基于AlInAsSb体材料作倍增区的雪崩光电二极管及其制备方法与流程

本发明属于半导体器件领域，尤其是涉及一种基于alinassb体材料作倍增区的雪崩光电二极管及其制备方法。

背景技术：

光电探测器在军事和国民经济的各个领域有着广泛的用途，在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。近些年来，由于光通信系统快速发展，对接收机的响应度和响应速度要求越来越高，也对光电探测器的灵敏度提出了更高的要求。

现有的光电探测器中，pin光电二极管具有结构简单、制备工艺容易实现、可以承受较高反偏压、线性输出范围较宽等优点，其典型器件硅pin大面积光电探测器广泛应用于激光探测系统、快速脉冲探测仪等，但是由于pin光电二极管的本征i层电阻很大、输出电流小，在进行微弱光探测时，其探测灵敏度相对偏低，需要借助前置放大器对信号进行前置放大然后再检测，这就使得探测灵敏度受外部放大器的热噪声限制，使得通信系统的中继距离变短，所需中继站数目增多，提高了整个系统的运行成本；而雪崩光电二极管(avalanchephoto-diode，apd)可以提供比pin光电二极管高5db～10db的灵敏度，在微弱光探测方面相较pin光电二极管有着较大的优势。

然而，针对目前对光电探测器的高灵敏度需求来说，现有的雪崩光电二极管apd仍需要进一步提高其探测灵敏度。雪崩光电二极管apd由于其内部产生增益而具有较高的灵敏度，但同时其增益的随机性会伴随着额外的噪声，且传统的apd采用si、inp、inalas等材料作倍增区，存在增益-带宽积的限制，即高增益时，由于雪崩建立时间增加，带宽会降低，从而限制了接收机的响应速度，因此，需要提出一种低噪声、高增益-带宽积、低暗电流、高响应的apd，以满足光电探测器的高灵敏度需求。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明提供了一种基于alinassb体材料作倍增区的雪崩光电二极管及其制备方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种基于alinassb体材料作倍增区的雪崩光电二极管，包括：衬底100；缓冲层200，外延于衬底100之上；n型欧姆接触层300，外延于缓冲层200之上且横截面为“凸”的形状，其下半部分与衬底100的形状一致，其上半部分为圆柱状；雪崩倍增层400，外延于n型欧姆接触层300上半部分上表面之上，由alxin1-xasysb1-y体材料制备，掺杂浓度小于10¹⁶cm^-3，x的取值范围为：0≤x≤1，y的取值范围为：0.08≤y≤1；p型电荷层500，外延于雪崩倍增层400之上；光吸收层600，外延于p型电荷层500之上；以及p型欧姆接触层700，外延于光吸收层600之上。

在本发明的一个实施例中，基于alinassb体材料作倍增区的雪崩光电二极管还包括：钝化层800，沉积于n型欧姆接触层300下半部分的上表面之上以及雪崩倍增层400、p型电荷层500、光吸收层600和p型欧姆接触层700的外侧；p型电极910，沉积于p型欧姆接触层700之上，呈环形，其外侧与钝化层800接触；n型电极920，沉积于n型欧姆接触层300下半部分之上，呈环形，其内、外侧均与钝化层800接触；以及通光孔1000，为p型欧姆接触层700上表面未覆盖p型电极910的空间。

