CN100483650C - 一种抑止雪崩光电二极管边缘击穿的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抑止雪崩光电二极管边缘击穿的方法，它包括：(1)雪崩光电二极管结构中的倍增层选择含高铝组分的材料，吸收层选择不含或含低铝组分的材料；(2)先让倍增层侧向边缘的含高铝组分的材料发生氧化形成氧化铝绝缘层，使氧化铝绝缘层从侧向扩展到P型重掺杂区。本发明仅仅利用了水蒸汽等含氧物质与高铝组分的倍增层材料发生选择性氧化反应形成的绝缘层来抑止边缘击穿，工艺实现上比传统的二次扩散、二次生长等要简单的多，而且氧化的长度可以精确的控制和绝缘层材料的形成可以更加有效的防止由于扩散P区形成的曲率效应引起的边缘击穿。本发明不需要在芯片上制作特殊的结构(如保护环)，故不会限制芯片的尺寸大小。
Description
技术领域
本发明涉及雪崩光电二极管，具体的说，涉及一种抑止雪崩光电二极管边缘击穿的方法。
背景技术
在过去近五个多世纪以来，雪崩光电二极管(APD)被广泛的应用于商业、军事和科研等方面的研究。最近几年来，随着光通信产业的迅猛发展，扮演着光通信系统中接收器重要角色的光电探测器也得到迅速的发展。接收器中灵敏度是光通信系统中重要的指标之一，APD内部会发生碰撞电离形成内增益，比传统的光电二极管(PIN)灵敏度优5-10dBm，使APD成为光通信系统中接收器的首选。
从传统光通信的2.5Gbit/s的传输速率，到目前40Gbit/s传输速率提上课题，高速光通信系统对接收器的要求越来越高。围绕着对器件高带宽、低噪声等性能要求，研究人员从材料开发到器件结构的设计展开了广泛的研究。
目前对于光通信波段，商用的APD常用InGaAs材料作为吸收层，与InGaAs材料晶格相互匹配的InP、InAlAs等材料作为倍增层，利用这些材料制作成的分开吸收倍增(SCAM)结构的APD具有良好的带宽特性，目前报道过最高的增益带宽积为320GHz。但是随着器件尺寸的越来越小，器件倍增层上承受的电场越来越大，在高电场下，衡量器件噪声特性一个重要的指标，电子离化率与空穴离化率的比值k开始趋向于1，根据传统的理论当k值趋向于1的时候，器件的噪声特性变差。一般对于特定的材料来讲，电子离化率和空穴离化率是确定的，是随电场变化的一个函数，因此改善噪声一个重要的途径就是更改倍增层的材料。目前对于AlGaAs材料的理论和实验研究表明，利用高铝组分的AlGaAs材料作倍增层和吸收层，GaAs材料作为衬底的PIN结构具有良好的噪声特性，特别是当铝的组分达到80％的时候，即使在小尺寸下k值仍有0.13，其噪声特性最好。但由于用AlGaAs吸收层，接收的光波长不在通信波段。最近几年GaInNAs、GaNAs等材料由于跟GaAs材料具有良好的晶格匹配，又可以通过不同的组分让其吸收的波段落在光通信波长，被广泛的应用在激光器的研究中。研究表明以GaAs材料为衬底，以GaInNAs材料为吸收层，以高铝组分的AlGaAs材料作为倍增层的分开吸收与倍增结构的APD将会是光通信系统中接收器重要的候选者。
在APD器件结构的研究上，传统的APD主要有两种结构台面型结构(mesa-type)和平面型结构(planar)，其中台面型的APD具有制作简单、可重复制作等优点；与台面型的APD相比，由于平面型的APD将PN结掩埋在体内，它具有更低的暗电流和更高的稳定性，但在工艺实现上却复杂得多。平面型的APD还有一个需要解决的重要问题就是防止边缘击穿：在制作平面型的APD的工艺流程中，由于扩散或者离子注入形成的P区具有曲率效应，边缘的电场高于中央的PN结的电场，因此在高电场的作用下，PN结区域还没达到碰撞电离的程度，边缘已经提前击穿了。传统抑止边缘击穿的方法有多种：一种是在器件的侧向形成保护环，这种技术是利用在芯片生长过程中通过扩散形成P区的同时，利用离子注入或者二次扩散的方法在P区的侧向注入一定浓度的杂质，形成一个保护环结构(GR)，或者形成两个相邻的一深一浅的保护环结构(PLEG)。保护环的作用在于它降低了P区的曲率效应，从而有效的抑止APD器件中P区边缘电场过高导致的击穿。但是这种办法对于分别吸收倍增(SAM)结构的APD器件来讲，由于引入了保护环，在环下面的空间电荷急剧下降，容易导致环底下的吸收层电场过高发生隧穿效应。