示例如下。通过在425°C飞25°C的温度下生长外延层结构，能够将暗电流保持在低值。在此温度范围内，虽然在500°C的生长温度的情况下将暗电流保持在低水平，但在低于500°C的生长温度的情况下，暗电流逐渐增大。另一方面，生长温度越低，窗口层中的凸状表面缺陷的密度变得越低。总之，为了减少窗口层中的凸状表面缺陷并减小暗电流，如本文所述，仅在比用于其他层的生长温度至少低25°C的生长温度下生长窗口层。结果，能够降低表面缺陷密度并且也能够抑制暗电流。具体地，窗口层优选在大约450°C下生长，且其他层优选在大约500°C下生长。替代地，根据条件可以采用其他温度范围，只要该温度范围满足该限制。该衬底可以是InP衬底、GaAs衬底、GaSb衬底和InAs衬底中的任何一种。在此情况下，在具有含Sb层的III-V化合物中，能够克服不管衬底为何种类型都同样导致的凸状表面缺陷和碳污染的问题。
衬底可以是InP衬底；可以生长InP窗口层作为该窗口层；并且，从含锑层的生长开始到InP窗口层的生长完成，可以在同一生长腔室中通过仅使用金属有机源的有机气相外延来连续地执行该生长。在此情况下，由于未涉及暴露于空气，所以能够消除其中碳和氧以高浓度分布的再生长界面。据此，能够抑制半导体元件的性能的降低。另外，当通过全金属有机源MOVPE形成含磷InP窗口层时，不使用固态磷作为源，并且因而磷不会附着到生长腔室的内壁。据此，在维护时不会发生燃烧等，这在安全性方面是极好的。含锑层可以是由形成MQW的层的对中的一方的层或两方的层构成的多层。因而，当MQW具有含Sb层时，能够以高良率生产具有高性能的半导体元件。当这样的含Sb层在MQW中时，包括窗口层的无锑层位于MQW上。通过全金属有机源MOVPE生产MQW的优点在于，所得到的MQW在层之间具有陡峭的异质界面。具有陡峭的异质界面的MQW例如允许具有高精度的光谱仪。在外延层结构中，可以生长由InxGa1-JiAs (O. 38 ^ x ^ O. 68)和 GaAs1^Sby(O. 36 ^ y ^ I. 00)构成的 II 型 MQW 或由 Ga卜JnuNvASh (O. 4 彡 u 彡 O. 8，O < v 彡 O. 2)和 GaASl_ySby (O. 36 ^ y ^ I. 00)构成的 II 型 MQW。这样的II型MQW具有与近红外区域对应的带隙能量。根据上述方法，能够有效率地生产具有低凸状表面缺陷密度和低碳浓度并且用于近红外发光二极管或光电二极管的外延晶片。本发明提供一种用于由通过上述生产方法中的任何一种生产的外延晶片生产光电二极管的方法，该含锑层用作吸收层的整体或其一部分，该方法包括在该外延晶片的该窗口层上形成选择性扩散掩模图案的步骤；以及从通过该选择性掩模图案的开口而暴露的该窗口层选择性地扩散杂质使得该杂质到达该吸收层的步骤。在此情况下，能够形成通过选择性非扩散区域隔离的区域作为像素，并且能够获得其中抑制串扰的光电二极管。另外，用于台面结构的通过蚀刻而形成的沟槽不是必需的，因而能够减小暗电流。这样的光电二极管可以包括单个像素或者一维地或二维地布置的多个像素。这也适用于下面所描述的光电二极管。
根据本发明的外延晶片包括衬底，该衬底由III-V化合物半导体构成；和外延层结构，该外延层结构由III-V化合物半导体构成、包含窗口层并且设置于该衬底上。在此外延晶片中，该外延层结构包括含锑(Sb)层以及位于该含锑层上的包含该窗口层的无锑层。在该窗口层中具有10 μ m或更大的高度的凸状表面缺陷的密度为O. 05个缺陷cm_2或更大且I. 25个缺陷cm_2或更小，并且含锑层和无锑层具有5e+15 (5X1015) cm_3或更小的碳浓度。在外延晶片中，具有10 μ m或更大的高度的粗糙凸状表面缺陷趋向于产生在位于含锑(Sb)层上方的层的表面中。这些表面缺陷具有ΙΟμ 或更大的高度和大约30μπ 或更大的平面尺寸，因而导致生产良率的大幅下降。
