專利名稱：一種抑止雪崩光電二極管邊緣擊穿的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及雪崩光電二極管，具體的說，涉及一種抑止雪崩光電二極管邊緣擊穿的方法。
背景技術(shù)：
在過去近五個(gè)多世紀(jì)以來，雪崩光電二極管(APD)被廣泛的應(yīng)用于商業(yè)、軍事和科研等方面的研究。最近幾年來，隨著光通信產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，扮演著光通信系統(tǒng)中接收器重要角色的光電探測器也得到迅速的發(fā)展。接收器中靈敏度是光通信系統(tǒng)中重要的指標(biāo)之一，APD內(nèi)部會(huì)發(fā)生碰撞電離形成內(nèi)增益，比傳統(tǒng)的光電二極管(PIN)靈敏度優(yōu)5-10dBm，使APD成為光通信系統(tǒng)中接收器的首選。
從傳統(tǒng)光通信的2.5Gbit/s的傳輸速率，到目前40Gbit/s傳輸速率提上課題，高速光通信系統(tǒng)對接收器的要求越來越高。圍繞著對器件高帶寬、低噪聲等性能要求，研究人員從材料開發(fā)到器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)展開了廣泛的研究。
目前對于光通信波段，商用的APD常用InGaAs材料作為吸收層，與InGaAs材料晶格相互匹配的InP、InAlAs等材料作為倍增層，利用這些材料制作成的分開吸收倍增(SCAM)結(jié)構(gòu)的APD具有良好的帶寬特性，目前報(bào)道過最高的增益帶寬積為320GHz。但是隨著器件尺寸的越來越小，器件倍增層上承受的電場越來越大，在高電場下，衡量器件噪聲特性一個(gè)重要的指標(biāo)，電子離化率與空穴離化率的比值k開始趨向于1，根據(jù)傳統(tǒng)的理論當(dāng)k值趨向于1的時(shí)候，器件的噪聲特性變差。一般對于特定的材料來講，電子離化率和空穴離化率是確定的，是隨電場變化的一個(gè)函數(shù)，因此改善噪聲一個(gè)重要的途徑就是更改倍增層的材料。目前對于AlGaAs材料的理論和實(shí)驗(yàn)研究表明，利用高鋁組分的AlGaAs材料作倍增層和吸收層，GaAs材料作為襯底的PIN結(jié)構(gòu)具有良好的噪聲特性，特別是當(dāng)鋁的組分達(dá)到80％的時(shí)候，即使在小尺寸下k值仍有0.13，其噪聲特性最好。但由于用AlGaAs吸收層，接收的光波長不在通信波段。最近幾年GaInNAs、GaNAs等材料由于跟GaAs材料具有良好的晶格匹配，又可以通過不同的組分讓其吸收的波段落在光通信波長，被廣泛的應(yīng)用在激光器的研究中。研究表明以GaAs材料為襯底，以GaInNAs材料為吸收層，以高鋁組分的AlGaAs材料作為倍增層的分開吸收與倍增結(jié)構(gòu)的APD將會(huì)是光通信系統(tǒng)中接收器重要的候選者。
在APD器件結(jié)構(gòu)的研究上，傳統(tǒng)的APD主要有兩種結(jié)構(gòu)臺(tái)面型結(jié)構(gòu)(mesa-type)和平面型結(jié)構(gòu)(planar)，其中臺(tái)面型的APD具有制作簡單、可重復(fù)制作等優(yōu)點(diǎn)；與臺(tái)面型的APD相比，由于平面型的APD將PN結(jié)掩埋在體內(nèi)，它具有更低的暗電流和更高的穩(wěn)定性，但在工藝實(shí)現(xiàn)上卻復(fù)雜得多。平面型的APD還有一個(gè)需要解決的重要問題就是防止邊緣擊穿在制作平面型的APD的工藝流程中，由于擴(kuò)散或者離子注入形成的P區(qū)具有曲率效應(yīng)，邊緣的電場高于中央的PN結(jié)的電場，因此在高電場的作用下，PN結(jié)區(qū)域還沒達(dá)到碰撞電離的程度，邊緣已經(jīng)提前擊穿了。