台面型雪崩光电探测器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体器件领域，具体是提出一种台面型雪崩光电探测器(APD)，其可减小台面器件侧壁电场，提高单光子探测性能。
【背景技术】
[0002]雪崩光电探测器(APD)已经广泛的应用于商业、军事和科学研究中，如量子信息、生物分子探测、激光雷达成像、天文探测等。近些年，工作波长在1.55 μπι的高速、高灵敏度的APD是高比特率长距离光纤通信的关键器件；在实际的量子密钥传输系统中，单光子APD发挥了极其重要的单光子探测作用。单光子APD由于其特殊的盖革工作方式，对器件的可靠性和高电场特性提出了更高的要求；量子密钥传输中，门控频率达到了 2GHz，单光子APD器件的高频特性也需要进一步提高。本专利申请即针对高场和高频的实际需求提出了 APD改进结构。
[0003]通用的AH)通常采用平面结构，采用扩散的方式定义器件工作区域，平面结构中表面焊台电极通常会比较大，带来较大的寄生电容。而对于高速Aro器件，平面结构产生的寄生电容有可能起主导作用，超越了 PN结电容，所以大于2GHz的高速器件均采用了台面结构以减小寄生电容的影响，以尽量提高APD的工作频率。
[0004]对于单光子探测器的APD器件，其工作在高于雪崩偏置之上的盖革模式，其台面结构的边沿表面将承载更高的电场，易于造成表面的击穿和器件失效，同时也易于造成器件寿命的降低。通常的台面结构如图1所示，台面器件侧壁采用钝化层进行钝化，钝化层17是氮、氧化物或者是BCB和聚酰亚胺等有机聚合物。钝化层基本不改变器件侧壁的电场分布，但是减小了表面悬键和态密度，在一定程度上减小表面电流通道，但侧壁的电场依然较大。PIN器件有采用二次外延或者扩散工艺进行表面处理，但对于APD器件尚未有侧壁扩散处理以降低表面电场提高性能的报道。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是提供一种台面型雪崩光电探测器，其是通过侧壁结构重新定义台面型InGaAs/InP雪崩光电探测器侧壁的电场分布，使得尽量减小器件的侧壁电场分布和暗电流，以提高器件的可靠性、高灵敏度探测性能和雪崩光电探测器的工作频率。
[0006]为解决上述技术问题，本发明提供一种台面型雪崩光电探测器，用于高速单光子探测，包括:
[0007]—衬底；
[0008]一 N型欧姆接触层，其制作在衬底上；
[0009]—吸收层，其制作在N型欧姆接触层上的中间位置，该N型欧姆接触层的两侧形成台面；
[0010]一电荷层，其制作在吸收层上；
[0011]—倍增层，其制作在电荷层上；
[0012]—欧姆接触层，其扩散或外延制作在倍增层上的中间部位；
[0013]— N型金属电极，其制作在N型欧姆接触层表面的两侧台面上；
[0014]— P型金属电极，其制作在欧姆接触层和倍增层表面的连接处，该P型金属电极的中间形成一窗口；
[0015]—减反层，其制作在P型金属电极中间的窗口内；
[0016]—侧壁高掺层，其制作在梯形的吸收层的侧壁上，该侧壁高掺层的下端延伸到N型欧姆接触层的表面，上端延伸到倍增层顶缘；
[0017]—表面钝化层，其制作在侧壁高掺层的上面，并覆盖部分倍增层。
[0018]其中侧壁高掺层为P型，与之相邻的吸收层、电荷层和倍增层形成侧向结。
[0019]其中所述制作的侧壁高掺层是通过注入或者扩散的方法进行的。
[0020]其中该吸收层的断面为梯形结构或陡直的结构，该吸收层的侧壁是用湿法构建或采用离子刻蚀方法形成。
[0021]其中欧姆接触层的材料是InP的P型扩散结构，或是InP/InGaAs的外延结构。