通过使凸状表面缺陷密度为I. 25个缺陷cm—2或更小，能够抑制由于表面缺陷而导致的良率的下降。另一方面，存在其中能够获得具有低凸状表面缺陷密度的外延晶片。然而，这样的外延晶片存在含Sb层和上方的无Sb层具有非常高的碳浓度的趋势。通过使凸状表面缺陷密度为O. 05个缺陷Cm—2或更大，通过使用凸状表面缺陷密度作为指标，能够获得适当范围内的碳浓度。具体地，当凸状表面缺陷密度低于O. 05个缺陷cm_2时，碳浓度变得过高，且光电二极管具有非常高的暗电流。当碳浓度高时，由于碳用作III -V化合物半导体中的P型杂质，因而形成非意图的半导体器件。据此，当将这样的外延晶片处理成诸如光电二极管的半导体元件时，对于例如暗电流的特性增大到超过可允许范围。除调整凸状表面缺陷密度之外，通过使碳浓度为5e+15 (5X IO15) cm_3或更小,能够抑制半导体元件的性能的降低。在外延晶片中，该衬底可以是InP衬底、GaAs衬底、GaSb衬底和InAs衬底中的任何一种。在此情况下，在这些衬底中类似地能够克服在具有含Sb层的III-V化合物中产生的凸状表面缺陷的问题。可以采用这样的构造，其中该衬底为InP衬底；该窗口层为InP窗口层；并且从含锑层的底表面到InP窗口层的顶表面不存在再生长界面。在此情况下，能够抑制由于暴露于空气造成的碳和氧污染而导致界面处碳和氧的高浓度分布。因而，能够抑制半导体元件的性能的降低。本文中，该再生长界面是指当通过预定生长工艺生长第一晶体层、然后将该第一晶体层取出到空气中并且通过另一生长工艺在该第一晶体层上生长第二晶体层时在该第一晶体层和该第二晶体层之间的界面。一般而言，发生以高浓度用作杂质的氧和碳所造成的污染。当未形成再生长界面时，能够提供具有高结晶性和光滑表面的外延层结构。因而，能够获得具有低暗电流和高信噪比(S/N)的光电二极管。含锑层可以是由形成MQW的层的对中的一方的层或两方的层构成的多层。当含Sb层在MQW中时，能够以高良率生产具有高性能的半导体元件。该含锑层可以是由IrixGahAsCO. 38 彡 x 彡 O. 68)和 GaASl_ySby(0. 36 ^ y ^ I. 00)构成的 II 型 MQW 中的 GaASl_ySby 多层或者由 GahInAAs^O. 4 ^ u ^ O. 8,0 < v ^ O. 2)和 GaASl_ySby (O. 36 ^ y ^ I. 00)构成的 II 型 MQW 中的 GaASl_ySby 多层。这些II型MQW具有与近红外区域对应的带隙能量。因而，能够得到具有低凸状表面缺陷密度和低碳浓度并且用于近红外发光二极管或光电二极管的外延晶片。根据本发明的光电二极管包括上述外延晶片中的任何一种，其中，该含锑层用作吸收层的整体或其一部分，在该窗口层上设置有选择性扩散掩模图案，并且从通过该选择性扩散掩模图案的开口而暴露的该窗口层分布杂质使得该杂质到达该吸收层。
因而，能够以高生产良率即以低生产成本获得暗电流低且抑制串扰的光电二极管。根据本发明的光学传感器装置包括上述光电二极管。因而，能够提供暗电流低且响应度覆盖近红外长波长区域的光学传感器装置。这样的光学传感器装置包括具有用于半导体元件(光电二极管)的像素的读出电极的互补金属氧化物半导体(CMOS);诸如分光器(衍射光栅)和透镜的光学元件；以及诸如微型计算机的控制单元。本发明的有益效果根据本发明，在包含含锑层的外延晶片等中，能够减小导致良率大幅下降的凸状表面缺陷，并且能够抑制导致半导体元件的性能降低的杂质污染。
