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一种分级势垒低暗电流 台面型光电 二极管及其制作方法

阅读：1056发布：2020-06-11

专利汇可以提供一种分级势垒低暗电流台面型光电二极管及其制作方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明属于探测器芯片制造技术领域，涉及一种分级势垒低暗电流台面型光电二极管；台面型光电二极管从上至下叠次连接的N型台面、吸收台面以及P型台面；每个台面的表面覆盖钝化层；在台面型光电二极管的吸收台面中设置有分级势垒层，分级势垒层从上到下共九层结构；所述N型台面上设置有N 电极，所述的P型台面上设置有P电极，P电极与N 电极形成共平面电极；本发明通过采用分级势垒结构，降低了台面型光电二极管的表面漏电流和体暗电流，从而提高了台面型光电二极管的可靠性。，下面是一种分级势垒低暗电流台面型光电二极管及其制作方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种分级势垒低暗电流台面型光电二极管，所述台面型光电二极管包括三层台面结构，从上至下叠次连接的N型台面(a)、吸收台面(b)以及P型台面(c)，且在P型台面(c)台阶的最底层为半绝缘衬底(1)；其特征在于，所述台面型光电二极管的每层台面的表面覆盖钝化层；在台面型光电二极管的吸收台面(b)中设置有分级势垒层(5)，分级势垒层(5)从上到下依次包括：第一N型InGaAs层(51)、第一N型δ掺杂层(52)、第一非掺InAlGaAs渐变层(53)、第一P型δ掺杂层(54)、非掺InAlAs势垒层(55)、第二P型δ掺杂层(56)、第二非掺InAlGaAs渐变层(57)、第二N型δ掺杂层(58)以及第二N型InGaAs层(59)；所述N型台面(a)上设置有N 电极(a1)并沿N型台面(a)延伸至半绝缘衬底(1)，所述的P型台面(c)上设置有P电极(c1)并沿P型台面(c)延伸至半绝缘衬底(1)，P电极(c1)与N电极(a1)形成共平面电极。
2.根据权利要求1所述的一种分级势垒低暗电流台面型光电二极管，其特征在于：所述分级势垒层(5)中的第一N型InGaAs层(51)、第一非掺InAlGaAs渐变层(53)、第二非掺InAlGaAs渐变层(57)以及第二N型InGaAs层(59)的材质为In0.53AlxGa0.47-xAs，非掺InAlAs势垒层(55)的材质为In0.52Al0.48As；其中，x的取值为0～0.47。
3.根据权利要求2所述的一种分级势垒低暗电流台面型光电二极管，其特征在于：所述分级势垒层(5)中的第一N型δ掺杂层(52)、第二N型δ掺杂层(58)或者第一P型δ掺杂层(54)、第二P型δ掺杂层(56)的厚度都为5～10nm，掺杂浓度大于1×1018cm-3。
4.根据权利要求2所述的一种分级势垒低暗电流台面型光电二极管，其特征在于：所述分级势垒层(5)中的非掺InAlAs势垒层(55)的厚度为200～500nm，禁带宽度为1.46eV。
5.根据权利要求2所述的一种分级势垒低暗电流台面型光电二极管，其特征在于：所述分级势垒层(5)中的第一非掺InAlGaAs渐变层(53)和第二非掺InAlGaAs渐变层(57)的厚度都为300～800nm，且随着x的改变，第一非掺InAlGaAs渐变层(53)和第二非掺InAlGaAs渐变层(57)的禁带宽度都在0.74～1.46eV的范围内变化。
6.根据权利要求2所述的一种分级势垒低暗电流台面型光电二极管，其特征在于：所述分级势垒层(5)的第一N型InGaAs层(51)和第二N型InGaAs层(59)的厚度都为50～200nm，掺杂浓度为1×1016cm-3～5×1016cm-3。
7.根据权利要求2所述的一种分级势垒低暗电流台面型光电二极管，其特征在于：所述分级势垒层(5)的导带差ΔEc范围为：0.5Ev<ΔEc<0.85eV，价带差ΔEv的范围为：0<ΔEv<
0.1eV。
8.根据权利要求1所述的一种分级势垒低暗电流台面型光电二极管，其特征在于，所述N电极(a1)从N型台面(a)的N型InP接触层(8)引出到N型台面(a)的表面，所述P电极(c1)从P型InGaAs接触层(3)引出到P型台面(c)的表面。
9.一种分级势垒低暗电流台面型光电二极管制作方法，其特征在于，所述方法步骤包括：
S1：通过金属有机化合物化学气相沉积MOCVD或分子束外延MBE在InP半绝缘衬底(1)上依次沉积本征InP缓冲层(2)、P型InGaAs接触层(3)、第一InGaAsP渐变层(4)、分级势垒层(5)、InGaAs吸收层(6)、第二InGaAsP渐变层(7)和N型InP接触层(8)；
S2：采用湿法腐蚀的方式将部分N型InP接触层(8)去掉，台面腐蚀至第二InGaAsP渐变层(7)，形成第一层台面；
S3：通过光刻工艺在台面上旋涂光刻胶，曝光显影需腐蚀的第二层台面，用湿法腐蚀的方式将台面刻蚀至P型InGaAs接触层(3)，得到第二层台面；
S4：光刻定义第三层台面，并预留P电极蒸镀空间，用湿法腐蚀的方式将台面刻蚀至半绝缘衬底(1)，得到第三层台面；
S5：用丙酮、乙醇进行表面清洗，采用电感耦合等离子体化学气相沉积SiNx使台面的表面钝化，厚度
S6：通过光刻工艺定义光敏面、电极孔，使台面的顶层材料裸露出来；
S7：使用电子束蒸发台制备一层钛Ti、铂Pt、金Au金属膜，用剥离的方式制作P型电极和N型电极，其厚度为
S8：用化学机械抛光的方式将外延片减薄至100～200μm。
10.根据权利要求9所述的一种分级势垒低暗电流台面型光电二极管制作方法，其特征在于，所述的三层台面结构中第一层台面、第二层台面以及第三层台面为同心圆柱体，且第一层台面的直径为40～50μm，第二层台面的直径为60～70μm，第三层台面的直径为130～
140μm。