[0022]其中欧姆接触层是通过两次扩散形成的。
[0023]本发明的有益效果是，通过采用侧壁注入或者扩散的雪崩光电探测器结构，在台面APD的侧壁生成反向结，用于减小高速APD器件的侧壁暗电流，提高单光子探测性能。
【附图说明】
[0024]为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中:
[0025]图1是通常的台面APD的基本结构示意图；
[0026]图2是本发明第一实施例的侧向剖面APD的结构示意图；
[0027]图3是本发明第二实施例的侧向剖面APD的结构示意图；
[0028]图4是本发明第三实施例的侧向剖面APD的结构示意图。
【具体实施方式】
[0029]请参阅图2_图4所不，是本发明的二种实施方式。
[0030]实施例1
[0031]请参阅图2，本发明提供一种台面型雪崩光电探测器，用于高速单光子探测，包括:
[0032]一半绝缘InP衬底11;
[0033]—欧姆接触层12，其制作在衬底11上，该欧姆接触层12可以是N+型InP ;
[0034]—吸收层InGaAs 13，其制作在N型欧姆接触层12上的中间位置，该N型欧姆接触层12的两侧形成台面121，所述该吸收层13的断面为梯形结构，该吸收层13的侧壁是用湿法构建或采用离子刻蚀方法形成；
[0035]—电荷层14，其制作在吸收层13上，电荷层为80nm N型GalnAs层(14)，其掺杂浓度为Iel7/Cm 3;倍增层15，其制作在电荷层14上，电荷层和倍增层之间可以加入三层40nm的GalnAsP本征过渡层，其禁带宽度实现从InGaAs到InP之间的平缓过渡；欧姆接触层16，其扩散或外延制作在倍增层15上的中间部位，所述欧姆接触层16的材料是InP的P型扩散结构，所述欧姆接触层16是通过两次扩散形成的，Zn扩散深度在1.2-1.8 μπι;
[0036]— Ν型金属电极18，其制作在Ν型欧姆接触层12表面的两侧台面121上；
[0037]— Ρ型金属电极19，其制作在欧姆接触层16和倍增层15表面的连接处，该Ρ型金属电极19的中间形成一窗口 ；
[0038]—减反层101制作在Ρ型金属电极19中间的窗口内；
[0039]—侧壁高掺层27，其制作在梯形的吸收层13的侧壁上，该侧壁高掺层27的下端延伸到Ν型欧姆接触层12的表面，上端延伸到倍增层15顶缘，所述制作的侧壁高掺层27是通过注入或者扩散的方法进行的；
[0040]一表面钝化层21，其制作在侧壁高掺层27的上面，并覆盖部分倍增层15。其中侧壁高掺层27为Ρ型，与之相邻的吸收层13、电荷层14和倍增层15形成侧向结。
[0041]该器件整体为P+-1-P_1-N+的分离吸收渐变倍增结构。制备过程中首先在表面的InP本征层进行Zn扩散，完成高掺层P接触层，为了提高器件的高频特性，进行台面的湿法腐蚀，从表面一直腐蚀到距离N+欧姆接触层1 ym的深度，制备成器件主体的台面结构，根据本发明的一个方面，为了减小工作电压下的侧壁暗电流，进行侧壁的P型扩散，同时P接触层的二次扩散，形成悬浮的侧壁扩散层27，同时优化了倍增层边沿特性，避免边沿击穿。刻蚀掉多余扩散层并进行表面钝化后，在N+掺杂层12上溅射N金属18，制备表面钝化层21后蒸镀P型欧姆接触金属19，制备表面光学窗口的减反层101，最终完成侧壁扩散的台面APD器件。此时侧壁的电场强度减小，表面的暗电流减小。
[0042]实施例2
[0043]请参阅图3，本实施例与第一实施例基本相同，不同之处在于，所述吸收层13的断面为陡直的结构。这种台面结构采用干法刻蚀的技术，形成较为陡直的侧壁，除了侧壁附近之外的地方用氧化物掩蔽，侧壁即可以进行侧壁P型扩散，形成同样的侧壁悬浮反向结，达到与之上实施例1相同的目的。