傳統(tǒng)抑止邊緣擊穿的方法有多種一種是在器件的側(cè)向形成保護(hù)環(huán)，這種技術(shù)是利用在芯片生長過程中通過擴(kuò)散形成P區(qū)的同時(shí)，利用離子注入或者二次擴(kuò)散的方法在P區(qū)的側(cè)向注入一定濃度的雜質(zhì)，形成一個(gè)保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)(GR)，或者形成兩個(gè)相鄰的一深一淺的保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)(PLEG)。保護(hù)環(huán)的作用在于它降低了P區(qū)的曲率效應(yīng)，從而有效的抑止APD器件中P區(qū)邊緣電場過高導(dǎo)致的擊穿。但是這種辦法對于分別吸收倍增(SAM)結(jié)構(gòu)的APD器件來講，由于引入了保護(hù)環(huán)，在環(huán)下面的空間電荷急劇下降，容易導(dǎo)致環(huán)底下的吸收層電場過高發(fā)生隧穿效應(yīng)。另一種辦法是在器件中形成浮動(dòng)保護(hù)環(huán)，這種辦法通過光刻技術(shù)一次性在倍增層上面形成三個(gè)有一定間隔窗口，然后通過一次性擴(kuò)散形成重?fù)诫s的P區(qū)和兩個(gè)保護(hù)環(huán)。有了這兩個(gè)保護(hù)環(huán)，隨著外加電壓的升高，P區(qū)下的耗盡區(qū)域往側(cè)向擴(kuò)展直至碰到內(nèi)側(cè)的保護(hù)環(huán)，由于保護(hù)環(huán)與中心的P區(qū)都是重?fù)诫s，它們之間電勢相等，耗盡區(qū)域就直接“跳”到外側(cè)的保護(hù)環(huán)，擴(kuò)大了的耗盡區(qū)域增加了P區(qū)邊緣等電勢線的間隔從而降低了P區(qū)邊緣的電場。當(dāng)電壓繼續(xù)升高時(shí)，耗盡區(qū)域又從內(nèi)側(cè)保護(hù)環(huán)“跳”到外側(cè)的保護(hù)環(huán)，進(jìn)一步降低邊緣的電場，從而有效的抑止P區(qū)邊緣發(fā)生擊穿。再一種技術(shù)是利用在P區(qū)下方生長部分電荷薄層以增強(qiáng)PN區(qū)的電場，使PN區(qū)的電場大于邊緣的電場先發(fā)生碰撞電離。該技術(shù)是先利用金屬有機(jī)氣相沉積(MOCVD)或分子束外延(MBE)的方法在襯底上生長吸收層和電荷層，然后利用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)在P區(qū)的正下方刻蝕出一個(gè)電荷薄層，再繼續(xù)使用MOCVD或者M(jìn)BE的辦法生長倍增層。該技術(shù)涉及到多種工藝過程，包括二次生長，反應(yīng)離子刻蝕等，實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜。
傳統(tǒng)抑止APD器件邊緣擊穿的技術(shù)都需要進(jìn)行二次擴(kuò)散、離子注入或者二次生長等復(fù)雜的工藝過程，而這些工藝過程對于小尺寸的芯片來講，生長過程存在較大的難度，特別是保護(hù)環(huán)技術(shù)很大程度上限制了芯片尺寸的大小。因此，能否采用一種工藝簡單而又不限制芯片尺寸的技術(shù)來抑止APD器件邊緣擊穿是一個(gè)重要的研究課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有抑止APD器件邊緣擊穿技術(shù)上存在的問題，提出了一種方法簡單，不限制芯片尺寸的抑止雪崩光電二極管邊緣擊穿的方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種抑止雪崩光電二極管邊緣擊穿的方法，包括(1)雪崩光電二極管結(jié)構(gòu)中的倍增層選擇含高鋁組分的材料，吸收層選擇不含或含低鋁組分的材料；(2)先讓倍增層側(cè)向邊緣的含高鋁組分的材料發(fā)生氧化形成氧化鋁絕緣層，使氧化鋁絕緣層從側(cè)向擴(kuò)展到P型重?fù)诫s區(qū)。
