具有边缘击穿抑制的雪崩光电二极管

摘要

本发明涉及一种雪崩光电二极管，其通过修正扩散的p－n结分布而具有改进的增益均匀性。该修正通过两级掺杂过程获得，该两阶段掺杂过程包括结合常规气体源扩散的固体源扩散。对该固体源扩散材料进行选取，以将该固体源扩散材料对掺杂剂的溶度与倍增层对该掺杂剂的溶度相比较，该固体源直径介于第一及第二扩散窗之间。因此，在第二扩散期间，存在三个不同扩散区。边缘区倍增层内的掺杂剂，中间区自具有相对较高掺杂浓度的固体源材料的掺杂剂(由该固体源材料内的掺杂剂溶度限制)，以及中心区暴露于自固体源材料的无限扩散源，因为它不断地从外在气体源补充新的掺杂剂。结果，从该器件的中心到边缘，掺杂浓度和扩散深度逐渐减小。该修正的扩散分布使电场分布可以控制，从而抑制边缘击穿。

说明书

相关申请的交叉引用

[1]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

[02]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

[03]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。

[04]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。

[05]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。

[06]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。

[7]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。

[08]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。

[09]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。

[10]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

[11]本发明已发现雪崩光电二极管通过修正(tailor)该扩散的p-n结分布，可以提供增强的增益均匀性。该修正通过包括结合常规气体源扩散的固体源扩散的两阶段(two stage)掺杂过程得到。固体源扩散材料被选取，使得掺杂剂在固体源扩散材料中的溶度高于在倍增层材料中的溶度。固体源材料被图案化，使得其具有有限侧向范围(lateral extent)。在第一扩散步骤之前，产生的窗口暴露该倍增层材料及固体源材料。如图2所示，第一扩散期间，气体中的掺杂剂撞击该窗口，使掺杂剂扩散直接进入I区的倍增层，在II区，第一扩散穿过该固体源材料之后，掺杂剂扩散进入倍增层材料。第二扩散之前，新窗口只在该固体源材料中心部分被开设，因此进一步防止在I区内引入新的掺杂剂，且进一步防止在II区的一部分(标记为IIA)引入新的掺杂剂。因此，在第二扩散期间，有三个不同的扩散区。I区包括具有相对低的掺杂浓度的有限源扩散(由倍增层内的掺杂剂溶度限制)。IIA区包括自具有相对较高的掺杂浓度的该固体源材料的有限源扩散(由固体源材料内的掺杂剂溶度限制)。IIB区包括自固体源材料的无限源扩散，因为它由来自外部气体源的新掺杂剂不断补充。结果是掺杂剂浓度和扩散深度从中心到器件边缘逐渐降低。该修正的扩散分布使电场分布能够控制，从而抑制边缘击穿。

[12]该固体源也包括一种材料，该材料和该倍增层上用于外延生长的晶体结构晶格匹配或至少兼容。该固体扩散源可以附加作为完成器件(completed device)的接触层。在优选的实施例中，有限侧向范围薄InGaAs平板被选择作为有限固体源，用于第二扩散进入InP倍增层，从而平滑该第一和第二扩散分布的过渡。

