專利名稱：具有用于大的光信號接收區(qū)的電極結(jié)構(gòu)的光電二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光電二極管，更具體地，涉及一種具有能夠構(gòu)成大的受光區(qū)以增加受光量的電極結(jié)構(gòu)的光電二極管。
背景技術(shù)：
光電二極管當(dāng)受光區(qū)越大時，受光量越大，因此當(dāng)光電二極管耦接至光纖時，它可以支持更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳輸操作，并使得對準(zhǔn)容易。
然而，當(dāng)擴大受光區(qū)時，光電二極管的渡越時間(transit time)和載流子輸運時間延長，因此運行速度變得遲滯(late)，并且頻率響應(yīng)速度、即光電二極管最基本的電特性也變得遲滯。
圖1示出普通光電二極管的結(jié)構(gòu)。參照圖1，光電二極管包括InP襯底10，形成于襯底10上的受光區(qū)11，以及歐姆接觸于襯底10上并與受光區(qū)11相鄰的電極墊12。在這種連接中，對應(yīng)于受光區(qū)11中吸收的光子而產(chǎn)生電子-空穴對，因此，載流子通過電極墊12輸運到外部電路。
在如上述構(gòu)成的光電二極管中，當(dāng)光輸入InP時，由于光電效應(yīng)而在價電子帶中形成空穴，并且在導(dǎo)電帶中產(chǎn)生電子，價電子帶中的電子通過光電效應(yīng)被激發(fā)到導(dǎo)電帶，從而產(chǎn)生電子-空穴對。因此，載流子通過PN結(jié)結(jié)構(gòu)(junctionstructure)提供的電場移動到電極，然后被輸運到外部電路。特別地，近來正在積極地開展對于PIN光電二極管的研究，在PIN光電二極管中，I層、即本征半導(dǎo)體層插入在PN結(jié)結(jié)構(gòu)中。
通常，為了讓光電二極管更好地檢測光信號，沒有輸入光信號時的電流即暗電流應(yīng)該低，并且與輸入光相對應(yīng)的輸出電流的維恩響應(yīng)度(Wienresponsivity)應(yīng)該高。此外，二極管電容、寄生電容以及載流子輸運時間也是影響光電二極管運行速度的變量。
對于通常的平坦(flat)PIN光電二極管，如果擴大受光區(qū)，則根據(jù)如下表達式1增加二極管電容Cj，從而增加元件的總電容，因此降低了運行速度和頻率響應(yīng)時間。
表達式1Cj=ϵAW]]>在上述表達式1中，耗盡層的寬度W以如下表達式2表達。這里，e為介電常數(shù)，A為結(jié)面積，V為反向偏置電壓，Vbi為結(jié)內(nèi)建電壓，q為電荷量，ND為I層中的凈電荷濃度。
表達式2W=2ϵ(V-Vbi)qND]]>圖2示出一種光電二極管，該光電二極管具有在SiO2(二氧化硅)膜上形成的電極墊12和沿著受光區(qū)11的邊緣形成的環(huán)形金屬電極13，從而將當(dāng)受光區(qū)增加到具有大口徑時成為問題的電容最小化。在這種連接中，通過經(jīng)由環(huán)形電極13和電極墊12將對應(yīng)于輸入光信號而產(chǎn)生的電流傳導(dǎo)到外部電路，可以將寄生電容最小化，其中，該環(huán)形電極13與受光區(qū)11歐姆接觸，而電極墊12連接至環(huán)形電極13。
然而，如果使用環(huán)形電極13，則在組裝OSA(光學(xué)次模塊)期間，由于金屬環(huán)的背向反射(back reflectance)，用于對準(zhǔn)的處理時間增加。此外，如果設(shè)置了超過一定直徑的大受光區(qū)11，則載流子輸運時間延長，從而降低了頻率響應(yīng)速度。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題考慮到上述問題而設(shè)計出本發(fā)明，因此本發(fā)明的目的是提供一種光電二極管，這種光電二極管具有的電極結(jié)構(gòu)可以解決與光纖對準(zhǔn)時出現(xiàn)的反射問題，可以將電容最小化，還可以減少載流子輸運時間。
技術(shù)方案為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種光電二極管，其包括受光區(qū)，具有用于光電轉(zhuǎn)換的化合物半導(dǎo)體的結(jié)結(jié)構(gòu)；第一電極，具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，該網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與位于受光區(qū)一側(cè)的光輸入?yún)^(qū)域歐姆接觸；以及第二電極，形成在受光區(qū)的另一側(cè)，并與第一電極相對應(yīng)。
優(yōu)選地，第一電極的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有為長度和寬度為30至50μm的方形圖案。
此外，第一電極優(yōu)選由寬度為1至4μm的金屬線構(gòu)成。
本發(fā)明的光電二極管還可包括環(huán)形電極，其電連接至第一電極，并且沿著受光區(qū)的光輸入?yún)^(qū)域的邊緣歐姆接觸。
受光區(qū)可包括N型InP襯底；形成在該襯底上的N型InP緩沖層；形成在該緩沖層上的InGaAs吸收層；以及形成在該吸收層上的InP層。