说明书全文

一种分级势垒低暗电流 台面型光电 二极管及其制作方法

技术领域

[0001] 本发明属于探测器芯片制造技术领域，尤其涉及一种分级势垒低暗电流台面型光电二极管及其制作方法。

背景技术

[0002] 随着光电二极管向高速高带宽演进发展，制备工艺逐渐由平面型工艺向台面型工艺转变。台面刻蚀工艺破坏了晶格的周期完整性，将半导体材料表面暴露在环境之中，引入了表面界面态，不可避免的增加了表面暗电流。暗电流组成还包括了：产生复合电流、扩散电流、带间隧穿电流和辅助隧穿电流等。高暗电流降低了台面型光电二极管的性能及可靠性，存在较大失效风险。

[0003] 现有技术中对台面型光电二极管制备有很多，例如专利申请号为CN201811598480.0的《一种高可靠NIP结构台面型光电二极管及其制作方法》中提出了一种台面型光电二极管包括半绝缘衬底，在衬底上生长有缓冲层、接触层、吸收层、渐变层和阻挡层；所述结构采用三层台面芯片结构，台面表面覆盖有钝化层，从所述N型台面引出N 电极，从P型台面引出P电极，从而与所述N电极形成共平面电极；同时将P型层放在最低部且深埋在材料内部，通过这种设计可以将内建电场限制在体内中心处，并且可以抑制台面边缘的漏电流和边缘击穿。