在上述方法中，步驟(2)的具體步驟為先讓倍增層的側(cè)向暴露出來，把樣品放置到氧化爐中，給氧化爐中通水蒸氣，并控制氧化爐的溫度和壓力，在高溫下倍增層側(cè)向含高鋁組分的材料會(huì)與水蒸汽發(fā)生氧化反應(yīng)生成絕緣的γ型氧化鋁，控制氧化的溫度和氧化時(shí)間，氧化鋁絕緣層從側(cè)向擴(kuò)展到P型重?fù)诫s區(qū)。
絕緣材料擴(kuò)展到P型重?fù)诫s區(qū)，可以有效的抑止P區(qū)電場過高發(fā)生的擊穿。通過控制氧化時(shí)間和氧化溫度，可以控制氧化鋁絕緣層的長度，使氧化長度可以精確的擴(kuò)展到P區(qū)的邊緣，從而有效的抑止APD器件的邊緣擊穿。
在上述方法中，所述含高鋁組分的材料優(yōu)選AlGaAs、AlAs、AlInAs或GaAlInAs；所述不含或含低鋁組分的材料優(yōu)選InGaAs、GaInNAs、GaInN、InGaAsP或InAlGaAs。
本發(fā)明的抑止雪崩光電二極管邊緣擊穿的方法適用于平面性結(jié)構(gòu)、臺(tái)面型結(jié)構(gòu)、或有掩埋層的臺(tái)面型結(jié)構(gòu)的APD；也適用于正面入光結(jié)構(gòu)、背面入光結(jié)構(gòu)或者側(cè)面入光結(jié)構(gòu)的APD；也適用于分別吸收倍增結(jié)構(gòu)、分別吸收漸變倍增結(jié)構(gòu)、分別吸收電荷漸變結(jié)構(gòu)或分別吸收漸變電荷倍增結(jié)構(gòu)的APD。如果在APD結(jié)構(gòu)中增加對入射光吸收的結(jié)構(gòu)，如布拉格反射(DBR)結(jié)構(gòu)或邊耦合的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(WG-APD)，也適用于本發(fā)明的方法。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果1.本發(fā)明的抑止APD邊緣擊穿的方法，僅僅利用了水蒸汽等含氧物質(zhì)與高鋁組分的倍增層材料發(fā)生選擇性氧化反應(yīng)形成的絕緣層來抑止邊緣擊穿，工藝實(shí)現(xiàn)上比傳統(tǒng)的二次擴(kuò)散、二次生長等要簡單的多，而且氧化的長度可以精確的控制和絕緣層材料的形成可以更加有效的防止由于擴(kuò)散P區(qū)形成的曲率效應(yīng)引起的邊緣擊穿。
2.本發(fā)明不需要在芯片上制作特殊的結(jié)構(gòu)(如保護(hù)環(huán))，故不會(huì)限制芯片的尺寸大小。


圖1是典型的平面型SAM結(jié)構(gòu)的APD芯片示意圖；圖2是以GaAs為襯底的正面入光的平面型APD芯片結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是以InP為襯底的正面入光的平面型APD芯片結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是以GaAs為襯底的背面入光的平面型APD芯片結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是以GaAs為襯底的具有DBR結(jié)構(gòu)的APD芯片結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是以InP為襯底的正面入光的臺(tái)面型APD芯片結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是以InP為襯底的背面入光的臺(tái)面型APD芯片結(jié)構(gòu)示意圖。
