本發(fā)明涉及紅外光電器件領(lǐng)域，特別是一種平面型銦鎵砷雪崩光電二極管和制造方法。

背景技術(shù)：

1、雪崩光電二極管因?yàn)樵鲆娓撸瑔喂庾游⑷跣盘柼綔y能力強(qiáng)被廣泛用于光通信及激光雷達(dá)，光吸收層采用銦鎵砷材料，銦鎵砷探測器是短波紅外波段綜合性能最佳的光電探測器。根據(jù)空穴倍增和電子倍增其材料也會有所不同。而器件的基本結(jié)構(gòu)主要分為臺面型和平面型兩種。主要在磷化銦襯底上異質(zhì)外延獲得。從基本器件結(jié)構(gòu)上分為臺面型和平面型兩種結(jié)構(gòu)。

2、針對空穴倍增型探測器，主要采用sagcm結(jié)構(gòu)，在磷化銦襯底上分別生長緩沖層，光吸收層，漸變層，電荷層以及帽層。相較于臺面型的結(jié)區(qū)裸露，平面型結(jié)構(gòu)的pn結(jié)結(jié)構(gòu)會埋藏在帽層中，通過擴(kuò)散的方式形成p型區(qū)域，更有利于低暗計(jì)數(shù)率，適用于單光子的探測。但對比臺面結(jié)而言，通過擴(kuò)散形成的區(qū)域存在曲率效應(yīng)，使得在光敏源較大時，邊緣電場高于中心電場，不便于光源的探測。尤其在過偏壓時該現(xiàn)象更加明顯，從而導(dǎo)致提前擊穿，在單光子的探測領(lǐng)域，該問題越來越備受關(guān)注。

3、為了抑制平面型i?ngaas探測器的邊緣擊穿，相關(guān)領(lǐng)域人員相繼探索并提出了一系列方法，包括帶有復(fù)合保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)的雪崩光電二極管及其制作方法(發(fā)明專利申請?zhí)枺篶n117913174a)，利用用刻蝕坑方法抑制平面型i?ngaas/i?np蓋革模式apd的邊緣擊穿(光子學(xué)報47，0523001(2018))。以及利用兩層絕緣介質(zhì)鈍化方法，通過低高功率鈍化，增強(qiáng)耐壓性從而減少邊緣擊穿風(fēng)險(發(fā)明專利申請?zhí)枺篶n202310376064.0)。另外，還有報道利用多層刻蝕坑的方法，從兩側(cè)向中間逐級向下凹陷形成的n級同軸對稱臺階結(jié)構(gòu)(發(fā)明專利申請?zhí)枺篶n202211144013.7)。已公開的這些專利或?qū)嵤┧悸反蠖嘀粚σ延袛U(kuò)散形貌加以抑制。由于在大擴(kuò)散孔徑下加之?dāng)U散源在材料中的橫向擴(kuò)散，電場峰值會始終出現(xiàn)在頂部外側(cè)，若不對擴(kuò)散形貌進(jìn)行引導(dǎo)，將不能從根本上解決電場分散問題，但當(dāng)頂部擴(kuò)散空間縮小后，由于前向擴(kuò)散形貌的匯聚，即使電場峰值仍在邊緣，但對于整個倍增區(qū)，電場仍處于相對中心的位置。因此，上述措施在一定程度上實(shí)現(xiàn)對邊緣電場的抑制，但未從根本上將電場引導(dǎo)至前向匯聚的效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種平面型銦鎵砷雪崩光電二極管和制造方法，主要解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是提供一種平面型銦鎵砷雪崩光電二極管，其特征在于，包含擴(kuò)散層、雪崩層、電荷層、組分漸變層、光吸收層、緩沖層和襯底；所述擴(kuò)散層包含凸起擴(kuò)散區(qū)和臺階擴(kuò)散區(qū)；所述凸起擴(kuò)散區(qū)位于所述臺階擴(kuò)散區(qū)的上方；所述雪崩層位于所述臺階擴(kuò)散區(qū)的下方；在所述雪崩層的下方，依次是所述電荷層、所述組分漸變層、所述光吸收層、所述緩沖層和所述襯底。

3、進(jìn)一步地，所述擴(kuò)散層摻雜類型為n型，擴(kuò)散類型為p型，厚度優(yōu)選為4.8微米；其中，所述凸起擴(kuò)散區(qū)為環(huán)孔結(jié)構(gòu)，厚度優(yōu)選為100至500納米；所述臺階擴(kuò)散區(qū)的材料優(yōu)選為i?np；所述凸起擴(kuò)散區(qū)的材料優(yōu)選為i?np或者i?n0.52a?l?0.48as。