[0004] 但是这种结构中不能降低表面漏电流和体暗电流，因此急需一种能降低表面漏电流和体暗电流的台面型光电二极管。

发明内容

[0005] 为解决上现有技术的问题，本发明提出了一种分级势垒低暗电流台面型光电二极管，所述台面型光电二极管的结构如下：

[0006] 台面型光电二极管包括三层台面结构，从上至下叠次连接的N型台面a、吸收台面b以及P型台面c，且在P型台面台阶的最底层为半绝缘衬底1；所述台面型光电二极管的每个台面的表面覆盖钝化层；在台面型光电二极管的吸收台面b中设置有分级势垒层5，分级势垒层5从上到下依次包括：第一N型InGaAs层51、第一N型δ掺杂层52、第一非掺InAlGaAs渐变层53、第一P型δ掺杂层54、非掺InAlAs势垒层55、第二P型δ掺杂层56、第二非掺InAlGaAs渐变层57、第二N型δ掺杂层58以及第二N型InGaAs层59；所述N型台面a上设置有N电极a1并沿N型台面a延伸至半绝缘衬底1，所述的P型台面c上设置有P电极c1并沿P型台面c延伸至半绝缘衬底1，P电极c1与N电极a1形成共平面电极。

[0007] 优选的，分级势垒层5中的第一N型InGaAs层51、第一非掺InAlGaAs渐变层53、第二非掺InAlGaAs渐变层57以及第二N型InGaAs层59的材质为In0.53AlxGa0.47-xAs，非掺InAlAs势垒层55的材质为In0.52Al0.48As；其中，x的取值为0～0.47。

[0008] 优选的，所述分级势垒层5中的第一N型δ掺杂层52、第二N型δ掺杂层58或者第一P型δ掺杂层54、第二P型δ掺杂层56的厚度都为5～10nm，掺杂浓度大于1×1018cm-3。

[0009] 优选的，所述分级势垒层5中的非掺InAlAs势垒层55的厚度为200～500nm，禁带宽度为1.46eV。

[0010] 优选的，分级势垒层5中的第一非掺InAlGaAs渐变层53和第二非掺InAlGaAs渐变层57的厚度都为300～800nm，且随着x的改变，第一非掺InAlGaAs渐变层53和第二非掺InAlGaAs渐变层57的禁带宽度在0.74～1.46eV的范围内变化。

[0011] 优选的，分级势垒层5的导带差ΔEc范围为：0.5Ev<ΔEc<0.85eV，价带差ΔEv的范围为：0<ΔEv<0.1eV。

[0012] 优选的，分级势垒层5的第一N型InGaAs层51和第二N型InGaAs层59的厚度都为50～200nm，掺杂浓度为1～5×1016cm-3。

[0013] 优选的，N电极a1从N型台面a的N型InP接触层8引出到N型台面a的表面，所述P电极c1从P型InGaAs接触层3引出到P型台面c的表面。

[0014] 一种分级势垒低暗电流台面型光电二极管制作方法，所述方法步骤包括：

[0015] S1：通过金属有机化合物化学气相沉积MOCVD或分子束外延MBE在InP半绝缘衬底1上依次沉积本征InP缓冲层2、P型InGaAs接触层3、第一InGaAsP渐变层4、分级势垒层5、InGaAs吸收层6、第二InGaAsP渐变层7和N型InP接触层8；

