专利名称：用于650nm光纤通信的光电探测器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种光电探测器，尤其是用于650nm光纤通信的光电探测器及其制造方法。
背景技术：
具有量子阱结构的AlGaInP半导体激光器发射650nm红光，已经产业化并大批量生产。作为红色激光光源，它广泛应用于DVD、VCD、CD等各种音像设备、计算机的CD-ROM光盘以及各种激光条形码的光学读取装置上。此外，650nm是塑料光纤的一个低损耗窗口(M.Hayashi，M.Tsuji，K.Makita et al，GaAs Pin-photodiodes with an AlGaInP window layer for usein 650nm wavelength GI-POF data links.IEEE Photonic Technology Letters，1996，18，(6))通过进一步改善塑料光纤的性能，如降低光损耗，提高带宽和耐热性等，可望用650nm塑料光纤通信来普及光纤到户，实现宽带接入。因为目前实现宽带接入的最佳方案仍然是光纤直接到户，而影响光纤到户的主要困难是目前1330～1550nm光纤通信的设备费用太高，一般用户无法承受。如果采用650nm作为光纤到户的通信波长，那么设备的费用可以大大降低。因为AlGaInP 650nm半导体激光器市场单价已经不到￥10元，塑料光纤的价格仅是石英光纤的十分之一，650nm的光电探测器可以用最成熟最便宜的硅材料制备。这样用650nm光纤通信的收发设备有可能降到￥200元以内，这是一般用户所能承受的。目前塑料光纤的损耗还太大，但已经有所改进。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)阶跃型塑料光纤在650nm的损耗为110dB/km，采用渐变型塑料光纤的界面凝胶聚合技术后PMMA渐变型塑料光纤在688nm波长的损耗降低到56dB/km650nm多模激光在石英光纤中的损耗也仅10dB/km以下。所以650nm光纤(石英或塑料)通信，可作为廉价短距离通信的有效选择，解决最后“一公里”问题。
与650nm激光器相配合的是650nm的光电探测器，它不但用于650nm光纤通信的光纤信号探测，而且用于DVD、VCD、CD等各种音像设备、计算机的CD-ROM光盘以及各种激光条形码的光学读取装置上650nm光信号的探测。此外，为了使650nm半导体激光器的工作电流和发射的激光功率稳定，就必须采用光电探测器将650nm半导体激光器的一部分激光信号转换为电信号，经过负反馈自动控制(APC)半导体激光器的驱动电流。所以，要使一个650nm半导体激光器稳定工作，就必须配一个650nm的半导体光电探测器。
用于制备650nm的光电探测器的半导体材料，可以有GaAsP、AlGaAs、GaAs、InP和Si等多种选择。如上所述，实现650nm光纤通信的关键是尽可能降低器件和设备的成本。为了降低650nm光电探测器的成本，首选的是用最成熟最便宜的硅材料制备。但是Si的室温禁带宽度与650nm不完全匹配。为了提高设备的光探测灵敏度，用于650nm通信的光电探测器在650nm波长的光响应度希望能在0.4A/W左右，而常规方法制备的Si PIN光电探测器在650nm处的光响应度太小，仅有0.3A/W左右，不适用于650nm的光纤通信。因此为了提高Si PIN光电探测器在650nm波长的光响应度，就必须改进已有Si PIN光电探测器的结构和工艺。
已有的用于650nm光纤通信的光电探测器为P+/I(N-)/N+三层结构，其短波光响应度低，原因是光照面P+层的P型掺杂浓度太高，使P+层受损伤造成少子扩散长度减少，形成所谓光生少子的“死层”。当短波长的光入射到“死层”时，光生少子在“死层”迅速复合，寿命很短，从而降低了短波的响应度(尹长松，朱晓刚，硅光探测器紫外响应的改善，半导体学报，1997，18，(7))。
