[发明专利]一种雪崩光电二极管及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体光电器件技术领域，特别是一种雪崩光电二极管及其制备方法。

背景技术

在InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)内部高电场区的作用下，载流子可以与晶格原子发生碰撞，产生二次载流子雪崩倍增效应，实现对初始光电流信号的放大，从而提高了整个光接收机的灵敏度。APD作为光通信领域内重要的高灵敏度光信号接收元件，已经被广泛应用于GPON/EPON接入网络和中长距离的干线数据传输中。当前，InGaAs/InP APD芯片主要采用分离吸收区和倍增区的SAGCM结构，该结构可以在实现雪崩区高电场的同时获得低电场区的光吸收区，具有高雪崩增益和低暗电流的双重优点。常规的热扩散或离子注入方法可以较方便地形成APD的雪崩区，但是掺杂区边缘不可避免地会出现杂质分布的“弯曲”结构，使得APD雪崩区边缘的电场大于中心区域的电场，导致边缘区域将先于雪崩中心区域被击穿(即产生所谓的边缘效应)，导致雪崩区倍增增益的减少和器件可靠性的恶化。

传统抑止边缘击穿的方法有多种：包括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(RBE)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。现阶段还存在其他边缘击穿抑制的方法，如双Zn扩散台阶结技术、预刻蚀技术和刻蚀电荷层二次外延技术等。虽然上述方法都能够在一定程度上实现对边缘效应的抑制，但代价却是制备工艺更复杂和生成成本更昂贵，以及对工艺精度要求更高，从而阻碍了APD芯片性能和成品率的进一步提高。

专利文献CN105655436公开的一种雪崩光电二极管的制造方法具有以下工序：在衬底上形成p型电场缓和层的工序，其中，在该p型电场缓和层中作为p型掺杂物而添加碳，作为组成而包含铝；在所述p型电场缓和层上形成帽盖层的工序；以及在所述帽盖层上形成光吸收层的工序，不导入V族原料而在不活泼气体气氛中进行从所述帽盖层的生长温度至所述光吸收层的生长温度为止的升温工序。该专利能够改善电场缓和层中所添加的碳的活化率，但该专利无法实现对边缘击穿效应的抑制，同时不影响APD芯片的其他性能参数。

专利文献CN104465853 A公开的一种雪崩光电二极管在衬底上至少外延生长的缓冲层，N型欧姆接触层，光吸收层，雪崩倍增层和P型欧姆接触层。该专利采用不同厚度的InAs层、GaSb层的超晶格制成光吸收层，可以吸收从短波到长波的红外，同时AlGaAsSb可以减少暗电流，但该专利无法实现对边缘击穿效应的抑制，同时不影响APD芯片的其他性能参数。