[0016] S2：采用湿法腐蚀的方式将部分N型InP接触层8去掉，台面腐蚀至第一InGaAsP渐变层4，形成第一层台面；

[0017] S3：通过光刻工艺在台面上旋涂光刻胶，曝光显影需腐蚀的第二层台面，用湿法腐蚀的方式将台面刻蚀至P型InGaAs接触层3，得到第二层台面；

[0018] S4：光刻定义第三层台面，并预留P电极蒸镀空间，用湿法腐蚀的方式将台面刻蚀至半绝缘衬底，得到第三层台面；

[0019] S5：用丙酮、乙醇进行表面清洗，采用电感耦合等离子体化学气相沉积SiNx使台面的表面钝化，厚度

[0020] S6：通过光刻工艺定义光敏面、电极孔，使台面的顶层材料裸露出来；

[0021] S7：使用电子束蒸发台制备一层Ti/Pt/Au金属膜，用剥离的方式制作P/N型电极，其厚度为

[0022] S8：用化学机械抛光的方式将外延片减薄至100～200μm。

[0023] 本发明通过采用分级势垒结构，降低了台面型光电二极管的表面漏电流和体暗电流，从而提高了台面型光电二极管的可靠性。附图说明

[0024] 图1为本发明的台面型光电二极管示意图；

[0025] 图2为本发明的分级势垒能带结构示意图；

[0026] 图3为NIP能带结构示意图；

[0027] 图4为本发明的插入分级势垒的NIP能带结构示意图；

[0028] 图5为本发明的NIP结构光电二极管材料结构示意图；

[0029] 其中，1、半绝缘衬底，2、本征InP缓冲层，3、P型InGaAs接触层，4、第一InGaAsP渐变层，5、分级势垒层，51、第一N型InGaAs层，52、第一N型δ掺杂层，53、第一非掺InAlGaAs渐变层，54、第一P型δ掺杂层、55、非掺InAlAs势垒层，56、第二P型δ掺杂层，57、第二非掺InAlGaAs渐变层，58、第二N型δ掺杂层，59、第二N型InGaAs层，6、InGaAs吸收层，7、第二InGaAsP渐变层，8、N型InP接触层；

[0030] a、N型台面，a1、N电极，b、吸收台面，c、P型台面，c1、P电极。

具体实施方式

[0031] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0032] 本发明为一种分级势垒低暗电流台面型光电二极管，如图1所示，包括三层台面结构，从上至下叠次连接的N型台面a、吸收台面b以及P型台面c，且在P型台面台阶的最底层为半绝缘衬底1。

[0033] 如图2所示，台面型光电二极管的每个台面的表面覆盖钝化层；在台面型光电二极管的吸收台面b中设置有分级势垒层5，分级势垒层5从上到下依次包括：第一N型InGaAs层51、第一N型δ掺杂层52、第一非掺InAlGaAs渐变层53、第一P型δ掺杂层54、非掺InAlAs势垒层55、第二P型δ掺杂层56、第二非掺InAlGaAs渐变层57、第二N型δ掺杂层58以及第二N型InGaAs层59，共九层结构；所述N型台面a上设置有N电极a1并沿N型台面a延伸至半绝缘衬底
1，所述的P型台面c上设置有P电极c1并沿P型台面c延伸至半绝缘衬底1，P电极c1与N电极a1形成共平面电极。

[0034] 所述分级势垒层5中的第一N型InGaAs层51、第一非掺InAlGaAs渐变层53、第二非掺InAlGaAs渐变层57以及第二N型InGaAs层59的材质为In0.53AlxGa0.47-xAs，非掺InAlAs势垒层55的材质为In0.52Al0.48As；其中，x的取值为0～0.47。

[0035] 分级势垒层中的第一N型δ掺杂层52、第二N型δ掺杂层58或者第一P型δ掺杂层54、第二P型δ掺杂层56的厚度都为5～10nm，掺杂浓度大于1×1018cm-3。

[0036] N型δ掺杂层或者P型δ掺杂层用于调节价带和导带的偏移；由于消除了价带偏移，使空穴移动更加容易，同时让导带有足够的高度阻挡电子移动。

[0037] 分级势垒层中的非掺InAlAs势垒层55的厚度为200～500nm，禁带宽度为1.46eV。

[0038] 非掺InAlAs势垒层的禁带宽度高于N型InGaAs层的禁带宽度，通过使用非掺InAlAs势垒层55，可以构建高带隙导带势垒，阻档电子流动。

[0039] 分级势垒层5中的第一非掺InAlGaAs渐变层53和第二非掺InAlGaAs渐变层57的厚度为300～800nm，当非掺InAlGaAs渐变层为非掺In0.53AlxGa0.47-xAs时，随着x在0～0.47的范围内变化，In0.53AlxGa0.47-xAs的禁带宽度在0.74～1.46eV范围内变化。

[0040] 非掺InAlGaAs渐变层用于确定In0.53Ga0.47As与In0.52Al0.48As之间从低带隙到高带隙线性分级。

[0041] 分级势垒层的导带差ΔEc范围为：0.5Ev<ΔEc<0.85eV，价带差ΔEv的范围为：0<ΔEv<0.1eV。

[0042] 分级势垒层5的第一N型InGaAs层51和第二N型InGaAs层59的厚度为50～200nm，掺杂浓度为1×1016cm-3～5×1016cm-3。