发明内容
本发明的目的在于提供一种I-V特性好、暗电流小、光响应度高的用于650nm光纤通信的光电探测器及其制造方法。
要提高短波的响应度，就必须减少“死层”的影响。为此，本发明的技术方案是将硅光电探测器设计成P+/P/I(N-)/N+四层结构，即在常规探测器的P+层“死层”下面增加一层P型层，构成具有高低发射结的PIN管，并尽可能将P+层减薄。
用于650nm光纤通信的光电探测器为重掺杂的P+表面层/P型层/低掺杂N-型外延层/重掺杂N+衬底层，即P+/P/I(N-)/N+四层结构。其中P+区的厚度为0.08～0.12μm，浓度为(1～5)×1020cm-3；P区的厚度为0.4～0.6μm，浓度为(1～2)×1018cm-3；I(N-)的厚度为35～100μm，浓度为1×1015～1×1016cm-3；N+的厚度为400～600μm，浓度为(1～5)×1018cm-3；SiO2膜的折射率为1.4～1.6，厚度为0.108～0.352μm，透射率为94％～96％。
外延片参数电阻率为25～40Ω·cm，外延层为低掺杂N-型层，其厚度为35～100μm，衬底是重掺杂N+层，厚度为400～600μm，晶向为<111>。
最好P+区的厚度为0.1μm，浓度为1×1020cm-3；P区厚度为0.8μm，浓度为1×1021cm-3；I区的厚度为200μm；N+区的厚度为0.5μm，浓度为1×1020cm-3；SiO2膜的折射率为1.5的SiO2膜的厚度为0.108μm或0.325μm，透射率为0.95％。
所说的外延片最好选用参数电阻率为25.2Ω·cm的N-/N+外延片，外延层为低掺杂N--型层，其厚度为36μm，衬底是重掺杂N+层，厚度为580μm。
本发明所说的用于650nm光纤通信的光电探测器的制造方法为1、材料生长采用N-/N+外延片，外延层为低掺杂N-层，衬底是重掺杂N+层。
2、氧化。
3、光刻氧化膜。
4、P型扩散，分为淡硼扩散和浓硼扩散两个步骤1)淡硼扩散①预处理扩散前须先将硼源片通氧气活化。
②预沉积940～960℃，70～80min，控制结深0.25～0.35μm，表面浓度为(2～4)×1020cm-3。
③再分布预沉积后将硅片取出，用HF酸去掉表面玻璃层，然后在高温下进行再分布，再分布温度1000～1200℃，10～15min；或1000～1100℃，25～35min。
2)浓硼扩散炉温940～960℃，在氮气保护下，时间22～26min，结深为0.1～0.2μm，结深处的浓度Nx为1×1018～1×1019cm-3，表面浓度Ns为(1～4)×1020cm-3。
5、蒸发铝。
6.光刻铝用浓磷酸将铝腐蚀干净，再用等离子去胶机将表面的胶去除干净。
7.合金形成电极在520～550℃温度中氮气保护下合金10～20min，即可制得有良好欧姆接触的铝电极。
8.蒸发抗反射膜采用SiO2单层膜或SiO2+Si3N4双层膜作为抗反射膜，先后生长SiO2单层膜或SiO2+Si3N4双层膜。
9、光刻抗反射膜。
10.减薄蒸发背电极。
11.划片、封装和测试。
在生长材料中可采用电阻率为25.2Ω·cm的N-/N+外延片，外延层厚度为36μm，衬底是重掺杂N+层，样品厚度为580μm。
当采用固态氮化硼扩散时，即采用固态的氮化硼作源，用氮气保护进行开管扩散淡硼扩散①预处理扩散前须先将硼源片在950℃下通氧气活化，使氮化硼片表面形成足量的B2O3，以保证在扩散过程中有足够高的B2O3蒸汽压，使扩散Si片具有符合要求的表面浓度；