另一种办法是在器件中形成浮动保护环，这种办法通过光刻技术一次性在倍增层上面形成三个有一定间隔窗口，然后通过一次性扩散形成重掺杂的P区和两个保护环。有了这两个保护环，随着外加电压的升高，P区下的耗尽区域往侧向扩展直至碰到内侧的保护环，由于保护环与中心的P区都是重掺杂，它们之间电势相等，耗尽区域就直接“跳”到外侧的保护环，扩大了的耗尽区域增加了P区边缘等电势线的间隔从而降低了P区边缘的电场。当电压继续升高时，耗尽区域又从内侧保护环“跳”到外侧的保护环，进一步降低边缘的电场，从而有效的抑止P区边缘发生击穿。再一种技术是利用在P区下方生长部分电荷薄层以增强PN区的电场，使PN区的电场大于边缘的电场先发生碰撞电离。该技术是先利用金属有机气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)的方法在衬底上生长吸收层和电荷层，然后利用反应离子刻蚀(RIE)在P区的正下方刻蚀出一个电荷薄层，再继续使用MOCVD或者MBE的办法生长倍增层。该技术涉及到多种工艺过程，包括二次生长，反应离子刻蚀等，实现比较复杂。
传统抑止APD器件边缘击穿的技术都需要进行二次扩散、离子注入或者二次生长等复杂的工艺过程，而这些工艺过程对于小尺寸的芯片来讲，生长过程存在较大的难度，特别是保护环技术很大程度上限制了芯片尺寸的大小。因此，能否采用一种工艺简单而又不限制芯片尺寸的技术来抑止APD器件边缘击穿是一个重要的研究课题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有抑止APD器件边缘击穿技术上存在的问题，提出了一种方法简单，不限制芯片尺寸的抑止雪崩光电二极管边缘击穿的方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种抑止雪崩光电二极管边缘击穿的方法，一种抑止雪崩光电二极管边缘击穿的方法，其特征在于包括：(1)该二极管由下往上依次包括衬底、吸收层、倍增层及本征衬底层，在本征衬底层上光刻形成一个窗口并通过扩散形成P型重掺杂区，雪崩光电二极管结构中的倍增层选择含高铝组分的材料，吸收层选择不含或含低铝组分的材料，所述含高铝组分的材料为AlGaAs、AlAs、AlInAs或GaAlInAs；所述不含或含低铝组分的材料为InGaAs、GaInNAs、GaInN、InGaAsP或InAlGaAs；(2)先让倍增层侧向边缘的含高铝组分的材料发生氧化形成氧化铝绝缘层，使氧化铝绝缘层从倍增层四周侧向扩展到P型重掺杂区的底下边缘部分。
在上述方法中，步骤(2)的具体步骤为：先让倍增层的侧向暴露出来，把样品放置到氧化炉中，给氧化炉中通水蒸气，并控制氧化炉的温度和压力，在高温下倍增层侧向含高铝组分的材料会与水蒸汽发生氧化反应生成绝缘的γ型氧化铝，控制氧化的温度和氧化时间，氧化铝绝缘层从倍增层四周侧向扩展到P型重掺杂区的底下边缘部分。
绝缘材料扩展到P型重掺杂区的底下边缘部分，可以有效的抑止P区电场过高发生的击穿。通过控制氧化时间和氧化温度，可以控制氧化铝绝缘层的长度，使氧化长度可以精确的扩展到P区的边缘，从而有效的抑止APD器件的边缘击穿。
本发明的抑止雪崩光电二极管边缘击穿的方法适用于平面型结构或台面型结构；也适用于正面入光结构、背面入光结构或者侧面入光结构的APD；也适用于分别吸收倍增结构或分别吸收电荷渐变结构的APD。如果在APD结构中增加对入射光吸收的结构，如布拉格反射(DBR)结构或边耦合的波导结构(WG-APD)，也适用于本发明的方法。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.本发明的抑止APD边缘击穿的方法，仅仅利用了水蒸汽等含氧物质与高铝组分的倍增层材料发生选择性氧化反应形成的绝缘层来抑止边缘击穿，工艺实现上比传统的二次扩散、二次生长等要简单的多，而且氧化的长度可以精确的控制和绝缘层材料的形成可以更加有效的防止由于扩散P区形成的曲率效应引起的边缘击穿。
2.本发明不需要在芯片上制作特殊的结构(如保护环)，故不会限制芯片的尺寸大小。
附图说明
图1是典型的平面型SAM结构的APD芯片示意图；
图2是以GaAs为衬底的正面入光的平面型APD芯片结构示意图；
图3是以InP为衬底的正面入光的平面型APD芯片结构示意图；