4、進(jìn)一步地，所述電荷層的材料優(yōu)選為i?np，厚度優(yōu)選為0.125微米，摻雜類型為n型。

5、進(jìn)一步地，所述組分漸變層的材料優(yōu)選為i?ngaasp，厚度優(yōu)選為0.02至0.06微米，摻雜類型為n型。

6、進(jìn)一步地，所述光吸收層的材料優(yōu)選為i?n0.53ga0.47as或者i?ngaasp，厚度優(yōu)選為2.0微米，摻雜類型為n型。

7、進(jìn)一步地，所述緩沖層的材料優(yōu)選為i?np，厚度優(yōu)選為1微米，摻雜類型為n型；所述襯底的材料優(yōu)選為i?np，摻雜類型為n型。

8、本發(fā)明還公開了一種制造上述平面型銦鎵砷雪崩光電二極管的制造方法，其特征在于，包含步驟:

9、步驟s10，獲得預(yù)刻蝕材料；在所述預(yù)刻蝕材料自底層到頂層，依次包含所述緩沖層、所述光吸收層、所述組分漸變層、所述電荷層、所述擴(kuò)散層；所述擴(kuò)散層的頂部包含預(yù)刻蝕層；

10、步驟s20，利用圖形掩膜紫外線光刻工藝，在所述預(yù)刻蝕層生成凸起擴(kuò)散區(qū)；

11、步驟s30，使用原子擴(kuò)散工藝，在所述凸起擴(kuò)散區(qū)進(jìn)行第一次擴(kuò)散；

12、步驟s40，使用原子擴(kuò)散工藝，在整個所述擴(kuò)散層進(jìn)行第二次擴(kuò)散，形成所述臺階擴(kuò)散區(qū)；

13、步驟s50、使用紫外線光刻，生成正負(fù)電極對應(yīng)的電極圖形；

14、步驟s60、使用濺射鍍膜工藝，利用所述電極圖形，形成所述正負(fù)電極。

15、進(jìn)一步地，在步驟s20中，具體包含步驟：

16、步驟s21，采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積技術(shù)，產(chǎn)生氮化硅薄膜；

17、步驟s22，在所述氮化硅薄膜上，光刻生成所述凸起擴(kuò)散區(qū)的掩膜；

18、步驟s23，利用等離子刻蝕工藝，生成所述凸起擴(kuò)散區(qū)。

19、進(jìn)一步地，在步驟s30中，具體包含步驟：

20、步驟s31，采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積技術(shù)，產(chǎn)生氮化硅薄膜；

21、步驟s32，在所述氮化硅薄膜上，光刻生成第一次擴(kuò)散掩膜版；所述第一次擴(kuò)散掩膜版的尺寸小于等于所述凸起擴(kuò)散區(qū)的尺寸；

22、步驟s33，利用等離子刻蝕工藝，生成第一次擴(kuò)散區(qū)；

23、步驟s34，通過所述第一次擴(kuò)散區(qū)，完成第一次原子擴(kuò)散。

24、進(jìn)一步地，在步驟s40中，具體包含步驟：

25、步驟s41，采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積技術(shù)，產(chǎn)生氮化硅薄膜；

26、步驟s42，在所述氮化硅薄膜上，光刻生成第二次擴(kuò)散掩膜版；所述第二次擴(kuò)散掩膜版的尺寸大于所述凸起擴(kuò)散區(qū)的尺寸；

27、步驟s43，利用等離子刻蝕工藝，生成第二次擴(kuò)散區(qū)；

28、步驟s44，通過所述第二次擴(kuò)散區(qū)，完成第二次原子擴(kuò)散。

29、鑒于上述技術(shù)特征，本發(fā)明一種平面型銦鎵砷雪崩光電二極管和制造方法，相對于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下顯著優(yōu)點(diǎn)：

30、1、本發(fā)明對平面型銦鎵砷雪崩光電二極管的擴(kuò)散形貌進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，有效地使得電場前向匯聚，并且有效感光面并未大幅度衰減。請參閱圖5，展示了同樣是10微米有效感光面器件上，現(xiàn)有技術(shù)和本發(fā)明的電場分布的差異。在現(xiàn)有技術(shù)生成的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，其電場分布呈現(xiàn)邊緣強(qiáng)中心分布弱。而利用本發(fā)明的環(huán)孔結(jié)構(gòu)調(diào)制后，電場呈現(xiàn)為中心強(qiáng)而邊緣弱的臺階分布。

