CN111816728A - 雪崩光电二极管及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种雪崩光电二极管，该雪崩光电二极管包括衬底以及形成在衬底上的外延部，外延部包括依序层叠在衬底上的倍增层、电荷层和吸收层；其中，电荷层与吸收层之间设有第一波导层，吸收层的背向电荷层的表面上设有第二波导层，第一波导层的折射率和第二波导层的折射率小于吸收层的折射率。本发明解决了现有的雪崩光电二极管的吸收层的厚度太大从而增加载流子渡越吸收层的时间，降低雪崩光电二极管的响应速度的问题。

Description

雪崩光电二极管及其制作方法
技术领域
本发明涉及半导体光感器件技术领域，尤其涉及一种雪崩光电二极管及其制作方法。
背景技术
雪崩光电二极管是一种光敏元件。在雪崩光电二极管的PN结层中施加反向偏压的状态下，射入的光线被PN结层吸收后会形成光电流，此时加大反向偏压会产生光电流成倍地激增的“雪崩”现象。因此，雪崩光电二极管针对光信号具有着较大的敏感性。
现有的雪崩光电二极管普遍采用从顶部窗口接收光线的结构。这种结构的量子效率依赖于吸收层的厚度，也就是吸收层的厚度越大量子效率也就越高。但是，吸收层的厚度太大会增加载流子渡越吸收层的时间，从而降低了雪崩光电二极管的响应速度。
发明内容
鉴于现有技术存在的不足，本发明提供了如下的技术方案：
根据本发明的一方面提供了一种雪崩光电二极管，包括衬底以及形成在所述衬底上的外延部，所述外延部包括依序层叠在所述衬底上的倍增层、电荷层和吸收层；其中，所述电荷层与所述吸收层之间设有第一波导层，所述吸收层的背向所述电荷层的表面上设有第二波导层，所述第一波导层的折射率和所述第二波导层的折射率小于所述吸收层的折射率。
优选地，所述外延部还包括缓冲结构，所述缓冲结构夹设在所述衬底与所述倍增层之间；其中，所述缓冲结构包括第一缓冲层和第二缓冲层，所述第一缓冲层和所述第二缓冲层依序层叠在所述衬底的面向所述倍增层的表面上。
优选地，所述外延部还包括接触层，所述接触层设置于所述第二波导层上。
优选地，根据权利要求3所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述雪崩光电二极管还包括第一电极和第二电极，其中，所述第二缓冲层、所述倍增层、所述电荷层、所述第一波导层、所述吸收层、所述第二波导层和所述接触层在所述衬底上的正投影均位于所述第一缓冲层在所述衬底上的正投影内，所述第一电极设置于所述接触层上，所述第二电极设置于所述第一缓冲层面向所述第二缓冲层的表面上。
优选地，所述雪崩光电二极管还包括钝化膜，所述钝化膜设置于所述外延部的周围，所述钝化膜由聚酰亚胺材料制成。
根据本发明的另一方面提供了一种雪崩光电二极管的制作方法，该制作方法包括：
在衬底上依序形成倍增层、电荷层、第一波导层、吸收层和第二波导层；
其中，所述第一波导层的折射率和所述第二波导层的折射率小于所述吸收层的折射率。
优选地，在形成所述倍增层之前，所述制作方法还包括：在所述衬底上形成缓冲结构；
其中，所述倍增层在所述缓冲结构形成之后，并且形成在所述缓冲结构上。
优选地，在所述衬底上形成缓冲结构的方法包括：
在所述衬底上形成第一缓冲层；
在所述第一缓冲层上形成第二缓冲层，以形成所述缓冲结构。
优选地，所述制作方法还包括：
在所述第二波导层上形成接触层；
在所述接触层上形成第一电极；
在所述第一缓冲层面向所述第二缓冲层的表面上形成第二电极。
优选地，所述制作方法还包括：
在所述缓冲结构、所述倍增层、电荷层、第一波导层、吸收层和第二波导层和所述接触层的周围涂覆聚酰亚胺溶液；
固化所述聚酰亚胺溶液，以形成钝化膜。
本发明提供的雪崩光电二极管的外延部包括了波导层结构，从而使雪崩光电二极管能够从外延部的侧面接收光线。雪崩光电二极管从侧面接收光线时，该雪崩光电二极管的量子效率依赖于吸收层的长度，因此吸收层的厚度可以采取较薄的尺寸，从而可以减少在吸收层中生成的载流子渡越吸收层的时间，以此提高了雪崩光电二极管的响应速度。
此外，本发明的雪崩光电二极管中，由于波导层的折射率小于吸收层的折射率，因此波导层与吸收层之间的界面起到了光限制作用，使未被吸收层吸收的光线限制在吸收层中，从而减少了雪崩光电二极管中的光损耗。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的雪崩光电二极管的结构示意图；
图2是根据本发明的另一实施例的雪崩光电二极管的结构示意图；
图3a至图3i是根据本发明的实施例的雪崩光电二极管的制程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