图IA是根据本发明第一实施例的外延晶片的平面图。图IB是根据本发明第一实施例的外延晶片的截面图。图2是典型的凸状表面缺陷的截面图。图3是用于生产外延晶片的方法的流程图。图4示出用于全金属有机源MOVPE的沉积设备的管路系统等。图5A不出金属有机分子流和热流。图5B是衬底表面上的金属有机分子的不意图。图6示出根据本发明第二实施例的光电二极管。图7是用于生产光电二极管的方法的流程图。图8示出光电二极管(芯片)中的像素阵列。图9示出在外延晶片上的将被划片成光电二极管(芯片)的芯片布置。图10示出根据本发明的另一个实施例的光电二极管。附图标记列表I :InP衬底，Ia :晶片(中间产品)，2 :缓冲层(InP和/或InGaAs)，3 :11型MQW吸收层，4 =InGaAs层(扩散浓度分布调整层)，5 :InP窗口层，6 p型区域，7 :设置于缓冲层上的包括吸收层的外延层，11 P电极(像素电极)，12 n电极，15 :pn结；16 :MQW和InGaAs层之间的界面，17 =InGaAs层和InP窗口层之间的界面，35 :抗反射(AR)层，36 :选择性扩散掩模图案，50 :光电二极管(光电二极管阵列),60 :用于全金属有机源MOVPE的沉积设备,61 红外温度计，63 :反应腔室，65 :石英管，69 :反应腔室的窗口，66 :衬底台，66h :加热器，P 像素
具体实施例方式(第一实施例外延晶片)
图IA是根据本发明实施例的外延晶片Ia的平面图。图IB是外延晶片Ia的截面图。外延晶片Ia包括InP衬底I、缓冲层2和设置于缓冲层2上的外延层7。外延层7通过全金属有机源MOVPE生长。包括缓冲层2的结构如下。(InP衬底 I/η 型 InP 缓冲层 2/ 具有 II 型(InGaAs/GaAsSb)MQW 的吸收层 3/InGaAs扩散浓度分布调整层4/InP窗口层5)在吸收层3中，作为形成MQW的层的对中的一个的GaAsSb层含有Sb。据此，如图IA所不,在外延晶片Ia的表面或者InP窗口层5的表面中形成凸状表面缺陷K。图2是这样的凸状表面缺陷K的截面图。凸状表面缺陷K为InP窗口层5的升高部分，并具有类似于凸起或小山(独峰)的形状。尚未发现凸状表面缺陷K的形成机理。凸状表面缺陷K的主要特征如下。(kl)高度通常为10 μ m或更大且平面尺寸的直径一般为30 μ m或更大。
(k2)小山的核心部分具有核(core) Kc。锑(Sb)在核Kc中聚集。对于尺寸，由于光电二极管的像素节距(pitch)为大约30 μ m，因而清楚理解的是，凸状表面缺陷K导致生产良率的大幅下降。核Kc中的高浓度的Sb通过从下方的含有Sb的GaAsSb迁移并在核Kc处聚集而形成。已发现，当在相对高的温度下形成位于GaAsSb层上方的层时，GaAsSb层趋向于经受相分离。GaAsSb经受相分离或者某种质变(alteration)的温度非常低。例如从示例得到的实验结果指示，即使在根据本发明的425°C飞25°C范围内，GaAsSb也会经受某种不期望的质变。在本实施例中，具有10 μ m或更大的高度的凸状表面缺陷K的密度为I. O个缺陷cm—2或更小。凸状表面缺陷K的密度的下限为O. 05个缺陷cm—2。本实施例的外延晶片Ia的另一个特征在于低碳浓度。具体地，II型(InGaAs/GaAsSb) MQff 3、InGaAs扩散浓度分布调整层4和InP窗口层5中的每一个均具有5el5(5X IO15) cnT3或更小的非常低的碳浓度。碳在InP基化合物半导体中用作P型杂质。据此，碳污染导致形成非意图的半导体元件。总之，本实施例的外延晶片Ia具有下列两个特征。