②预沉积950℃，70～80min，氮气流量1L/min，控制结深为0.3μm，表面浓度为2.5×1020cm-3；③再分布预沉积后将硅片取出，用HF酸去掉表面的SiO2-B2O3玻璃层，然后在高温下进行再分布，再分布温度炉温1050℃，氧气流量800ml/min，时间24min，控制表面浓度为1×1018cm-3，结深处的浓度为硅片衬底浓度2×1014cm-3，结深为0.5μm；浓硼扩散炉温950℃，氮气流量1L/min，时间24min，结深为0.1μm，结深处的浓度Nx为再分布后的表面浓度1×1018cm-3，表面浓度Ns为2.5×1020cm-3。
所说的合金形成电极可在530℃温度中氮气保护下合金10～20min。
所说的蒸发抗反射膜为SiO2膜的生长采用JS3X-100B型磁控溅射镀膜机上淀积SiO2膜，淀积条件为温度在溅射之前，样品从24℃烘烤到30℃；压力(2.0～3.0)×10-3Pa；Si3N4膜的生长采用等离子体增强化学汽相淀积方法制备氮化硅膜，温度为300℃，SiH4200sccm，NH3200sccm，压力5帕 RF150W。
图1为用于650nm光纤通信的光电探测器的结构示意图。
图2为用于650nm光纤通信的光电探测器的杂质浓度分布图。
图3为用于650nm光纤通信的光电探测器的能带图及高低结势垒对光生少子的反射作用。
图4为用于650nm光纤通信的光电探测器的绝对响应度的对比。图中的虚线为常规的PIN结构的Si光电探测器绝对光谱响应，理想状态下在650nm处的光响应度仅为0.35A/W。横坐标为Wavelength(nm)，纵坐标为Absolute Responsivity(100％)。
图5为两次扩散后的载流子浓度分布和结深位置图。横坐标为Depth(μm)，纵坐标为Log Concentration(/cm3)。在图5中，■为n型，●为P型。
图6为器件暗电流(Dark current/10-10A)随着电压(Voltage/V)增大的变化。在图6中，标记■为Al-3，●为Al-2，▲为Al-2-2。
图7为器件的相对和绝对光谱响应随波长变化曲线。横坐标为Wavelength(nm)，纵坐标为Absolute Responsivity(100％)。
具体实施例方式
参见图1，用于650nm光纤通信的光电探测器为重掺杂的P+表面层/P型层/低掺杂N-型外延层/重掺杂N+衬底层，即P+/P/I(N-)/N+四层结构。经过对上述结构的P+-P-I-N+高低发射结硅光电探测器绝对光谱响应度的理论数值模拟，确定器件纵向结构参数为P+区的厚度为0.1μm，浓度为1×1020cm-3，P区厚度为0.8μm，浓度为1×1021cm-3，I区的厚度为200μm，N+区的厚度为0.5μm，浓度为1×1020cm-3，SiO2膜的折射率为1.5的SiO2膜的厚度为0.108μm或0.325μm透射率为0.95％。
样品的外延片参数为电阻率为25.2Ω·cm的N-/N+外延片，外延层为低掺杂N--型层，其厚度为36μm。衬底是重掺杂N+层。样品厚度为580μm。晶向为<111>。
图2给出了器件的杂质浓度分布。
P+-P-I-N+高低发射结结构的硅光电探测器具有如下几个特点1、重掺杂的P+表面层很薄，大大减少了“死层”的厚度，使大部分入射光穿过P+层并射入P层和I层，产生有效的光生载流子。目前已有离子注入，气相扩散，涂布SiO2乳胶扩散和浅结扩散等方法可以制得很薄的P+表面层。
2、P区中的低的杂质浓度使俄歇(Auger)复合等重掺杂效应均可忽略。同时，由掺杂效应引起的缺陷密度也显著降低，大大地减小了发射区中的复合中心浓度，因此，P区的光生载流子的寿命和扩散长度得以明显的加长。
3、从图3可以看出，高低结处存在一个势垒，其电位差对发射区中的光生载流子将起着反射势垒的作用，不仅可以加速光生载流子向P-I势垒区方向扩散，提高光生载流子的收集效率，而且也减少了流向表面的少子浓度，有助于减少表面复合的影响，有效地抑制了流向表面的复合电流，使光电探测器的反向暗电流减少。
高低发射结的上述特点，有效地克服了普通光电探测器的各种不利因素，减少了光生载流子在发射区中的复合损失，使发射区性能得到改善，可明显地提高短波量子效率。