[13]因此，本发明的目的是提供一种吸收层和倍增层结构分离的雪崩光电二级管(SAM-APD)，其包括：

外延层结构，其按如下次序生长在n掺杂衬底上：

n掺杂缓冲层；

非故意掺杂吸收层；

缓变层；

n掺杂场控层；

非故意掺杂倍增层，其包括扩散的p-n结，所述扩散的p-n结具有扩散分布和有源区，该有源区包括在该倍增层内的扩散区；以及

固体源材料层；

该SAM-APD还包括：

p接触，其被设置为与所述有源区电接触；

光输入窗口；以及

n接触，其和n掺杂衬底电接触，

其中，p-n结的扩散分布包括用于抑制边缘击穿的平滑边缘过渡。

[14]本发明的另一方面，该固体源材料层的材料对掺杂剂溶度比所述倍增层对所述掺杂剂溶度高至少5倍。

[15]因此，本发明的另一方面提供一种如上所述的SAM-APD，其中，该有源区包括以深度及掺杂浓度单调增加而同心设置的边缘区、中间区以及中心区。

[16]在本发明的实施例中，一种在制造放大和倍增(SAM)分离的雪崩光电二极管(APD)中制作扩散的p-n结的方法包括以下步骤：

[17]在倍增层上生长固体源材料薄层；

[18]蚀刻该固体源材料使其具有直径Dint，围绕其边缘暴露该倍增层；

[19]在该暴露的倍增层及固体源材料上，沉积第一保护层；

[20]蚀刻该第一保护层，以便开设第一扩散窗口，该扩散窗口具有大于Dint的直径De，暴露该固体源材料及该倍增层周围的边缘区；

[21]实施第一扩散步骤：向所述第一扩散窗口内暴露的所述表面上提供惰性气体载体(inert gas carrier)中的掺杂剂源，加热使所述掺杂剂扩散进入所述边缘区的所述倍增层的晶格内，并且进入中间和中心区的所述固体源内；

[22]在该第一扩散窗口之上，沉积第二保护层；

[23]蚀刻该第二保护层，以暴露第二扩散窗口，第二扩散窗口被同心放置在所述固体源材料上，该第二扩散窗口的直径Dc小于Dint；

[24]实施第二扩散步骤，在所述第二扩散窗口内暴露的所述固体源材料上提供掺杂剂源，并且加热使在所述倍增层内扩散的掺杂剂向所述边缘区内的所述倍增层的更深处移动，以及使在所述固体源材料内扩散的掺杂剂以比所述边缘区更浓的浓度和更深的深度向所述中间和中心区的所述倍增层移动，并且使通过所述第二扩散窗口导入的离子，以比所述中间区更浓的浓度及更深的深度向所述中心区的所述倍增层移动；

其中，在所述倍增层中的所述扩散的p-n结具有从所述边缘区到所述中心区具有平滑边缘过渡曲线的扩散分布。

[25]制造如上所限定的扩散p-n结的方法，其中，该倍增层从由InP和GaAs组成的组中选取，以及该固体源材料从由InGaAs和AlGaAs组成的组中选取。

[26]制造如上所限定的扩散的p-n结的方法，其中，InGaAs固体源材料厚度为50-500nm。

附图说明

[27]结合附图的下列详细描述中将体现本发明进一步的特征及优点，其中：

[28]图1为现有技术的二次扩散形成的背照射SAM-APD的剖面示意图；

[29]图2为根据本发明的正照射SAM-APD的剖面示意图；

[30]图3为根据本发明的背照射SAM-APD的剖面示意图；

[31]图4A-J为根据本发明形成正照射APD扩散分布的方法的流程示意图；

[32]图5A和图5B为第一及第二扩散步骤之后扩散分布示意图；

[33]图6为根据本发明方法制造的有源区内不同区的扩散深度图；

[34]应注意附图中相同的特征由相同的参考标号标识。

具体实施方式

[35]本发明提供一种SAM-APD，其具有抑制边缘击穿的雪崩倍增结构。该示意性的结构如图2所示。该APD 100具有吸收层与倍增层(SAM)分离的结构。该SAM结构在n掺杂InP衬底102上生长。典型的SAM层结构由n掺杂InP缓冲层104(0.3-1um)、非故意掺杂InGaAs吸收层106(0.4-2um)、GaInAsP缓变层108(0.05-0.2um)、n掺杂InP场控层110以及非故意掺杂InP倍增层112组成。该倍增层112包括在由Zn扩散形成的扩散分布上的p-n结114。薄InGaAs层平板120在InP倍增层112上生长。该InGaAs层平板120厚度范围为0.05-0.5um。它可以由例如Zn的p型掺杂剂非故意掺杂或是重掺杂。该倍增层112、有源区116和保护环33由SiNx或类似材料的保护层118封装。该InGaAs平板层120可以在成品器件内蚀刻成环绕光输入窗口125的环形，该光输入窗口125的直径小于优选由抗反射涂层涂覆的有源区116。该平板环120可以是p接触，并且p接触金属122可以镀在其上。n接触124镀在InP衬底102上。

[36]该边缘击穿由所提供的扩散分布抑制，该扩散分布从中心区到周边边缘区深度及浓度逐渐减少。该缓变及修正(tailored)的扩散分布由自有限固体源的自主扩散(drive-indiffusion)产生，该有限固体源优选为InGaAs。该有限固体源平板的直径小于第一扩散窗口且大于第二扩散窗口，从而在两者之间提供缓变的分布锥形。包括InGaAs平板以修正该扩散分布的结构不仅被用于正照射APD，而且也用于背照射APD。