(Fl) InP窗口层5的表面中具有10 μ m或更大高度的凸状表面缺陷K的密度为I. O个缺陷CnT2或更小且O. 05个缺陷CnT2或更大。(F2)在InP衬底I上的外延层7中的层中的每一个均具有5el5 (5X 1015)cm_3或更小的碳浓度。虽然在碳浓度方面的特征(F2)—般都能实现，但在本发明中它是与(Fl)有关的重要特征。容易想到，特征(F2)与用于生产外延晶片的方法相关。除非另外指出，否则外延层7不包含缓冲层2。下文中，将参照图3来描述生产方法。首先制备InP衬底I。在InP衬底I上，外延生长η型InP缓冲层2以具有大约150nm的厚度。η型掺杂优选利用四乙基硅烷(TeESi)执行。此时，所使用的源气体为三甲基铟(TMIn)和叔丁基磷(TBP)。InP缓冲层2可以利用为无机材料的磷化氢(PH3)来生长。即使当在大约600°C或者大约600°C或更小的生长温度下来生长InP缓冲层2时，下方的InP衬底的结晶性也不会受在大约600°C下加热而降低。位于缓冲层2上方的层通过全金属有机源MOVPE生长，这能够在低生长温度下并以高生长效率来执行。显然，InP缓冲层2可以通过作为普通步骤的全金属有机源MOVPE来生长。通过全金属有机源MOVPE在同一生长腔室中连续地生长至少II型(InGaAs/GaAsSb)MQff 3,InGaAs扩散浓度分布调整层4和InP窗口层。此时，生长温度或衬底温度需要严格保持在425°C或更大且525°C或更小的温度范围内。这是因为，当采用高于此温度的生长温度时，GaAsSb被热损伤而经受相分离，从而导致凸状表面缺陷K的密度增大。这样的粗糙凸状表面缺陷K以高密度产生导致生产良率的大幅下降。当采用小于425°C的生长温度时，凸状表面缺陷K的密度减小或者变为零；然而，用于全金属有机源MOVPE的源气体不充分分解并且碳结合到外延层中。碳源自于源气体中与金属键合的碳氢化合物。碳结合到外延层中导致形成非意图的P型区域，并且所得到的半导体元件具有差的性能。例如，这样的光电二极管具有大的暗电流，并且不能实际用作产品O至此已经在图3的基础上示意性描述了用于生产外延晶片的方法。下文中，将详细描述层的生长方法。图4示出用于全金属有机源MOVPE的沉积装置60的管路系统等。将石英管65设置于反应腔室(腔室)63中。将源气体引入石英管65中。在石英管65中，可旋转地且气密地设置衬底台66。衬底台66配备有用于加热衬底的加热器66h。沉积期间外延晶片Ia的表面温度通过设置在反应腔室63的顶部处的窗口 69而利用红外线温度计61监测。该被监测的温度例如被称为生长温度、沉积温度或衬底温度。关于在根据本发明的生产方法中在425 °C或更大且525 °C或更小的温度下形成MQW，425 °C或更大且525 °C或更小的温度是在温度监测时测量的温度。利用真空泵执行从石英管65的强制排空。源气体通过与石英管65相连通的管道供应。全金属有机源MOVPE具有全部源气体都以金属有机气体的形式供应的特征。即，在源气体中，金属键合到各种碳氢化合物。虽 然图4中未描述例如支配导电类型的杂质的源气体，但掺杂物也可以以金属有机气体的形式引入。金属有机气体容纳在恒温槽中并保持在恒温下。所使用的载气为氢气(H2)和氮气(N2)0金属有机气体由载气输送，并利用真空泵抽取从而被引入石英管65中。载气的流量用质量流量控制器(MFC)来精确控制。大量质量流量控制器、电磁阀等利用微型计算机自动控制。在生长缓冲层2之后，形成具有II型MQW的吸收层3，其中量子阱由InGaAs/GaAsSb的对构成。在该量子阱中，GaAsSb膜具有例如5nm的厚度；并且InGaAs膜3b具有例如5nm的厚度。