31、2、本發(fā)明解決了現(xiàn)有大擴(kuò)散孔徑器件邊緣電場大并且電場不集中的問題。請參閱圖6，展示了現(xiàn)有技術(shù)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和本發(fā)明環(huán)孔結(jié)構(gòu)的iv曲線。在拉通電壓相同的情況下，本發(fā)明的平面型銦鎵砷雪崩光電二極管的器件性能得到了大幅改善，擊穿電壓數(shù)值向后推移。

32、3、本發(fā)明平面型銦鎵砷雪崩光電二極管的制造方法，均與現(xiàn)有工藝兼容，無需改變生產(chǎn)設(shè)備。并且凸起擴(kuò)散區(qū)的環(huán)孔結(jié)構(gòu)，其工藝參數(shù)可控，可通過前期經(jīng)驗(yàn)積累設(shè)置該層的材料以及厚度，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散速率的調(diào)控，調(diào)制最終的電場分布。

技術(shù)特征：

1.一種平面型銦鎵砷雪崩光電二極管，其特征在于，包含擴(kuò)散層、雪崩層、電荷層、組分漸變層、光吸收層、緩沖層和襯底；所述擴(kuò)散層包含凸起擴(kuò)散區(qū)和臺階擴(kuò)散區(qū)；所述凸起擴(kuò)散區(qū)位于所述臺階擴(kuò)散區(qū)的上方；所述雪崩層位于所述臺階擴(kuò)散區(qū)的下方；在所述雪崩層的下方，依次是所述電荷層、所述組分漸變層、所述光吸收層、所述緩沖層和所述襯底。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面型銦鎵砷雪崩光電二極管，其特征在于，所述擴(kuò)散層摻雜類型為n型，擴(kuò)散類型為p型，厚度優(yōu)選為4.8微米；其中，所述凸起擴(kuò)散區(qū)為環(huán)孔結(jié)構(gòu)，厚度優(yōu)選為100至500納米；所述臺階擴(kuò)散區(qū)的材料優(yōu)選為inp；所述凸起擴(kuò)散區(qū)的材料優(yōu)選為inp或者in0.52al0.48as。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面型銦鎵砷雪崩光電二極管，其特征在于，所述電荷層的材料優(yōu)選為inp，厚度優(yōu)選為0.125微米，摻雜類型為n型。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面型銦鎵砷雪崩光電二極管，其特征在于，所述組分漸變層的材料優(yōu)選為ingaasp，厚度優(yōu)選為0.02至0.06微米，摻雜類型為n型。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面型銦鎵砷雪崩光電二極管，其特征在于，所述光吸收層的材料優(yōu)選為in0.53ga0.47as或者ingaasp，厚度優(yōu)選為2.0微米，摻雜類型為n型。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面型銦鎵砷雪崩光電二極管，其特征在于，所述緩沖層的材料優(yōu)選為inp，厚度優(yōu)選為1微米，摻雜類型為n型；所述襯底的材料優(yōu)選為inp，摻雜類型為n型。

7.一種制造如權(quán)利要求1所述的平面型銦鎵砷雪崩光電二極管的制造方法，其特征在于，包含步驟:

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的平面型銦鎵砷雪崩光電二極管的制造方法，其特征在于，在步驟s20中，具體包含步驟：

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的平面型銦鎵砷雪崩光電二極管的制造方法，其特征在于，在步驟s30中，具體包含步驟：

10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的平面型銦鎵砷雪崩光電二極管的制造方法，其特征在于，在步驟s40中，具體包含步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及紅外光電器件領(lǐng)域，特別是一種平面型銦鎵砷雪崩光電二極管，包含擴(kuò)散層、雪崩層、電荷層、組分漸變層、光吸收層、緩沖層和襯底。擴(kuò)散層包含凸起擴(kuò)散區(qū)和臺階擴(kuò)散區(qū)。凸起擴(kuò)散區(qū)位于臺階擴(kuò)散區(qū)的上方。雪崩層位于臺階擴(kuò)散區(qū)的下方。在雪崩層的下方，依次是電荷層、組分漸變層、光吸收層、緩沖層和襯底。本發(fā)明還包含方法。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于可調(diào)制傳統(tǒng)雙臺階擴(kuò)散雪崩光電二極管摻雜形貌，電場呈現(xiàn)為中心強(qiáng)而邊緣弱的臺階分布，產(chǎn)生的電場前向匯聚，并且有效感光面并未大幅度衰減，還能免除保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)，降低邊緣擊穿概率，提高感光面有效占空比。同時，本發(fā)明與現(xiàn)有工藝兼容，無需改變生產(chǎn)設(shè)備，適用于平面型銦鎵砷雪崩光電二極管的制造。

技術(shù)研發(fā)人員：馬英杰,吳瓊,李雪
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/28