[发明专利]具有边缘击穿抑制的雪崩光电二极管

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2007年7月18日提交的美国临时申请第60/950403号的优先权，以引用的方式引入本文中。

技术领域

本发明涉及一种雪崩光电二级管(APD)，该雪崩光电二级管具有抑制边缘击穿的雪崩倍增结构。本发明还涉及一种制造具有边缘击穿抑制的雪崩光电二极管中的雪崩倍增结构的方法。

发明背景

具有分离的吸收层和倍增层的雪崩光电二级管结构(SAM-APDs)可以提供高保真(即低噪声)电输出信号。为了在电信应用中使用，该APD被电偏压，从而使该电响应与光功率基本成线性关系。尽管该APD要求较高的工作电压，但与PIN光电二极管相比较，该APD的内部增益明显提高了接收器灵敏度。这对于实现用于高数据速率通信网络的光接收器很重要。

APD设计的关键特征是保持该器件有源区的增益均匀性。该有源区包括在倍增层内扩散形成的p-n结。然而，该扩散分布的边缘曲率导致该有源区边缘的局部电场升高。在该有源区边缘的电场增长的趋势是有限尺寸的平面p-n结物理学的基本特性。如图1所示的现有技术二级管结构中，由于曲率效应(curvature effect)，边缘电场(单次扩散为E1，二次扩散为E1，E2)通常高于中心电场Ec。

该p-n结由在本征倍增层上的钝化层内开窗口形成，例如光刻。采用固体或气体源向窗口传递p型掺杂剂，例如锌，该掺杂剂在高热时扩散进入该倍增层的晶格内。因为掺杂剂分子流既是侧向也是横向的，所以在该窗口的下方形成弯曲的边缘区。该p-n结的弯曲部分与在该窗口的中心处的平面部分相比具有更高的电场。

增加的边缘场导致在有源区边缘的较高增益，这造成不佳的增益均匀性和提前击穿(premature beakdown)，一般称作“边缘击穿”。不佳的增益均匀性对器件性能，尤其是对APD的噪声性能及带宽，具有明显的不良效应。对于实际的SAM-APD，整个有源区的击穿电压均匀性应该在5％至10％之间，并且优选在1％之内。甚至在缺乏连续的光功率情况下，该击穿电压应该使p-n结被充分反向偏压，以传导自稳(self-sustaining)雪崩过程产生的大电流。

该有源区边缘电场强度的降低对于减轻边缘击穿是关键。用于控制平面结内边缘击穿的已公开的技术是控制扩散的pn结分布(也被称为扩散分布)。最终，抑制边缘击穿的关键是在有源区边缘有平滑的过渡分布。

如图1所示，p-n结10被成形以便产生较厚的倍增层，因而在有源区14边缘12具有较低的电场。实现这样一种形状的扩散分布10的方法是通过使用同种掺杂剂的二次扩散，采用不同直径的同心窗口以用于向不同深度连续扩散。该第二扩散边缘在自第一扩散区的掺杂剂的自主协助下可以变得平滑。因此，第二扩散边缘16的曲率效应被减轻。该技术的一个示例在M.A.Itzler等的美国专利6,515,315中公开，该专利已经转让给共同的本发明的所有人。该第一及第二扩散步骤的扩散深度应该谨慎优化，以便在中心区Ec处获得最高电场。然而，事实上，该设计窗口相当小。如果第一及第二扩散之间的阶长在深度上过小，第一扩散边缘的曲率效应变得剧烈，从而导致电场E1大于Ec。如果该阶长太大，则它将不能提供足够的协助以便平滑第二扩散角(diffusioncorner)，从而导致电场E2大于Ec。这对扩散过程的控制要求很高。

在美国专利6,492,239中，为了抑制单次扩散过程步骤中的边缘击穿，Yang等描述了一种形成类步阶式(step-like)扩散分布的方法。扩散之前，通过湿式化学蚀刻(wet chemical etching)在InP内形成0.3um阶长。然而，使用中，蚀刻深度及侧壁曲率很难通过湿式化学蚀刻控制。该扩散的pn-结分布很大程度取决于蚀刻的预定深度和曲率。替代的方法是干式蚀刻，其可以更好地控制蚀刻深度及侧壁分布。但干式蚀刻损坏InP表面严重，并且为了获得可重复的扩散分布，对表面状态/重构的要求很严苛。

因此，仍然非常期望获得这样一种形成平滑边缘过渡的方法，其在SAM-APD的扩散分布曲线中没有急剧变化的曲率，该急剧变化的曲率将进一步降低有源区边缘电场。同样期望APD在整个有源区表现出改进的增益均匀性。

发明内容