图4是以GaAs为衬底的背面入光的平面型APD芯片结构示意图；
图5是以GaAs为衬底的具有DBR结构的APD芯片结构示意图；
图6是以InP为衬底的正面入光的台面型APD芯片结构示意图；
图7是以InP为衬底的背面入光的台面型APD芯片结构示意图。
其中：
1—N型电极接地端；2—N型电极；3—衬底；4—吸收层；5—倍增层；6—本征衬底层；7—SiNx保护层；8—P型电极；9—P型电极；10—P型重掺杂区；11—氧化铝层；12—P型重掺杂层；13—N型GaAs/AlAs布拉格反射镜(DBR)结构。
具体实施方式
利用MOCVD(金属有机化学气相沉积法)或MBE(分子束外延生长)在N型衬底上依次生长与衬底晶格匹配的不含或含较低铝组分的吸收层、高铝组分的倍增层和与衬底同样材料的本征衬底层；接着在光刻胶的保护下，利用光刻技术形成一个窗口并通过扩散的技术形成P型重掺杂区，通过光刻形成的窗口和扩散的条件确定P区大致的轮廓，再在本征衬底层上蒸镀一层防止氧化的材料的保护膜，至此简单的SCAM结构的APD制作完成。然后通过半导体光刻及刻蚀工艺让样品形成台式结构，使倍增层的侧向暴露出来，把样品放置到氧化炉中，给氧化炉中通水蒸气，并控制氧化炉工作在适当的温度和压力下。在高温下，倍增层侧向含高铝组分的材料会与水蒸汽发生氧化反应生成绝缘的γ型氧化铝，可以通过控制氧化的温度和氧化时间来精确的控制氧化长度。根据前面得到的P区轮廓的信息，让氧化长度由侧面向样品中心扩展并且使P区弯曲的部分在氧化层的上面，这样虽然曲率效应造成的倍增层边缘电场过高的现象依然存在，但是由于γ型氧化铝绝缘层的存在就会抑制倍增层边缘发生击穿，从而使APD正常工作。最后在N型衬底下制作N型的电极，在P型区上面引出P型电极，这样抑止边缘击穿的APD结构就制作完成了。
为了更好的说明本发明的内容，我们结合具体插图来描述抑止边缘击穿APD的结构。图1是具有抑止边缘击穿的APD芯片结构的示意图，该结构示意的是典型的平面型SAM结构的APD芯片。它的主体结构由衬底3、吸收层4、倍增层5和I型的本征衬底层6构成。衬底3下面有N型的掺Au或Ge材料形成欧姆接触的电极2，I型的本征衬底层6上有通过扩散形成的P型重掺杂区10作为一个光注入窗口，I型的本征衬底层6上镀了一层SiNX保护层7，其目的在于防止表面被氧化和降低表面电流，在SiNx保护层7上还有由P型重掺杂区10引出来的P型电极9。该结构中核心的部分在于利用选择性氧化的方法在倍增层5的侧向形成具有可控氧化长度的、绝缘的氧化层11，该氧化层11由侧向扩展到P型重掺杂区10的底下，并且使P型重掺杂区10弯曲的部分在氧化层11的上面。
实施例1
如图2所示的正面入光的APD结构，衬底3为GaAs材料(砷化镓)、吸收层4为GaInNAs材料(镓铟氮砷)、倍增层5为AlGaAs材料(砷化铝镓)、本征衬底层6为GaAs材料。吸收层4选择GaInAs材料可以通过In、N的组分的调节控制带隙的宽度使吸收的光波长落在光通信波段；倍增层5选择AlGaAs材料可有效的控制倍增噪声。在工艺实现的过程中，首先可以利用MOCVD在N型GaAs衬底3上依次生长GaInNAs吸收层4、高铝组分的AlGaAs(x>0.8)倍增层5和本征衬底层6，然后通过扩散在本征衬底层6上形成一个P型重掺杂区10；将样品放置到氧化炉中氧化，使倍增层5中的AlGaAs氧化生成绝缘的氧化铝11，并通过控制氧化时间使氧化长度从侧向扩展到P型重掺杂区10附近，由于P型重掺杂区10弯曲部分在氧化层以上，其形成的高电场由于绝缘材料的存在无法使倍增层5击穿，所以该结构能有效的抑止P型重掺杂区10边缘的击穿效应。最后在衬底3制作N型电极2，在P型重掺杂区10引出一部分制作P型电极8和P型电极9，并在P型重掺杂区10上蒸镀抗反射的金属膜形成接收入射光的窗口。
实施例2
图3所示的是正面入光的APD结构，衬底3为InP材料(磷化铟)、吸收层4为GaInAs材料、倍增层5为GaAlInAs材料、本征衬底层6为InP材料。由于与InP匹配的InGaAs材料吸收的波长范围在光通信波段，且其SCAM结构具有良好的带宽特性，因此广泛的应用于光通信系统中。工艺实现的过程与实施例1相同。
实施例3