在本发明的一个实施例中，雪崩倍增层400的制备材料alxin1-xasysb1-y中的al组分x以及as组分y满足如下关系式：

对于inp衬底，x取值为：0.48≤x≤1，

对于gasb衬底，x取值为：0≤x≤1，

在本发明的一个实施例中，衬底100选用如下材料中的一种制备：gasb、inp和inas；缓冲层200与衬底100的制备材料相同；n型欧姆接触层300选用掺te的gasb材料，掺杂浓度为3×10¹⁸cm^-3，其厚度介于400nm～600nm之间；雪崩倍增层400的厚度介于200nm～5μm之间，p型电荷层500采用p型离子掺杂的alxin1-xasysb1-y体材料，掺杂浓度介于5×10¹⁶cm^-3～5×10¹⁷cm^-3之间，其厚度介于20nm～200nm之间；光吸收层600选用以下材料中的一种或几种：gasb、inx’ga1-x’as、alx”in1-x”asy”sb1-y”、inx”’ga1-x”’asy”’sb1-y”’、inas/gasb超晶格和inas/alsb超晶格，以上材料的掺杂浓度小于10¹⁶cm^-3，厚度介于200nm～5μm之间，其中，x’，x”，x”’，y”，y”’表示各元素的组分，取值范围介于0至1之间；p型欧姆接触层700选用be掺杂的gasb材料，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，其厚度介于150nm～250nm之间；钝化层800包括：电镀层810和介质膜层820，其中，介质膜层820包覆于电镀层810的外侧。

在本发明的一个实施例中，电镀层810选用的材料为硫，其厚度介于25nm～35nm之间；介质膜层820选用的材料为sio2或zns，其厚度介于150nm～250nm之间；p型电极910与n型电极920均选用自下而上沉积的金属层ti/pt/au制备。

根据本发明的另一个方面，提供了一种基于alinassb体材料作倍增区的雪崩光电二极管的制备方法，包括：在衬底100上方依次外延生长缓冲层200、n型欧姆接触层300、雪崩倍增层400、p型电荷层500、光吸收层600以及p型欧姆接触层700，得到外延片；在制备好的外延片上通过标准光刻技术以及湿法腐蚀或干法刻蚀制作台面，刻蚀深度到达n型欧姆接触层300，使n型欧姆接触层300的横截面为“凸”的形状；

其中，台面包括：n型欧姆接触层300下半部分的上表面、上半部分的侧面；依次外延的雪崩倍增层400、p型电荷层500、光吸收层600和p型欧姆接触层700的外侧；以及p型欧姆接触层700的上表面。

在本发明的一个实施例中，基于alinassb体材料作倍增区的雪崩光电二极管的制备方法还包括：在台面上沉积钝化层800，利用光刻进行刻蚀，刻蚀台面上方的钝化层形成刻蚀孔1001，用于制作p型电极和通光孔；在台面四周刻蚀环形电极窗口1100，刻蚀深度至n型欧姆接触层300下半部分上表面，用于制作n型电极；沉积环形的p型电极910与n型电极920，其中，p型电极910沉积于刻蚀孔1001边缘，内侧未覆盖电极的空间即为通光孔1000，n型电极920沉积于电极窗口1100上；以及剥离去除p型电极910和n型电极920以外的金属，完成雪崩光电二极管的制备。

在本发明的一个实施例中，沉积钝化层800的方法包括：在台面上通过电镀沉积一层电镀层810，然后继续沉积介质膜层820，包覆于电镀层的外侧。

在本发明的一个实施例中，通过电镀沉积一层电镀层810的方法包括：电镀层选用的材料为硫，在无水硫化钠的乙二醇溶液中进行电镀的操作；电镀层的厚度介于25nm～35nm之间。

在本发明的一个实施例中，外延生长的方式采用分子束外延mbe；沉积介质膜层的方式采用磁控溅射；湿法腐蚀采用磷酸、柠檬酸、双氧水配制成的湿法腐蚀液进行腐蚀；干法刻蚀采用感应耦合等离子体刻蚀icp技术。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明提供的基于alinassb体材料作倍增区的雪崩光电二极管及其制备方法，至少具有以下有益效果之一：

1、采用alinassb体材料作为雪崩倍增层，具有单载流子离化特性，空穴基本不离化，唯有电子离化，从而使电子、空穴离化系数相差较大，噪声大大降低；不存在由于雪崩建立时间而产生的增益-带宽积限制，可以实现高增益-带宽积，满足高灵敏度需求；

2、雪崩倍增层alxin1-xasysb1-y可以根据不同衬底的晶格常数确定非故意掺杂的al组分x及as组分y，通过增加a1组分可以增加雪崩倍增区的禁带宽度，甚至使雪崩倍增区变为间接带隙材料，可以有效降低隧穿暗电流；另外在满足晶格匹配的同时可以通过调控禁带宽度实现能带工程方面的设计，在保证高灵敏度的同时拓宽了适用范围；