[0044]实施例3
[0045]请参阅图4，本实施例与第一实施例基本相同，不同之处在于，所述欧姆接触层16是外延形成的，其材料是InP层41及InGaAs层42。如图4所示，在半绝缘InP衬底11上，依次生长 2 μπι N+ 型 InP 缓冲层 12、2 μπι 本征 Ga0.47In0.53As (GalnAs)吸收层 13、80nm N 型GalnAs层14，其掺杂浓度约为lel7/cnT3，三层各40nm的GalnAsP本征过渡层，其禁带宽度自下而上依次提高，厚度为Ιμπι的型P+InP层41和30nm GalnAs P+接触层42。器件同为P+-1-P-1-N+的分离吸收渐变倍增结构，首先在表面的高掺层做第一个台面，边沿为本征吸收层，然后第二个台面一直腐蚀到N+欧姆接触层之上1 μ m，掩蔽后做侧壁扩散，扩散深度在1.0 μ m，之后同实施例1相仿，制备欧姆接触电极18、19、钝化层21和减反层101，完成完整的APD器件。根据本发明的一个方面，侧壁的P型扩散会减小表面电场和抑制暗电流。
[0046]本发明可广泛应用于普通分离吸收电荷倍增结构APD，谐振腔增强型结构APD，以及 InGaAs/InAlAs 结构 APD 等。
[0047]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种台面型雪崩光电探测器，用于高速单光子探测，包括: 一衬底； 一 N型欧姆接触层，其制作在衬底上； 一吸收层，其制作在N型欧姆接触层上的中间位置，该N型欧姆接触层的两侧形成台面； 一电荷层，其制作在吸收层上； 一倍增层，其制作在电荷层上； 一欧姆接触层，其扩散或外延制作在倍增层上的中间部位； 一 N型金属电极，其制作在N型欧姆接触层表面的两侧台面上； 一 P型金属电极，其制作在欧姆接触层和倍增层表面的连接处，该P型金属电极的中间形成一窗口； 一减反层，其制作在P型金属电极中间的窗口内； 一侧壁高掺层，其制作在梯形的吸收层的侧壁上，该侧壁高掺层的下端延伸到N型欧姆接触层的表面，上端延伸到倍增层顶缘； 一表面钝化层，其制作在侧壁高掺层的上面，并覆盖部分倍增层。2.如权利要求1所述的台面型雪崩光电探测器，其中侧壁高掺层为P型，与之相邻的吸收层、电荷层和倍增层形成侧向结。3.如权利要求1所述的台面型雪崩光电探测器，其中所述制作的侧壁高掺层是通过注入或者扩散的方法进行的。4.如权利要求1所述的台面型雪崩光电探测器，其中该吸收层的断面为梯形结构或陡直的结构，该吸收层的侧壁是用湿法构建或采用离子刻蚀方法形成。5.如权利要求1所述的台面型雪崩光电探测器，其中欧姆接触层的材料是InP的P型扩散结构，或是InP/InGaAs的外延结构。6.如权利要求5所述的台面型雪崩光电探测器，其中欧姆接触层是通过两次扩散形成的。
【专利摘要】一种台面型雪崩光电探测器，用于高速单光子探测，包括依次制作的一衬底，一N型欧姆接触层，一吸收层，一电荷层，一倍增层，一欧姆接触层，一N型金属电极，一P型金属电极，一减反层，一侧壁高掺层和一表面钝化层，本发明是通过侧壁结构重新定义台面型InGaAs/InP雪崩光电探测器侧壁的电场分布，使得尽量减小器件的侧壁电场分布和暗电流，以提高器件的可靠性、高灵敏度探测性能和雪崩光电探测器的工作频率。
【IPC分类】H01L31/107
【公开号】CN105405917
【申请号】CN201510736540
【发明人】杨晓红, 尹冬冬, 何婷婷, 叶焓, 王帅, 韩勤
【申请人】中国科学院半导体研究所, 上海雨然信息技术公司
【公开日】2016年3月16日
【申请日】2015年11月3日