[0043] 台面型光电二极管的N电极a1从N型台面a的N型InP接触层8引出到N型台面a的表面，P电极c1从P型InGaAs接触层3引出到P型台面c的表面。

[0044] 分级势垒层位于台面型光电二极管的耗尽区边缘。

[0045] 如图3所示，未插入分级势垒的NIP能带结构，从图中可以看出其结构中EC和EV的能带结构相似。

[0046] 如图4所示，插入分级势垒后的NIP能带结构，从图中可以看出EV的能带结构没有改变，而EC的能带结构中发生了明显的改变。

[0047] 如图5所示，NIP结构光电二极管材料结构为在InP半绝缘衬底1上依次沉积本征InP缓冲层2、P型InGaAs接触层3、第一InGaAsP渐变层4、In0.53AlxGa0.47-xAs、In0.52Al0.48As分级势垒层5、InGaAs吸收层6、第二InGaAsP渐变层7和N型InP接触层8。

[0048] 一种分级势垒低暗电流台面型光电二极管制作方法，所述方法步骤包括：

[0049] S1：通过金属有机化合物化学气相沉积MOCVD或分子束外延MBE沉积相应的材料；

[0050] S2：采用湿法腐蚀的方式将部分N型InP接触层8去掉，台面腐蚀至第二N型InGaAsP渐变层7，形成第一层台面；

[0051] S3：通过光刻工艺在台面上旋涂光刻胶，曝光显影需腐蚀的第二层台面，用湿法腐蚀的方式将台面刻蚀至P型InGaAs接触层3，得到第二层台面；

[0052] S4：光刻定义第三层台面，并预留P电极蒸镀空间，用湿法腐蚀的方式将台面刻蚀至半绝缘衬底1，得到第三层台面；

[0053] S5：用丙酮、乙醇进行表面清洗，采用电感耦合等离子体化学气相沉积SiNx使台面的表面钝化，厚度

[0054] S6：通过光刻工艺定义光敏面、电极孔，使台面的顶层材料裸露出来；

[0055] S7：使用电子束蒸发台制备一层钛Ti或铂Pt或金Au的金属膜，用剥离的方式制作P型电极和N型电极，其厚度为

[0056] S8：用化学机械抛光的方式将外延片减薄至100～200μm。

[0057] 三层台面结构中第一层台面、第二层台面以及第三层台面为同心圆柱体，第一层台面的直径为40～50μm，第二层台面的直径为60～70μm，第三层台面的直径为130～140μm。

[0058] 优选的，第一层台面直径为45μm，第二层台面直径为65μm，第三层台面直径为135μm。

[0059] 经过介质膜、光刻和刻蚀工艺后，形成处于同心圆的三台阶台面结构。第一层台面作为N电极接触台，其面积大小了决定中心电场分布宽度，约束耗尽区的横向扩展范围；第二层台面刻蚀深度至P型InGaAs接触层，作为P电极接触台，台面侧壁边缘电场大小随台面直径增加而减少，较低的边缘电场有利于减少侧壁边缘窄禁带宽度InGaAs的边缘漏电。台面直径越大，载流子收集面积越宽。第二层台面宽度综合考虑边缘电场与载流子收集面积，获得最小的暗电流；第三层台面直接刻蚀至半绝缘衬底放置P电极焊盘和N电极焊盘。湿法刻蚀工艺中，避免引入缺陷损伤，台面侧壁要光滑连续。台面钝化工艺能够有效降低材料表面复合中心，具有良好界面态。

[0060] 经光刻、蒸发工艺，定义出P电极或者N电极。电极制备工艺采用附着性较好的金属膜层，与材料形成良好的欧姆接触。电极形状应避免尖峰凸出，防止局部焦耳热过大。侧壁爬坡电极厚度满足最大绝对额定值的工作条件要求。

[0061] 经过减薄工艺完成芯片制备；选择合适的减薄厚度与磨料尺寸，以减少背面缺陷数量。

[0062] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

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