3、光吸收层可以根据所需吸收波长采用和衬底晶格匹配的非故意掺杂的iii-v族材料，覆盖范围从短波到长波红外，表现出较高的灵活性。

附图说明

图1a和图1b分别为根据本发明实施例基于alinassb体材料作倍增区的雪崩光电二极管的垂直剖面结构与立体结构示意图。

图2为根据本发明实施例基于alinassb体材料作倍增区的雪崩光电二极管的制备方法的流程图。

图3为实施图2所示基于alinassb体材料作倍增区的雪崩光电二极管的制备方法流程各步骤对应的垂直剖面结构示意图，其中，(a)为制备好的外延片的结构图，(b)为通过刻蚀得到台面的结构示意图，(c)为在台面上沉积钝化层后得到的结构示意图，(d)为光刻后得到通光孔与电极窗口的结构示意图，(e)为沉积p型电极与n型电极，剥离去除p型电极与n型电极之外的金属后的结构示意图。

【符号说明】

100-衬底；200-缓冲层；

300-n型欧姆接触层；400-雪崩倍增层；

500-p型电荷层；600-光吸收层；

700-p型欧姆接触层；

800-钝化层；

810-电镀层；820-介质膜层；

910-p型电极；920-n型电极；

1000-通光孔；1100-电极窗口

1001-刻蚀孔。

具体实施方式

本发明提供了一种基于alinassb体材料作倍增区的雪崩光电二极管及其制备方法，通过采用alinassb体材料作为雪崩倍增层，具有单载流子离化特性，不存在由于雪崩建立时间而产生的增益-带宽积限制，具有低噪声、高增益-带宽积的优点，同时可以通过采用不同晶格常数的衬底来实现对其禁带宽度的调控，有效降低了暗电流，在满足光电探测器高灵敏度需求的同时，还可以实现能带工程的设计，拓宽了其适用范围。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步详细说明。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种基于alinassb体材料作倍增区的雪崩光电二极管。图1a和图1b分别为根据本发明实施例基于alinassb体材料作倍增区的雪崩光电二极管的垂直剖面结构与立体结构示意图，参照图1a和图1b所示，基于alinassb体材料作倍增区的雪崩光电二极管，包括：

衬底100；

缓冲层200，位于衬底之上，与衬底上表面接触；

n型欧姆接触层300，位于缓冲层200之上，与缓冲层200上表面接触，横截面呈“凸”的形状，其下半部分与衬底100的形状一致，其上半部分为圆柱状，；

雪崩倍增层400，位于n型欧姆接触层300之上，与其上表面接触，由alxin1-xasysb1-y体材料制备，掺杂浓度小于10¹⁶cm^-3，x的取值范围为：0≤x≤1，y的取值范围为：0.08≤y≤1；

p型电荷层500，位于雪崩倍增层400之上，与其上表面接触；

光吸收层600，位于p型电荷层500之上，与其上表面接触；

p型欧姆接触层700，位于光吸收层600之上，与其上表面接触；

钝化层800，包覆于台面侧壁的外侧，覆盖台面的上表面和下表面的一部分；

p型电极910，呈环形，位于台面上表面之上，与p型欧姆接触层700的上表面接触，外侧与钝化层800接触；

通光孔1000，为p型欧姆接触层700上表面未覆盖p型电极910的空间；

n型电极920，呈环形，位于台面下表面之上，与n型欧姆接触层300的上表面接触，内、外侧均与钝化层800接触；

其中，台面包括：n型欧姆接触层300下半部分的上表面、上半部分的侧面；依次外延的雪崩倍增层400、p型电荷层500、光吸收层600和p型欧姆接触层700的外侧；以及p型欧姆接触层700的上表面。

下面对本实施例基于alinassb体材料作倍增区的雪崩光电二极管的各个部分做详细介绍。表1为本实施例基于alinassb体材料作倍增区的雪崩光电二极管的结构选用的材料及具体参数表。