在GaAsSb沉积中，使用三乙基镓(TEGa)、叔丁基砷(TBA)和三甲基锑(TMSb)0对于InGaAs，可以使用TEGa、TMIn和TBA。这些源气体都是金属有机气体，并且该化合物具有高分子量。据此，这些气体在425 °C或更大且525 °C或更小的相对低的温度下完全分解，以对晶体生长做出贡献。具有MQW的吸收层3可以通过全金属有机源MOVPE形成，以在量子阱中的界面处具有急剧的组成变化。结果，能够以高精度执行分光光度测量。Ga (镓)源可以是三乙基镓(TEGa)或三甲基镓(TMGa)。In (铟)源可以是三甲基铟(TEIn)或三乙基铟(TEIn)。As (砷)源可以是叔丁基砷(TBA)或三甲基砷(TMA)。Sb (锑)源可以是三甲基锑(TMSb)、三乙基锑(TESb)、三异丙基锑(TIPSb)或三二甲氨基锑(TDMASb )。源气体通过管道输送，被引入石英管65中，并被排出。通过增加管道的数量可以将任何数量的源气体供应到石英管65。例如，即使超过十种源气体也可以通过电磁阀的开启/关闭来控制源气体。利用图4所示的质量流量控制器(MFC)控制源气体的流量，并通过电磁阀的开启/关闭来接通/切断到石英管65中的源气体。利用真空泵强制排空石英管65。据此，快速实现在形成构成量子阱的对期间在各组成之间的切换。图5A不出金属有机分子流和热流。图5B是衬底表面上的金属有机分子的不意图。监测外延晶片Ia的表面温度。当如图5B所示具有大尺寸的金属有机分子在晶片表面上流动时，能够将分解以对晶体生长做出贡献的化合物分子限制到与该表面接触的分子以及存在于从衬底表面延伸若干金属有机分子的长度的厚度范围内的分子。然而，当外延晶片表面温度或衬底温度过度小于425°C时，源气体的大分子不充分 分解特别是，碳未充分去除并结合到外延晶片Ia中。结合到III-V半导体中的碳用作P型杂质，并形成非意图的半导体元件。因而，半导体本来的功能降低，并且所生产的半导体元件具有差的性能。当利用电磁阀选择源气体以与该对的化学组成对应，并利用真空泵在强制排空下引入该源气体时，在由于惯性而稍微生长具有旧的化学组成的晶体之后，可以生长具有新的化学组成的晶体而不受旧的源气体所影响。结果，可以在异质界面处获得急剧的组成变化。这意味着老的源气体基本上不会残留在石英管65中。当通过在大于525°C的温度范围中生长而形成MQW 3时，MQff的GaAsSb层相当大地经受相分离，导致凸状表面缺陷K的密度增大。另一方面，如上所述，当采用小于425°C的生长温度时，可以减小凸状表面缺陷K的密度或使其为零；然而，源气体中必然含有的碳结合到外延晶片中。结合的碳用作P型杂质。据此，所得到的半导体元件具有差的性能，并且不能用作产品。如图3所不,另外一点是,从MQW的形成到InP窗口层5的形成,在同一沉积腔室或者同一石英管65中连续通过全金属有机源MOVPE生长。具体地，在InP窗口层5形成之前不将外延晶片Ia从沉积腔室中取出，并且InP窗口层5不是通过另一沉积方法形成；据此，不会形成再生长界面。由于InGaAs扩散浓度分布调整层4和InP窗口层5是在石英管65中连续地形成的，因而界面16和17不是再生长界面。在再生长界面中，满足lel7( I X IO17)cm_3或更大的氧浓度或者lel7 (I X IO17) cm_3或更大的碳浓度；并且结晶性变差，且外延层结构的表面不太可能变得光滑。在本发明中，界面16和17具有小于lel7(lX1017)CnT3的氧浓度和碳浓度。在本实施例中，在具有MQW的吸收层3上，形成具有例如大约O. 3μ m的厚度的非掺杂InGaAs扩散浓度分布调整层4。在形成光电二极管时，Zn以高浓度扩散到MQW中导致结晶性的降低。