图4所示的是背面入光的APD结构，衬底3为GaAs材料、吸收层4为GaInNAs材料、倍增层5为AlGaAs材料、本征衬底层6为GaAs材料。工艺上主体结构的制作与实施例1相同，不同的地方在于电极制作上。本实施例中直接在P型重掺杂区10上制作P型电极8和P型电极9，在制作N型电极2的时候，通过半导体光刻技术在衬底3上刻蚀一个接收入射光的窗口，并蒸镀上抗反射的金属膜，最后在制作N型电极2。
实施例4
图5所示的是具有DBR结构的APD结构，衬底3为GaAs材料、吸收层4为GaInNAs材料、倍增层5为AlGaAs材料、本征衬底层6为GaAs材料。DBR结构可以在不增加吸收层4的厚度的前提下增加吸收光的效率，从而提高响应度。工艺上主体结构的制作与实施例1类似，不同的地方在于在衬底3上首先利用MOCVD技术生长适当数量的具有λ/4光学厚度的GaAs/AlAs布拉格反射系统，然后制作吸收层4、倍增层5、本征衬底层6、制作P型电极8、P型电极9和N型电极。
实施例5
图6所示的是台面型正面入光的APD结构，衬底3为InP材料、吸收层4为InGaAs材料、倍增层5为GaAlInAs材料、本征衬底层6为InP材料。台面型APD结构的制作工艺简单，具体的工艺实如下：首先利用MOCVD技术在衬底3上依次生长吸收层4、倍增层5和本征衬底层6，然后通过半导体光刻技术，刻蚀出台面型结构；将样品放置到氧化炉中氧化，使倍增层5中的GaAlInAs氧化生成绝缘的氧化铝11。由于台面结构发生边缘击穿的位置在于靠近倍增层5最外侧的地方，所以倍增层5氧化的长度不需要太长，与平面型结构的制作相比，可以大大节约制作的时间；最后在衬底3上制作N型电极2，在本征衬底层6上制作P型电极8和P型电极9，并在P型的本征衬底层6窗口上蒸镀抗反射的金属膜形成接收入射光的窗口。
实施例6
图7所示的是台面型背面入光的APD结构，衬底3为InP材料、吸收层4为InGaAs材料、倍增层5为AlInAs材料、本征衬底层6为InP材料。工艺上主体结构的制作与实施例1类似，不同的地方在于电极制作上。本实施例直接在本征衬底层6上制作P型电极8，在衬底3上制作N型电极2。在制作N型电极2时，通过半导体光刻技术在衬底3上刻蚀一个接收入射光的窗口，并蒸镀上抗反射的金属膜，最后再制作N型电极2。
Claims (5)
1.一种抑止雪崩光电二极管边缘击穿的方法，其特征在于包括：1)该二极管由下往上依次包括衬底(3)、吸收层(4)、倍增层(5)及与衬底同样材料的本征衬底层(6)，在本征衬底层(6)上光刻形成一个窗口并通过扩散形成P型重掺杂区(10)，雪崩光电二极管结构中的倍增层(5)选择含高铝组分的材料，吸收层(4)选择不含或含低铝组分的材料，所述含高铝组分的材料为AlGaAs、AlAs、AlInAs或GaAlInAs；所述不含或含低铝组分的材料为InGaAs、GaInNAs、GaInN、InGaAsP或InAlGaAs；
2)先让倍增层(5)侧向边缘的含高铝组分的材料发生氧化形成氧化铝绝缘层(11)，使氧化铝绝缘层(11)从倍增层四周侧向扩展到P型重掺杂区(10)的底下边缘部分，所述P型重掺杂区(10)的底下边缘具有弯曲部分，所述P型重掺杂区(10)的弯曲部分在所述氧化铝绝缘层(11)上面。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤2)具体为：先让倍增层(5)四周的侧向暴露出来，把样品放置到氧化炉中，给氧化炉中通水蒸气，并控制氧化炉的温度和压力，在高温下倍增层(5)侧向含高铝组分的材料会与水蒸汽发生氧化反应生成绝缘的γ型氧化铝，控制氧化的温度和氧化时间，氧化铝绝缘层(11)从倍增层四周侧向扩展到P型重掺杂区(10)的底下边缘部分。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述雪崩光电二极管为平面型结构或台面型结构。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述雪崩光电二极管结构是正面入光结构、背面入光结构或者侧面入光结构。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述雪崩光电二极管结构为分别吸收倍增结构或分别吸收电荷渐变结构。
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