当采用上述纵向结构参数时P+-P-I-N+高低发射结硅光电探测器绝对光谱响应度的理论结果如图4所示，在650nm处绝对的光响应度为0.48A/W，达到光纤通信的要求。图4中的虚线为常规的PIN结构的Si光电探测器绝对光谱响应，理想状态下在650nm处的光响应度仅为0.35A/W。
以下实施例给出本发明所说的用于650nm光纤通信的光电探测器的制造方法。
1、材料生长采用的材料是电阻率为25.2Ω·cm的N-/N+外延片，外延层为低掺杂N--型层，其厚度为36μm。衬底是重掺杂N+层。样品厚度为580μm，晶向为<111>。
2、采用常规Si工艺进行氧化和光刻氧化膜。
3、分淡硼扩散和浓硼扩散两个步骤进行P型扩散。
采用固态氮化硼扩散，即采用固态的氮化硼作源，用氮气保护进行开管扩散。与已有的各种工艺相比，本发明的操作方便简单，可大批量生产，成本较低。同时，表面浓度和结深也易于控制，扩散硅片表面状态好，且P-N结平整。
淡硼扩散①预处理扩散前须先将硼源片在950℃下通氧气活化，使氮化硼片表面形成足量的B2O3，以保证在扩散过程中有足够高的B2O3蒸汽压，使扩散Si片具有符合要求的表面浓度。
②预沉积950℃，70～80min，氮气流量1L/min，控制结深为0.3μm，表面浓度为2.5×1020cm-3。
③再分布预沉积后将硅片取出，用HF酸去掉表面的SiO2-B2O3玻璃层，然后在高温下进行再分布。再分布炉温1050℃，氧气流量800ml/min，时间24min。控制表面浓度为1×1018cm-3，结深处的浓度为硅片衬底浓度2×1014cm-3，结深为0.5μm。
浓硼扩散炉温950℃，氮气流量1L/min，时间24min，结深为0.1μm，结深处的浓度Nx为再分布后的表面浓度1×1018cm-3，表面浓度Ns为2.5×1020cm-3。
4、蒸发铝采用常规Si工艺。
5、光刻铝用浓磷酸将铝腐蚀干净，再用等离子去胶机将表面的胶去除干净。
6、合金形成电极在530℃温度中氮气保护下合金10～20min，即可制得有良好欧姆接触的铝电极。
7、蒸发抗反射膜采用SiO2单层膜或SiO2+Si3N4双层膜作为抗反射膜，参见表1。
表1抗反射膜的设计表
SiO2膜的生长采用JS3X-100B型磁控溅射镀膜机上淀积SiO2膜。
淀积条件温度在溅射之前，样品从24℃烘烤到30℃。在溅射过程中，反应室温度还会有增加。
电源频率13.56MHz RF350W。
Ar100ml/min，O220ml/min。
压力(2.0～3.0)×10-3Pa。
在上述工艺条件下，淀积的SiO2膜折射率为1.46，淀积速率为13.3埃/min，腐蚀速率为1500埃/min，厚度为1100埃。
Si3N4膜的生长采用等离子体增强化学汽相淀积(PECVD)技术来制备氮化硅膜，通过实验确定了淀积氮化硅膜的工艺条件T＝300℃ SiH4200sccm NH3200sccm。
压力5帕，RF150W。
在上述工艺条件下，沉积的氮化硅膜实测后折射率为1.1，淀积速率为163埃/min，腐蚀速率为1400埃/min，厚度为1560埃。
8、光刻抗反射膜采用常规Si工艺。
9、减薄蒸发背电极用金刚砂研磨的方法将样品厚度从580μm减到300μm左右，在背面蒸发铝，550℃左右，在真空中合金10min。
10、划片、封装和测试采用常规Si工艺。
以下给出载流子浓度和结深的测试结果采用电化学CV法进行载流子浓度分布和结深的测量。使用BIO-RAD公司的PN4300PC电化学测量仪对两次扩散后样品的掺杂浓度和结深进行测量，其结果如图5所示。
在图5中，从表面到0.1μm处，载流子浓度约为3×1020cm-3的P+层，表面浓度较高有利于做欧姆接触；它厚度仅0.1μm很薄，“死层”的影响很少。而从0.1μm到0.6μm处是P层，载流子浓度从1019cm-3降至1016cm-3，相对较低的浓度有利于减少“死层”，提高其在短波的响应度。这和我们所设计比较吻合，从而解决了P+/P浅结扩散的问题。