其中1-N型電極接地端；2-N型電極；3-襯底；4-吸收層；5-倍增層；6-本征襯底層；7-SiNx保護(hù)層；8-P型電極；9-P型電極；10-P型重?fù)诫s區(qū)；11-氧化鋁層；12-P型重?fù)诫s層；13-N型GaAs/AlAs布拉格反射鏡(DBR)結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式
利用MOCVD(金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法)或MBE(分子束外延生長)在N型襯底上依次生長與襯底晶格匹配的不含或含較低鋁組分的吸收層、高鋁組分的倍增層和與襯底同樣材料的本征襯底層；接著在光刻膠的保護(hù)下，利用光刻技術(shù)形成一個(gè)窗口并通過擴(kuò)散的技術(shù)形成P型重?fù)诫s區(qū)，通過光刻形成的窗口和擴(kuò)散的條件確定P區(qū)大致的輪廓，再在本征襯底層上蒸鍍一層防止氧化的材料的保護(hù)膜，至此簡單的SCAM結(jié)構(gòu)的APD制作完成。然后通過半導(dǎo)體光刻及刻蝕工藝讓樣品形成臺(tái)式結(jié)構(gòu)，使倍增層的側(cè)向暴露出來，把樣品放置到氧化爐中，給氧化爐中通水蒸氣，并控制氧化爐工作在適當(dāng)?shù)臏囟群蛪毫ο?。在高溫下，倍增層?cè)向含高鋁組分的材料會(huì)與水蒸汽發(fā)生氧化反應(yīng)生成絕緣的γ型氧化鋁，可以通過控制氧化的溫度和氧化時(shí)間來精確的控制氧化長度。根據(jù)前面得到的P區(qū)輪廓的信息，讓氧化長度由側(cè)面向樣品中心擴(kuò)展并且使P區(qū)彎曲的部分在氧化層的上面，這樣雖然曲率效應(yīng)造成的倍增層邊緣電場過高的現(xiàn)象依然存在，但是由于γ型氧化鋁絕緣層的存在就會(huì)抑制倍增層邊緣發(fā)生擊穿，從而使APD正常工作。最后在N型襯底下制作N型的電極，在P型區(qū)上面引出P型電極，這樣抑止邊緣擊穿的APD結(jié)構(gòu)就制作完成了。
為了更好的說明本發(fā)明的內(nèi)容，我們結(jié)合具體插圖來描述抑止邊緣擊穿APD的結(jié)構(gòu)。圖1是具有抑止邊緣擊穿的APD芯片結(jié)構(gòu)的示意圖，該結(jié)構(gòu)示意的是典型的平面型SAM結(jié)構(gòu)的APD芯片。它的主體結(jié)構(gòu)由襯底3、吸收層4、倍增層5和I型的本征襯底層6構(gòu)成。襯底3下面有N型的摻Au或Ge材料形成歐姆接觸的電極2，I型的本征襯底層6上有通過擴(kuò)散形成的P型重?fù)诫s區(qū)10作為一個(gè)光注入窗口，I型的本征襯底層6上鍍了一層SiNx保護(hù)層7，其目的在于防止表面被氧化和降低表面電流，在SiNx保護(hù)層7上還有由P型重?fù)诫s區(qū)10引出來的P型電極9。該結(jié)構(gòu)中核心的部分在于利用選擇性氧化的方法在倍增層5的側(cè)向形成具有可控氧化長度的、絕緣的氧化層11，該氧化層11由側(cè)向擴(kuò)展到P型重?fù)诫s區(qū)10的底下，并且使P型重?fù)诫s區(qū)10彎曲的部分在氧化層11的上面。
實(shí)施例1