据此，为了扩散浓度调整的目的，形成InGaAs扩散浓度分布调整层4。在形成InP窗口层5之后，从InP窗口层5通过选择性扩散方法选择性地扩散P型杂质Zn，以到达具有MQW的吸收层3。虽然可以如上所述形成InGaAs扩散浓度分布调整层4，但也可以除去该形成步骤。即使当插入InGaAs扩散浓度分布调整层4并且其为非掺杂层时，InGaAs也具有窄带隙，并且因而能够使光电二极管具有低电阻。通过减小电阻，能够提高响应度，并且能够获得具有高图像质量的动态图像。虽然外延晶片Ia留在同一石英管65中，但在InGaAs扩散浓度分布调整层4上，优选地，可以通过全金属有机源MOVPE连续地外延生长非掺杂InP窗口层5，以具有大约0.8μπι的厚度。如上所述，源气体为三甲基铟(TMIn)和叔丁基磷(ΤΒΡ)。通过使用这些源气体，可以使用于InP窗口层5的生长温度为425°C或更大且525°C或更小。结果，位于InP窗口层5下方的MQW的GaAsSb不经历热损伤或者仅经历相对小的热损伤。据此，能够将凸状表面缺陷K的密度减小至实际可允许水平并且能够减小碳浓度。例如，通过分子束外延(MBE)的InP窗口层的生长需要固态磷源，并且因而在安全性等方面存在问题；另外，需要提高生产效率。在通过适合于MQW 3生长的MBE来生长MQW3和InGaAs扩散浓度分布调整层4，并且然后鉴于安全性而通过MBE以外的方法生长InP窗口层5的情况下，在InGaAs扩散浓度分布调整层4与InP窗口层5之间的界面17由于暴露于空气而是再生长界面。因为再生长界面满足lel7 (IXlO17)cnT3或更大的氧浓度或者lel7 (IXlO17)cnT3或更大的碳浓度，所以可以经由二次离子质谱分析来识别再生长界面。再生长界面形成经过P型区域的交叉线；在该交叉线中出现漏电流，并且极大地降低图像质量。
替代地，例如，在由通过简单地采用氢化磷(PH3)作为磷源的MOVPE生长InP窗口层的情况下，磷化氢的分解温度高，因而热损伤下方的GaAsSb的可能性高。在本实施例中通过在425°C或更大且525°C或更小的生长温度下通过全金属有机源MOVPE执行从II型(InGaAs/GaAsSb) MQff 3到InP窗口层5的生长，能够实现上述特征(Fl)和(F2)。另外，如上所述，由于不存在再生长界面，所以能够以高效率以及实际可允许的高生产良率获得包含含锑层的高质量外延晶片。(第二实施例光电二极管)图6示出根据本发明第二实施例的光电二极管50。在光电二极管50中，在InP衬底I上的InP基外延层结构的构造与第一实施例相同。使用第一实施例中的外延晶片以形成其中布置有像素P的光电二极管50。这样，形成像素P以及电极11和12。图7是用于生产图6中的光电二极管50的方法的流程图。步骤SI至S3与第一实施例中用于生产外延晶片Ia的方法相同。在步骤S4和S5中，通过Zn的选择性扩散来形成像素P并且形成电极。通过经由SiN膜的选择性扩散掩模图案36的开口来选择性地扩散用作P型杂质的Zn,形成从InP窗口层5通过InGaAs层4而延伸至吸收层3的p型区域6。p型区域6通过选择性非扩散区域隔离，并用作像素P的主要部分。通过调整选择性扩散掩模图案36的开口的节距，在距相邻的像素或侧表面预定距离处形成P型区域6。由AuZn构成的P电极11设置成与P型区域6形成欧姆接触。由AuGeNi构成的η电极12设置成与InP衬底I的背表面形成欧姆接触。InP衬底I掺杂有η型杂质以具有预定水平的导电性。替代地，InP衬底I可以是绝缘或半绝缘衬底；在此情况下，η电极12设置成与η型缓冲层形成欧姆接触。抗反射层35设置在InP衬底I的背表面。