衬底100由gasb、inp或inas材料中的一种制备，本实施例中衬底100选用gasb材料；

缓冲层200也选用gasb材料，外延生长于gasb衬底上；其厚度介于150nm～300nm之间；本实施例缓冲层200厚度为200nm；

表1雪崩光电二极管的各部分的材料及具体参数表

n型欧姆接触层300选用掺te的gasb材料，外延生长于缓冲层200之上；其厚度介于400nm～600nm之间，本实施例其厚度为500nm；n型离子的掺杂浓度为3×10¹⁸cm^-3；

缓冲层200是在衬底100上外延得到的，故其形状与衬底一致，本实施例中以矩形衬底为例，但本发明不局限于矩形，还可以是圆形、扇形或者其他符合实际生产工艺的衬底形状；

n型欧姆接触层300是外延于缓冲层200之上，后又经过刻蚀上半部分得到的，故其下半部分与衬底的形状一致，上半部分呈圆柱形，横截面呈现“凸”的形状；

雪崩倍增层400由非故意掺杂的alxin1-xasysb1-y体材料制备，可以根据不同衬底的晶格常数调控alxin1-xasysb1-y的al组分x以及as组分y，实现晶格匹配，其中y的取值依赖于x的取值；

例如：对于inp衬底，x的范围是0.48≤x≤1，对于gasb衬底，x的范围是0≤x≤1，

其中，雪崩倍增层400的厚度介于200nm～5μm之间；

本实施例中，非故意掺杂的雪崩倍增层400为：al0.8in0.2as0.2338sb0.7662，其厚度为1μm；

p型电荷层500采用p型离子掺杂的alxin1-xasysb1-y体材料，其厚度介于20nm～200nm之间，掺杂浓度介于5×10¹⁶cm^-3～5×10¹⁷cm^-3之间；

本实施例选用be掺杂的al0.8in0.2as0.23385b0.7662，其厚度为150nm，掺杂浓度为1.3×10¹⁷cm^-3；

gasb、inx’ga1-x’as、alx”in1-x”asy”sb1-y”、inx”’ga1-x”’asy”’sb1-y”’、inas/gasb超晶格和inas/alsb超晶格，其吸收波长覆盖范围为：短波到长波红外；其中，x’，x”，x”’，y”，y”’表示各元素的组分，取值范围介于0至1之间；

光吸收层600的厚度介于200nm～5μm之间，本实施例中光吸收层600采用非故意掺杂的gasb材料，厚度为1μm；

p型欧姆接触层700选用be掺杂的gasb材料，其厚度介于150nm～250nm之间，本实施例其厚度为200nm，p型离子的掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3；

钝化层800包括电镀层810和介质膜层820，其中电镀层810为硫，介质膜层820选用sio2或zns，介质膜层包覆于电镀层的外侧；

p型电极910与n型电极920均采用自下而上沉积的金属层ti/pt/au；

与传统的雪崩光电二极管apd相比，在光吸收层600和雪崩倍增层400之间设置p型电荷层500，实现对电场分布的调控作用，将吸收区与倍增区分离，保证了雪崩倍增层400中的al0.8in0.2as0.2338sb0.7662发生明显倍增时，gasb窄禁带光吸收层600的电场强度足够小而不至于发于雪崩或隧穿，而其大小又能够保证光吸收区的电子、空穴通过漂移机制得以分离；

需要说明的是，本实施例中光吸收层、雪崩倍增层以及缓冲层的掺杂浓度均小于1×10¹⁶cm^-3，通常为1×10¹⁵cm^-3的量级，非故意掺杂在本文中的含义表示其掺杂浓度为材料生长过程中自主产生的，不是通过离子注入、或者其他掺杂的手段实现的，但本发明并不局限于此，其他途径只要满足相关掺杂浓度也符合要求。

在本发明的另一个示例性实施例中，提供了一种上述实施例所示基于alinassb体材料作倍增区的雪崩光电二极管的制备方法。

图2为根据本发明实施例基于alinassb体材料作倍增区的雪崩光电二极管的制备方法的流程图；图3为实施图2所示基于alinassb体材料作倍增区的雪崩光电二极管的制备方法流程各步骤对应的垂直剖面结构示意图，其中，(a)为制备好的外延片的结构图，(b)为通过刻蚀得到台面的结构示意图，(c)为在台面上沉积钝化层后得到的结构示意图，(d)为光刻后得到通光孔与电极窗口的结构示意图，(e)为沉积p型电极与n型电极，剥离去除p型电极与n型电极之外的金属后的结构示意图。