如圖2所示的正面入光的APD結(jié)構(gòu)，襯底3為GaAs材料(砷化鎵)、吸收層4為GaInNAs材料(鎵銦氮砷)、倍增層5為AlGaAs材料(砷化鋁鎵)、本征襯底層6為GaAs材料。吸收層4選擇GaInAs材料可以通過In、N的組分的調(diào)節(jié)控制帶隙的寬度使吸收的光波長落在光通信波段；倍增層5選擇AlGaAs材料可有效的控制倍增噪聲。在工藝實(shí)現(xiàn)的過程中，首先可以利用MOCVD在N型GaAs襯底3上依次生長GaInNAs吸收層4、高鋁組分的AlGaAs(x＞0.8)倍增層5和本征襯底層6，然后通過擴(kuò)散在本征襯底層6上形成一個(gè)P型重?fù)诫s區(qū)10；將樣品放置到氧化爐中氧化，使倍增層5中的AlGaAs氧化生成絕緣的氧化鋁11，并通過控制氧化時(shí)間使氧化長度從側(cè)向擴(kuò)展到P型重?fù)诫s區(qū)10附近，由于P型重?fù)诫s區(qū)10彎曲部分在氧化層以上，其形成的高電場由于絕緣材料的存在無法使倍增層5擊穿，所以該結(jié)構(gòu)能有效的抑止P型重?fù)诫s區(qū)10邊緣的擊穿效應(yīng)。最后在襯底3制作N型電極2，在P型重?fù)诫s區(qū)10引出一部分制作P型電極8和P型電極9，并在P型重?fù)诫s區(qū)10上蒸鍍抗反射的金屬膜形成接收入射光的窗口。
實(shí)施例2圖3所示的是正面入光的APD結(jié)構(gòu)，襯底3為InP材料(磷化銦)、吸收層4為GaInAs材料、倍增層5為GaAlInAs材料、本征襯底層6為InP材料。由于與InP匹配的InGaAs材料吸收的波長范圍在光通信波段，且其SCAM結(jié)構(gòu)具有良好的帶寬特性，因此廣泛的應(yīng)用于光通信系統(tǒng)中。工藝實(shí)現(xiàn)的過程與實(shí)施例1相同。
實(shí)施例3圖4所示的是背面入光的APD結(jié)構(gòu)，襯底3為GaAs材料、吸收層4為GaInNAs材料、倍增層5為AlGaAs材料、本征襯底層6為GaAs材料。工藝上主體結(jié)構(gòu)的制作與實(shí)施例1相同，不同的地方在于電極制作上。本實(shí)施例中直接在P型重?fù)诫s區(qū)10上制作P型電極8和P型電極9，在制作N型電極2的時(shí)候，通過半導(dǎo)體光刻技術(shù)在襯底3上刻蝕一個(gè)接收入射光的窗口，并蒸鍍上抗反射的金屬膜，最后在制作N型電極2。
實(shí)施例4圖5所示的是具有DBR結(jié)構(gòu)的APD結(jié)構(gòu)，襯底3為GaAs材料、吸收層4為GaInNAs材料、倍增層5為AlGaAs材料、本征襯底層6為GaAs材料。DBR結(jié)構(gòu)可以在不增加吸收層4的厚度的前提下增加吸收光的效率，從而提高響應(yīng)度。工藝上主體結(jié)構(gòu)的制作與實(shí)施例1類似，不同的地方在于在襯底3上首先利用MOCVD技術(shù)生長適當(dāng)數(shù)量的具有λ/4光學(xué)厚度的GaAs/AlAs布拉格反射系統(tǒng)，然后制作吸收層4、倍增層5、本征襯底層6、制作P型電極8、P型電極9和N型電極。
實(shí)施例5圖6所示的是臺(tái)面型正面入光的APD結(jié)構(gòu)，襯底3為InP材料、吸收層4為InGaAs材料、倍增層5為GaAlInAs材料、本征襯底層6為InP材料。臺(tái)面型APD結(jié)構(gòu)的制作工藝簡單，具體的工藝實(shí)如下首先利用MOCVD技術(shù)在襯底3上依次生長吸收層4、倍增層5和本征襯底層6，然后通過半導(dǎo)體光刻技術(shù)，刻蝕出臺(tái)面型結(jié)構(gòu)；將樣品放置到氧化爐中氧化，使倍增層5中的GaAlInAs氧化生成絕緣的氧化鋁11。由于臺(tái)面結(jié)構(gòu)發(fā)生邊緣擊穿的位置在于靠近倍增層5最外側(cè)的地方，所以倍增層5氧化的長度不需要太長，與平面型結(jié)構(gòu)的制作相比，可以大大節(jié)約制作的時(shí)間；最后在襯底3上制作N型電極2，在本征襯底層6上制作P型電極8和P型電極9，并在P型的本征襯底層6窗口上蒸鍍抗反射的金屬膜形成接收入射光的窗口。