光通过InP衬底的背表面而进入InP衬底。图8是通过在完成上述步骤Sf S5之后对外延晶片Ia进行划片而获得的芯片(光电二极管)50的平面图。图6中的像素P以30 μ m的节距布置以形成320X256矩阵。这也被称为光电二极管阵列。光电二极管50具有IOmmX8. 5mm的尺寸，并通过对图9中的外延晶片Ia进行划片而获得。对图9中的晶片Ia的整体执行步骤Sf S5。具体地，考虑到效率，对外延晶片Ia执行包括选择性扩散和电极形成的加工处理。图9指示可以由具有两英寸的外延晶片Ia获得11个光电二极管50。—般地，上述凸状表面缺陷K具有10 μ m或更大的高度和30 μ m或更大的直径。大的缺陷K具有大约100 μ m的高度和大约几百微米的直径。由于外延晶片Ia的厚度大约为350 μ m，因而可以理解粗糙的凸状表面缺陷的异常。凸状表面缺陷导致数十个连续的不良像素。这些不良不能利用诸如程序的软晶片来补偿，并且导致良率的大幅下降。另外，例如，在当形成选择性扩散掩模图案时使用具有接触部分的设备的情况下，外延晶片可能由于粗糙的凸状表面缺陷K而被损伤。图10示出具有单个像素的光电二极管50。这样的光电二极管自然囊括在本发明的范围内。在下面描述的示例中，使用图10的光电二极管50用于暗电流等方面的评价。通过由第一实施例中的外延晶片Ia来生产光电二极管50，能够以高效率并且以高生产良率获得包含含锑层并具有诸如低暗电流的极好的特性的光电二极管50。
·
示例(示例I:在外延层的整体上的恒定生长温度)在改变的生产条件(生长温度)下生产如图I所示的具有2英寸直径的外延晶片，并评价该外延晶片。在示例I中，使外延层生长期间的每个生长温度恒定。在暗电流方面评价由该外延晶片生产的如图10所示的光电二极管50。测试样品如下。(发明示例Al至A3)II型MQW和上方的外延层结构的生长温度450°C、500°C、525。。。(比较示例B1、C1和C2)II型MQW和上方的外延层结构的生长温度400°C、550°C、600。。。测试样品经历下列评价。(I)外延晶片上具有10 μ m或更大的高度的凸状表面缺陷的密度(2)在生长MQW后执行的X射线衍射方法(XRD)评价(面指数(004)的衍射峰的半高全宽)(3)外延晶片中的InGaAs扩散浓度分布调整层的杂质浓度分析(SMS (二次离子质谱)分析)(4)光电二极管中的暗电流(5)关于InP衬底的光电二极管的良率表I中描述了测试样品的评价。[表I]
权利要求
1.一种用于生产外延晶片的方法，所述外延晶片包括衬底，所述衬底由III-V化合物半导体构成，以及外延层结构，所述外延层结构由III-V化合物半导体构成、包括窗口层并且设置在所述衬底上，所述方法包括 通过仅使用金属有机源的金属有机气相外延在所述衬底上生长含锑层的步骤；以及在所述含锑层上生长包括所述窗口层的无锑层的步骤， 其中，从所述含锑层的生长到所述窗口层的生长完成，在425°c或更大且525°C或更小的生长温度下执行生长。
2.根据权利要求I所述的用于生产外延晶片的方法，其中，用于所述窗口层的生长温度比用于在从所述含锑层到直接在所述窗口层下方的层的范围内的层的生长温度至少低25。。。
3.根据权利要求I或2所述的用于生产外延晶片的方法，其中，所述衬底是InP衬底、GaAs衬底、GaSb衬底和InAs衬底中的任何一种。
4.根据权利要求I至3中任何一项所述的用于生产外延晶片的方法，其中，所述衬底是InP衬底；生长InP窗口层作为所述窗口层；并且，从所述含锑层的生长开始到所述InP窗口层的生长完成，通过仅使用金属有机源的有机气相外延在同一生长腔室中连续地执行生长。