此外，可用四探针测试仪对扩散的薄层电阻做测量。再分布之后的薄层电阻为80Ω/□，第二次预沉积之后的薄层电阻为35Ω/□。这和理论计算的较为吻合。
与已有技术相比，本发明的650nm更多探测器芯片制作完成后，经过划片、精心挑选后进行封装，采用环氧树脂扁平封装和TO-46充氮封装。测量得到的器件的主要光电性能如下(1)I-V特性用XJ4810半导体管特性图示仪测量器件的I-V特性。可以看出器件正向阈值电压为约为0.6V，和硅PN结的内建电势差值接近，当正向工作电流为0.1mA时，正向工作电压约为0.75V；器件的反向击穿电压为165V，是较好的硬击穿。器件的I-V特性良好。
(2)暗电流特性
在反向偏置且无光照的情况下，PIN光电二极管仍有小的电流流过，称之为暗电流或漏电流。采用YHP 4140B pA Meter/DC Voltage Source型微电流测试仪，分别对三个器件进行了测试。测得器件的暗电流和反向偏置电压的关系如图6所示在图6中，随着电压的增大，暗电流也随着增加，在0～30V范围内器件的暗电流小于0.4nA，满足短距离光纤通信的要求。
(3)光响应度光响应度是探测器最重要的性能指标之一。光响应度越大，意味着光电二极管对相同光照的响应电流越大。从光源发出的白光经单色仪分光和透镜聚焦后，单色光照射到探测器样品上，探测器将光信号转换为微小电流或是电压信号，直接放大后经数据采集系统传输给微机进行处理，单色仪也由微机进行控制。各部分仪器型号如下电流源GPC-1850D型Dual Tracking With 5V Fixed。
单色仪BP500光栅单色仪，波长范围为200nm～3000nm，最小分辨率为0.04nm。
数据采集系统DCS100型。
用上述测试仪器所测得的未经等光子数校对的相对光谱响应和波长的关系曲线如图7所示。
在图7中，实线对应于相对光谱响应随波长的变化关系，其曲线形状与理论计算的结果较为吻合。实心方形点分别对应于器件在532nm、638nm、650nm及850nm四个波长处的绝对响应度值，其值分别为0.33A/W、0.35A/W、0.37A/W及0.56A/W。在650nm处，器件的响应度达0.37A/W。绝对光谱响应测试中对应于532nm波长采用的光源是58-GSS-309型半导体泵浦激光器。对应于638nm波长采用的光源是PDL-B型激光器。650nm和850nm激光器与光功率计分别由厦门德嘉半导体公司和厦门三优光机电科技开发有限公司提供。
权利要求
1.用于650nm光纤通信的光电探测器，其特征在于为重掺杂的P+表面层/P型层/低掺杂N-型外延层/重掺杂N+衬底层，即P+/P/I(N-)/N+四层结构。
2.如权利要求1所述的用于650nm光纤通信的光电探测器，其特征在于P+区的厚度为0.08～0.12μm，浓度为(1～5)×1020cm-3；P区的厚度为0.4～0.6μm，浓度为(1～2)×1018cm-3；I(N-)的厚度为35～100μm，浓度为1×1015～1×1016cm-3；N+的厚度为400～600μm，浓度为(1～5)×1020cm-3；SiO2膜的折射率为1.4～1.6，厚度为0.108～0.352μm，透射率为94％～96％。
3.如权利要求1所述的用于650nm光纤通信的光电探测器，其特征在于所说的外延片选用参数电阻率为25～40Ω·cm，外延层为低掺杂N-型层，其厚度为35～100μm，衬底是重掺杂N+层，厚度为400～600μm，晶向为(111)。
4.如权利要求2所述的用于650nm光纤通信的光电探测器，其特征在于P+区的厚度为0.1μm，浓度为1×1020cm-3；P区厚度为0.8μm，浓度为1×1021cm-3；I区的厚度为200μm；N+区的厚度为0.5μm，浓度为1×1020cm-3；SiO2膜的折射率为1.5的SiO2膜的厚度为0.108μm或0.325μm，透射率为0.95％。