實(shí)施例6圖7所示的是臺(tái)面型背面入光的APD結(jié)構(gòu)，襯底3為InP材料、吸收層4為InGaAs材料、倍增層5為AlInAs材料、本征襯底層6為InP材料。工藝上主體結(jié)構(gòu)的制作與實(shí)施例1類似，不同的地方在于電極制作上。本實(shí)施例直接在本征襯底層6上制作P型電極8，在襯底3上制作N型電極2。在制作N型電極2時(shí)，通過半導(dǎo)體光刻技術(shù)在襯底3上刻蝕一個(gè)接收入射光的窗口，并蒸鍍上抗反射的金屬膜，最后再制作N型電極2。
權(quán)利要求
1.一種抑止雪崩光電二極管邊緣擊穿的方法，其特征在于包括1)雪崩光電二極管結(jié)構(gòu)中的倍增層(5)選擇含高鋁組分的材料，吸收層(4)選擇不含或含低鋁組分的材料；2)先讓倍增層(5)側(cè)向邊緣的含高鋁組分的材料發(fā)生氧化形成氧化鋁絕緣層(11)，使氧化鋁絕緣層(11)從側(cè)向擴(kuò)展到P型重?fù)诫s區(qū)(10)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟2)具體為先讓倍增層(5)的側(cè)向暴露出來，把樣品放置到氧化爐中，給氧化爐中通水蒸氣，并控制氧化爐的溫度和壓力，在高溫下倍增層(5)側(cè)向含高鋁組分的材料會(huì)與水蒸汽發(fā)生氧化反應(yīng)生成絕緣的γ型氧化鋁，控制氧化的溫度和氧化時(shí)間，氧化鋁絕緣層(11)從側(cè)向擴(kuò)展到P型重?fù)诫s區(qū)(10)。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述含高鋁組分的材料為AlGaAs、AlAs、AlInAs或GaAlInAs；所述不含或含低鋁組分的材料為InGaAs、GaInNAs、GaInN、InGaAsP或InAlGaAs。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述雪崩光電二極管為平面性結(jié)構(gòu)、臺(tái)面型結(jié)構(gòu)、或有掩埋層的臺(tái)面型結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述雪崩光電二極管結(jié)構(gòu)可以是正面入光結(jié)構(gòu)、背面入光結(jié)構(gòu)或者側(cè)面入光結(jié)構(gòu)。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述雪崩光電二極管結(jié)構(gòu)為分別吸收倍增結(jié)構(gòu)、分別吸收漸變倍增結(jié)構(gòu)、分別吸收電荷漸變結(jié)構(gòu)或分別吸收漸變電荷倍增結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種抑止雪崩光電二極管邊緣擊穿的方法，它包括(1)雪崩光電二極管結(jié)構(gòu)中的倍增層選擇含高鋁組分的材料，吸收層選擇不含或含低鋁組分的材料；(2)先讓倍增層側(cè)向邊緣的含高鋁組分的材料發(fā)生氧化形成氧化鋁絕緣層，使氧化鋁絕緣層從側(cè)向擴(kuò)展到P型重?fù)诫s區(qū)。本發(fā)明僅僅利用了水蒸汽等含氧物質(zhì)與高鋁組分的倍增層材料發(fā)生選擇性氧化反應(yīng)形成的絕緣層來抑止邊緣擊穿，工藝實(shí)現(xiàn)上比傳統(tǒng)的二次擴(kuò)散、二次生長等要簡單的多，而且氧化的長度可以精確的控制和絕緣層材料的形成可以更加有效的防止由于擴(kuò)散P區(qū)形成的曲率效應(yīng)引起的邊緣擊穿。本發(fā)明不需要在芯片上制作特殊的結(jié)構(gòu)(如保護(hù)環(huán))，故不會(huì)限制芯片的尺寸大小。
文檔編號(hào)H01L21/02GK101093802SQ200710028579
公開日2007年12月26日 申請日期2007年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月14日
發(fā)明者王鋼, 陳詩育 申請人:中山大學(xué)