此外，将理解的是，当诸如层、膜、区域或衬底等的元件被称作“在”另一元件或另一元件的表面“上”时，该元件可以直接在所述另一元件或所述另一元件的表面上，或者也可以存在中间元件。可选择地，当元件被称作“直接在”另一元件或另一元件的表面“上”时，不存在中间元件。
如背景技术中所述，现有的雪崩光电二极管普遍采用从顶部窗口接收光线的结构，这种结构的量子效率依赖于吸收层的厚度，也就是吸收层的厚度越大量子效率也就越高。但是，吸收层的厚度太大会增加载流子渡越吸收层的时间，从而降低了雪崩光电二极管的响应速度。
为了改善现有的雪崩光电二极管的结构缺陷，根据本发明的实施例提供了一种在雪崩光电二极管的外延部中设置波导层结构的雪崩光电二极管。在该雪崩光电二极管中，尤其在吸收层的上下两侧分别设置波导层，以此使雪崩光电二极管从外延部的侧面接收光线，从而使该雪崩光电二极管的量子效率依赖于吸收层的长度或者宽度。雪崩光电二极管的量子效率不依赖于吸收层的厚度的情形下，吸收层的厚度可以采取较薄的尺寸，从而可以减少吸收层中生成的载流子渡越吸收层的时间，以此可以提高雪崩光电二极管的响应速度。
以下将结合附图来详细描述根据本发明的实施例的在外延部中设置了波导层结构的雪崩光电二极管。
实施例1
本实施例提供了一种雪崩光电二极管，如图1所示，该雪崩光电二极管包括衬底1以及形成在所述衬底1上的外延部A。所述外延部A包括依序层叠在所述衬底1上的倍增层2、电荷层3和吸收层5。本实施例中为了改变雪崩光电二极管的光线接收方向，在所述电荷层3与所述吸收层5之间设置第一波导层4，在所述吸收层5的背向所述电荷层3的表面上设置第二波导层6，以此使本实施的雪崩光电二极管从外延部A的侧面接收光线。这样可以使本实施的雪崩光电二极管的量子效率依赖于吸收层5的长度或者宽度，也就是说，只要相应地调整吸收层5的长度或者宽度就能保障雪崩光电二极管的量子效率。
因此，本实施例提供的雪崩光电二极管中，不必为了保障雪崩光电二极管的量子效率而采用较厚的吸收层5。反而可以将吸收层5的厚度设置为较薄的厚度，从而可以减少吸收层5中生成的载流子渡越吸收层5的时间，以此可以提高雪崩光电二极管的响应速度。
优选地，如图1所示，本实施例的所述第一波导层4的折射率和所述第二波导层6的折射率小于所述吸收层5的折射率，以此使波导层与吸收层5之间的界面起到光限制作用，从而可以将未被吸收层5吸收的光线限制在吸收层5中，以此提高吸收层5的光吸收效率，减少了雪崩光电二极管中的光损耗。
较佳地，为了提高载流子的传输效率，如图1所示，所述外延部A还包括缓冲结构7。所述缓冲结构7夹设在所述衬底1与所述倍增层2之间。其中，所述缓冲结构7包括第一缓冲层71和第二缓冲层72，所述第一缓冲层71和所述第二缓冲层72依序层叠在所述衬底1的面向所述倍增层2的表面上。
具体地，如图1所示，在本实施例中，所述外延部A还包括接触层8，所述接触层8设置于所述第二波导层6上。其中，所述第二缓冲层72、所述倍增层2、所述电荷层3、所述第一波导层4、所述吸收层5、所述第二波导层6和所述接触层8在所述衬底1上的正投影均位于所述第一缓冲层71在所述衬底1上的正投影内。也就是说，在所述第一缓冲层71上形成的其余功能层不完全覆盖所述第一缓冲层71。本实施例的雪崩光电二极管还包括第一电极9和第二电极10，所述第一电极9设置于所述接触层8上，所述第二电极10设置于所述第一缓冲层71面向所述第二缓冲层72的表面上。
可选地，为了防止外延部A的暗电流，如图1所示，本实施例的雪崩光电二极管还可以包括钝化膜11。所述钝化膜11设置于所述外延部A的侧面上，所述钝化膜11由聚酰亚胺材料制成。其中，所述外延部A的侧面是指构成所述外延部的多个功能层的侧面连续相接而成的面。
实施例2
本实施例提供了如实施例1所述的雪崩光电二极管的制作方法。如图2所示，该制作方法为：
在衬底1上依序形成倍增层2、电荷层3、第一波导层4、吸收层5、第二波导层6。其中，所述第一波导层4的折射率和所述第二波导层6的折射率小于所述吸收层5的折射率。
具体地，所述衬底1由InP材料制成，所述倍增层2由300nm厚度的P型InAlAs材料制成；所述电荷层3由70nm厚度的P型InAlAs材料制成，其P型掺杂物的掺杂浓度是6×1017cm-3；所述第一波导层4由450nm厚度的P型InAlGaAs材料制成，其P型掺杂物的掺杂浓度是6×1016cm-3；所述吸收层5由P型InGaAs材料制成，其P型掺杂物的掺杂浓度是6×1016cm-3，其中，所述吸收层5的生长厚度可以在150nm～500nm之间选取。所述第二波导层6由450nm厚度的P型InAlGaAs材料制成，其P型掺杂物的掺杂浓度是6×1016cm-3。