5.如权利要求3所述的用于650nm光纤通信的光电探测器，其特征在于所说的外延片选用参数电阻率为25.2Ω·cm的N-/N+外延片，外延层为低掺杂N--型层，其厚度为36μm，衬底是重掺杂N+层，厚度为580μm。
6.用于650nm光纤通信的光电探测器的制造方法，其特征在于其步骤为1)、材料生长采用N-/N+外延片，外延层为低掺杂N--型层，衬底是重掺杂N+层；2)、氧化；3)、光刻氧化膜；4)、P型扩散，分为淡硼扩散和浓硼扩散两个步骤(1)淡硼扩散①预处理扩散前须先将硼源片通氧气活化；②预沉积940～960℃，70～80min，在氮气保护下，控制结深0.25～0.35μm，表面浓度为(2～4)×1020cm-3；③再分布预沉积后将硅片取出，用HF酸去掉表面玻璃层，然后在高温下进行再分布；(2)浓硼扩散炉温940～960℃，在氮气保护下，时间22～26min，结深为0.1～0.2μm，结深处的浓度Nx为1×1018～1×1019cm-3，表面浓度Ns为(1～4)×1020cm-3；5).蒸发铝；6).光刻铝用浓磷酸将铝腐蚀干净，再用等离子去胶机将表面的胶去除干净；7).合金形成电极在500～550℃温度中氮气保护下合金10～20min，即可制得有良好欧姆接触的铝电极；8).蒸发抗反射膜采用SiO2单层膜或SiO2+Si3N4双层膜作为抗反射膜，先后生长SiO2单层膜或SiO2+Si3N4双层膜；9).光刻抗反射膜；10).减薄蒸发背电极；11).划片、封装和测试。
7.如权利要求6所述的用于650nm光纤通信的光电探测器的制造方法，其特征在于生长材料采用电阻率为25.2Ω·cm的N-/N+外延片，外延层厚度为36μm，衬底是重掺杂N+层，样品厚度为580μm。
8.如权利要求6所述的用于650nm光纤通信的光电探测器的制造方法，其特征在于采用固态氮化硼扩散，即采用固态的氮化硼作源，用氮气保护进行开管扩散淡硼扩散①预处理扩散前须先将硼源片在950℃下通氧气活化，使氮化硼片表面形成足量的B2O3，以保证在扩散过程中有足够高的B2O3蒸汽压，使扩散Si片具有符合要求的表面浓度；②预沉积950℃，70～80min，氮气流量1L/min，控制结深为0.3μm，表面浓度为2.5×1020cm-3；③再分布预沉积后将硅片取出，用HF酸去掉表面的SiO2-B2O3玻璃层，然后在高温下进行再分布，再分布温度炉温1050℃，氧气流量800毫L/min，时间24min，控制表面浓度为1×1018cm-3，结深处的浓度为硅片衬底浓度2×1014cm-3，结深为0.5μm；浓硼扩散炉温950℃，氮气流量1L/min，时间24min，结深为0.1μm，结深处的浓度Nx为再分布后的表面浓度1×1018cm-3，表面浓度Ns为2.5×1020cm-3。
9.如权利要求6所述的用于650nm光纤通信的光电探测器的制造方法，其特征在于所说的合金形成电极是在530℃温度中氮气保护下合金10～20min。
10.如权利要求6所述的用于650nm光纤通信的光电探测器的制造方法，其特征在于所说的蒸发抗反射膜为SiO2膜的生长采用JS3X-100B型磁控溅射镀膜机上淀积SiO2膜，淀积条件为温度在溅射之前，样品从24℃烘烤到30℃；压力(2.0～3.0)×10-3Pa；Si3N4膜的生长采用等离子体增强化学汽相淀积方法制备氮化硅膜，温度为300℃，SiH4200sccm，NH3200sccm，压力5帕RF150W。
全文摘要
涉及一种用于650nm光纤通信的光电探测器，为重掺杂的P
文档编号H01L31/102GK1555099SQ200310121088
公开日2004年12月15日 申请日期2003年12月24日 优先权日2003年12月24日
发明者陈朝, 刘丽娜, 陈 朝 申请人:厦门三优光机电科技开发有限公司