[37]根据本发明的背照射APD200如图3所示。如该层结构的相同标号中可见，它的SAM结构的层结构与正照射100紧密匹配。在InGaAs平板120上使用p接触122。而带有抗反射涂层131的光输入窗口125被提供到衬底102上的n接触124中。

[38]相关的概念是“浮置(floating)”保护环33的使用，如图1、2及3所示，其有与有源区中心区相同的掺杂，但是与该中心区电绝缘。其作用在于当结被偏压时降低表面电场。可以结合本发明的教导使用保护环。该保护环33与第一扩散步骤产生有源区116同时形成。

[39]形成扩散分布114的方法在图4A-J的工艺流程中说明。图4A仅显示InP倍增层112具有在其上外延生长的InGaAs层120。图4B中，InGaAs层120通过湿式化学蚀刻法被蚀刻成圆形平板。第一保护SiNx层118被沉积，并且用于第一扩散的第一窗口121通过干式或湿式化学蚀刻被开设，如图4C所示。由于窗口121直径大于平板120的直径，所以在中心区II，是穿过InGaAs 120及InP层112而扩散，仅在边缘区I是直接扩散进入InP(以及，可选地，直接扩散进入未显示的浮置保护环33)，如图4D所示。接下来，在图4E中，第二保护SiNx层119沉积在InGaAs平板120上，在图4F中用于第二扩散的第二窗口123被开设。该第二扩散窗口123直径小于InGaAs平板120的直径，优选大概为20um，如图4F所示。在图4G中的第二扩散，存在具有三个不同扩散源的三个区，在图2中更清楚的显示。标记为I区的边缘区为覆盖有SiNx 119的InP 112，其中，扩散仅来自从第一扩散导入InP 112的掺杂剂。标记为IIA区的中间区为覆盖SiNx119的InGaAs 120和nP 112，其中，扩散自有限固体源120。标记为IIB区的中心区为通过窗口123向含有Zn的气体源130开放的InGaAs 120及InP 112，其中扩散来自无限源。InGaAs平板120与第二窗口123的半径差优选在第一与第二扩散窗口121、123之间的半径差的二分之一和三分之二之间。

[40]在中心区IIB区，来自无限源的扩散可以表达如下：

$N(x,t)=N_0(1-\mathrm{erf}\frac{x}{2\sqrt{\mathrm{Dt}}})$

[41]在边缘区I区及中间区IIA区，来自限制源的扩散可以表示如下：

$N(x,t)=\frac{{2N}_0}{\pi }\sqrt{\frac{\mathrm{Dt}}{D^{\prime }{t}^{\prime }}}{e}^{-x^{2/4D^{\prime }{t}^{\prime }}}$

[42]其中，N₀是由材料中的Zn溶度确定的表面浓度。InGaAs中Zn的溶度比InP中的Zn溶度高10倍。因此IIA区的表面浓度比I区的表面浓度高很多。因此，IIA区扩散深度比I区的扩散深度大。IIB区的深度由第二扩散的时间和浓度控制选取以大于IIA区的深度，如图6中的掺杂浓度与扩散深度关系图所示。因此，具有固体源的二次扩散产生了平滑的过渡边缘分布，其中心区有最高的掺杂浓度。该扩散分布可以通过改变InGaAs平板120的厚度和直径进行优化。

[43]图4H显示通过湿式蚀刻移除光输入窗口125内InGaAs平板120。如图4I所示，SiNx的抗反射涂层131被沉积在光输入窗口125上。在图4J中，抗反射涂层131从被蚀刻的环形的InGaAs平板120上移除，并且附加的p金属被蒸发涂覆其上作为p接触122。

[44]如果用于倍增层的材料A和用于平板层的材料B晶格匹配，或者晶格不匹配但可以用好的材质生长且两材料之间的掺杂溶度差别很大，则其它的材料组合也可以获得所公开的该分布修正的优点。材料B的溶度应当是材料A溶度的大概5倍或是更多。作为倍增层的可替代的材料包括InP或GaAs，作为平板的可替代材料为InGaAs或AlGaAs。其他掺杂剂包括镉(Cadmium)、碳(Carbon)、镁(Magnesium)、铍(Beryllium)。APD也可以基于GaAs衬底材料以及InP材料。

[45]上述本发明的实施方式仅旨在示范。因此本发明的范围仅通过所附的权利要求限定。