更具体地，如图3a至图3b所示，在形成所述倍增层2之前，所述制作方法还包括：在所述衬底1上形成缓冲结构7。其中，所述倍增层2在所述缓冲结构7形成之后，并且形成在所述缓冲结构7上。形成所述缓冲结构7的方法为：在所述衬底1上依序形成第一缓冲层71和第二缓冲层72。其中，所述第一缓冲层71由200nm厚度的N型InP材料制成，所述第二缓冲层72由500nm厚度的N型InAlAs材料制成。
更具体地，如图3c至图3i所示，本实施例的制作方法还包括，在所述第二波导层6上依序形成接触层8和第一电极9，以及在所述第一缓冲层71面向所述第二缓冲层72的表面上形成第二电极10的步骤。其中，所述接触层8由150nm厚度的P型InGaAs材料制成，其P型掺杂物的掺杂浓度是3×1018cm-3。
优选地，本实施例的制作方法还包括，在所述缓冲结构7、所述倍增层2、电荷层3、第一波导层4、吸收层5和第二波导层6和所述接触层8的周围涂覆聚酰亚胺溶液，并将所述聚酰亚胺溶液进行固化，形成钝化膜11的步骤。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
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。

Claims (10)

1.一种雪崩光电二极管，包括衬底以及形成在所述衬底上的外延部，所述外延部包括依序层叠在所述衬底上的倍增层、电荷层和吸收层，其特征在于，所述外延部还包括设置在所述电荷层和所述吸收层之间的第一波导层以及设置在所述吸收层的背向所述电荷层的表面上的第二波导层，所述第一波导层的折射率和所述第二波导层的折射率均小于所述吸收层的折射率。
2.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述外延部还包括依序层叠在所述衬底和所述倍增层之间的第一缓冲层和第二缓冲层。
3.根据权利要求1或2所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述外延部还包括接触层，所述接触层设置于所述第二波导层上。
4.根据权利要求3所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述雪崩光电二极管还包括第一电极和第二电极，其中，所述第二缓冲层、所述倍增层、所述电荷层、所述第一波导层、所述吸收层、所述第二波导层和所述接触层在所述衬底上的正投影均位于所述第一缓冲层在所述衬底上的正投影内，所述第一电极设置于所述接触层上，所述第二电极设置于所述第一缓冲层面向所述第二缓冲层的表面上。
5.根据权利要求4所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述雪崩光电二极管还包括钝化膜，所述钝化膜设置于所述外延部的侧面上，所述钝化膜由聚酰亚胺材料制成。
6.一种雪崩光电二极管的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
在衬底上依序形成倍增层；
在所述倍增层上形成电荷层；
在所述电荷层上形成第一波导层；
在所述第一波导层上形成吸收层；
在所述吸收层上形成第二波导层；
其中，所述第一波导层的折射率和所述第二波导层的折射率小于所述吸收层的折射率。
7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，在形成所述倍增层之前，所述制作方法还包括：在所述衬底上形成缓冲结构；
其中，所述倍增层在所述缓冲结构形成之后，并且形成在所述缓冲结构上。
8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，在所述衬底上形成缓冲结构的方法包括：
在所述衬底上形成第一缓冲层；
在所述第一缓冲层上形成第二缓冲层，以形成所述缓冲结构。
9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，所述制作方法还包括：
在所述第二波导层上形成接触层；
在所述接触层上形成第一电极；
在所述第一缓冲层面向所述第二缓冲层的表面上形成第二电极。
10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于，所述制作方法还包括：
在所述缓冲结构、所述倍增层、电荷层、第一波导层、吸收层和第二波导层和所述接触层的周围涂覆聚酰亚胺溶液；
固化所述聚酰亚胺溶液，以形成钝化膜。
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