参照图2和图3所示，基于alinassb体材料作倍增区的雪崩光电二极管的制备方法，包括：

步骤s202：在制备好的外延片上通过标准光刻技术以及湿法腐蚀或干法刻蚀制作台面，刻蚀深度到达n型欧姆接触层；

上述制备外延片的过程为：依次在衬底100上方外延生长缓冲层200、n型欧姆接触层300、雪崩倍增层400、p型电荷层500、光吸收层600以及p型欧姆接触层700；外延生长后的结果示意图如图3中(a)所示；

外延生长采用分子束外延mbe的方式；

湿法腐蚀采用磷酸、柠檬酸、双氧水配制成的湿法腐蚀液进行腐蚀；干法刻蚀采用感应耦合等离子体刻蚀icp技术；

台面包括：n型欧姆接触层300下半部分的上表面、上半部分的侧面；依次外延的雪崩倍增层400、p型电荷层500、光吸收层600和p型欧姆接触层700的外侧；以及p型欧姆接触层700的上表面；本实施例中刻蚀深度为2.6μm，刻蚀到n型接触层；刻蚀后的结果示意图如图3中(b)所示；

步骤s204：在台面上沉积钝化层800，然后进行标准光刻，刻蚀台面上方的钝化层800形成刻蚀孔1001，用于制作p型电极和通光孔；在台面四周刻蚀环形电极窗口1100，刻蚀深度至n型欧姆接触层300下半部分上表面，用于制作n型电极；

钝化层800包括电镀层810和介质膜层820，沉积钝化层包括：在台面上通过电镀沉积一层电镀层，然后继续沉积介质膜层，包覆于电镀层的外侧；其中，电镀层为硫，介质膜层为sio2或zns，沉积完钝化层的结果示意图如图3中(c)所示；

本实施例中电镀层为硫，介质膜层为sio2，采用硫层钝化是为了饱和台面侧壁的悬挂键，减小表面漏电流，起到增加物理钝化的效果；

本实施例中沉积钝化层和制备出刻蚀孔、电极窗口包括：

在无水硫化钠的乙二醇溶液中将外延片电镀30nm的硫，然后用磁控溅射沉积一层200nm的sio2覆盖在硫上面；

光刻并用hf缓冲液腐蚀sio2和硫，在台面上方开出一个略小于台面大小的刻蚀孔1001用于制作p型电极和通光孔；在台面四周刻蚀环形电极窗口1100，用于制作n型电极；通过刻蚀形成刻蚀孔1001和电极窗口1100的结果示意图如图3中(d)所示；

步骤s206：沉积环形的p型电极910与n型电极920，其中，p型电极沉积于刻蚀孔1001边缘，内侧未覆盖电极的空间即为通光孔1000，n型电极920沉积于电极窗口上，剥离去除p型电极和n型电极以外的金属，完成雪崩光电二极管的制备，结果图如图3中(e)所示；

p型电极910与n型电极920均为依次沉积的ti/pt/au三种金属。

综上所述，本实施例提供的基于alinassb体材料作倍增区的雪崩光电二极管的制备方法，通过采用alinassb体材料作为雪崩倍增层，具有单载流子离化特性，不存在由于雪崩建立时间而产生的增益-带宽积限制，具有低噪声、高增益-带宽积的优点，同时可以通过采用不同晶格常数的衬底来实现对其禁带宽度的调控，有效降低了暗电流，在满足光电探测器高灵敏度需求的同时，还可以实现能带工程的设计，拓宽了其适用范围；并且光吸收层可以根据所需吸收波长采用和衬底晶格匹配的非故意掺杂的iii-v族材料，覆盖范围从短波到长波红外，表现出较高的灵活性。

还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

当然，根据实际需要，本发明提供的基于alinassb体材料作倍增区的雪崩光电二极管的制备方法还包含其他的常用制备方法和步骤，由于同发明的创新之处无关，此处不再赘述。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。