5.根据权利要求I至4中任何一项所述的用于生产外延晶片的方法，其中，所述含锑层是由形成多量子阱结构(MQff )的层的对中的一方的层或两方的层构成的多层。
6.根据权利要求I至5中任何一项所述的用于生产外延晶片的方法，其中，在所述外延层结构中，生长由 InxGa1^As(0. 38 彡 x 彡 0. 68)和 GaASl_ySby(0. 36 ^ y ^ I. 00)构成的 II型 MQW 或由 Ga1-UlnuNvAs1-Y(0. 4 彡 u 彡 0. 8，0 < v 彡 0. 2)和 GaASl_ySby(0. 36 ^ y ^ I. 00)构成的II型MQW。
7.一种用于由通过根据权利要求I至6中任何一项所述的生产方法生产的外延晶片来生产光电二极管的方法，所述含锑层用作吸收层的整体或所述吸收层的一部分，所述方法包括在所述外延晶片的所述窗口层上形成选择性扩散掩模图案的步骤；以及从通过所述选择性掩模图案的开口而暴露的所述窗口层选择性地扩散杂质使得所述杂质到达所述吸收层的步骤。
8.—种外延晶片，包括衬底，所述衬底由III-V化合物半导体构成；和外延层结构，所述外延层结构由III-V化合物半导体构成、包括窗口层并且设置于所述衬底上，其中 所述外延层结构包括含锑层以及位于所述含锑层上的包括所述窗口层的无锑层， 所述窗口层中具有IOiim或更大的高度的凸状表面缺陷的密度为0. 05个缺陷cm_2或更大且I. 25个缺陷cm_2或更小，并且所述含锑层和所述无锑层具有5 X IO15CnT3或更小的碳浓度。
9.根据权利要求8所述的外延晶片，其中，所述衬底是InP衬底、GaAs衬底、GaSb衬底和InAs衬底中的任何一种。
10.根据权利要求8或9所述的外延晶片，其中，所述衬底为InP衬底；所述窗口层是InP窗口层；并且，从所述含锑层的底表面到所述InP窗口层的顶表面不存在再生长界面。
11.一种用于生产根据权利要求8至10中任何一项所述的外延晶片的方法，其中，所述含锑层是由形成多量子阱结构(MQW)的层的对中的一方的层或两方的层构成的多层。
12.根据权利要求8至11中任何一项所述的外延晶片，其中，所述含锑层是由InxGa1^xAs (0. 38 彡 x 彡 0. 68)和 GaAs1^ySby (0. 36 ^ y ^ I. 00)构成的 II 型 MQW 中的 GaASl_ySby 多层或由 Ga1-UlnuNvASh (0. 4 彡 u 彡 0. 8，0 < v 彡 0. 2)和 GaASl_ySby(0. 36 ^ y ^ I. 00)构成的 II 型 MQW 中的 GaASl_ySby 多层。
13.一种光电二极管，包括根据权利要求8至12中任何一项所述的外延晶片，其中，所述含锑层用作吸收层的整体或所述吸收层的一部分，在所述窗口层上设置有选择性扩散掩模图案，并且从通过所述选择性扩散掩模图案的开口而暴露的所述窗口层分布杂质使得所述杂质到达所述吸收层。
14.一种光学传感器装置,包括根据权利要求13所述的光电二极管。
全文摘要
本发明提供一种包含含锑层，能够以减少导致良率大幅下降的凸状表面缺陷而被有效率地生产，并且能够抑制导致性能降低的杂质污染的外延晶片、光电二极管等。该生产方法特征在于其包括全金属有机气相沉积方法在衬底(1)上生长含锑层(Sb)的步骤；以及在含锑层上生长包括窗口层的无锑层，并且，从含锑层的生长到窗口层的生长结束，在425℃或更大且525℃或更小的生长温度下完成生长。
文档编号H01L31/10GK102782809SQ201180012720
公开日2012年11月14日 申请日期2011年10月3日 优先权日2010年10月6日
发明者石塚贵司, 秋田胜史, 藤井慧 申请人:住友电气工业株式会社