優(yōu)選地，本發(fā)明的光電二極管還包括形成在該InP層上該光輸入?yún)^(qū)域周圍的二氧化硅絕緣膜；鈍化(passivate)在該二氧化硅絕緣膜上的非反射膜；以及形成在該非反射膜上并連接至第一電極的電極墊。
優(yōu)選地，InGaAs吸收層的厚度為2.0至3.4μm。


參照附圖在以下詳細(xì)說明中更完整地說明本發(fā)明優(yōu)選實施例的這些及其它特征、方案和優(yōu)點。在附圖中圖1為示出傳統(tǒng)光電二極管結(jié)構(gòu)的平面圖；圖2為示出傳統(tǒng)光電二極管另一結(jié)構(gòu)的平面圖；圖3為示出根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的光電二極管結(jié)構(gòu)的平面圖；圖4為示出根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的光電二極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)的局部剖視圖；圖5為示出根據(jù)本發(fā)明一實施例的光電二極管的頻率響應(yīng)特性的坐標(biāo)圖；圖6示出用于測量光電二極管脈沖響應(yīng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；圖7和圖8為示出根據(jù)比較實例測量光電二極管脈沖響應(yīng)時的對準(zhǔn)位置的平面圖；圖9和圖10為示出根據(jù)比較實例與光電二極管的光對準(zhǔn)相應(yīng)的脈沖特性的坐標(biāo)圖；以及圖11和圖12為示出根據(jù)比較實例的光電二極管頻率響應(yīng)特性的坐標(biāo)圖。
具體實施例方式
以下參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明。所使用的術(shù)語不應(yīng)解釋為限于通常的及字典上的含義，而是根據(jù)發(fā)明人為了最好地進行說明而可適當(dāng)?shù)囟x術(shù)語的原則，基于本發(fā)明的含義和概念來解釋。因此，這里對本發(fā)明范圍的說明應(yīng)當(dāng)理解為不脫離本發(fā)明的精神和范圍可作出其它改型。
圖3為示出根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的光電二極管結(jié)構(gòu)的平面圖，圖4為其局部剖視圖。
參照圖3和圖4，根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的光電二極管包括受光區(qū)100，其具有用于光電轉(zhuǎn)換的化合物半導(dǎo)體的多層結(jié)結(jié)構(gòu)；第一電極101，其設(shè)置于受光區(qū)100的光輸入?yún)^(qū)域內(nèi)，并具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；以及第二電極107，其形成在受光區(qū)100的另一側(cè)。
具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的第一電極101設(shè)置于受光區(qū)100的光輸入?yún)^(qū)域內(nèi)。第一電極101的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與受光區(qū)100的上部歐姆接觸，并且構(gòu)成為重復(fù)等于或大于普通光通信光線直徑的30至50μm的方形金屬線(wire)圖案。這里，第一電極101的網(wǎng)型金屬線圖案優(yōu)選具有1至4μm的寬度，從而不會影響光電二極管的背向反射，并且在組裝過程中不會影響激光焊接。更優(yōu)選地，第一電極101的金屬線具有2至4μm的寬度。優(yōu)選地，第一電極101構(gòu)成為具有Ti/Pt/Au或者Cr/Au的多個層。
優(yōu)選地，還可在受光區(qū)100的光輸入?yún)^(qū)域的邊緣設(shè)置環(huán)形電極102。與受光區(qū)100歐姆接觸的環(huán)形電極102環(huán)繞網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的邊緣，并且電連接至第一電極101。
電連接至第一電極101和環(huán)形電極102以將載流子輸運至外部電路的電極墊103設(shè)置在受光區(qū)100的光輸入?yún)^(qū)域附近。這里，在受光區(qū)100的光輸入?yún)^(qū)域周圍，設(shè)置有厚度約1μm的SiO2絕緣膜105和由Si3N4制成的約1000至2000的非反射膜106，該非反射膜106鈍化在SiO2絕緣膜105上。電極墊103形成在非反射膜106上以使寄生電容最小化，并且優(yōu)選由Ti/Pt/Au或者Cr/Au的多個層構(gòu)成。
受光區(qū)100具有用于產(chǎn)生對應(yīng)于輸入光的載流子的化合物半導(dǎo)體層和用于提供電場以輸運載流子至電極的PN結(jié)結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，受光區(qū)100可包括N型InP襯底108，形成在襯底108上的N型InP緩沖層109，形成在緩沖層109上的InGaAs吸收層110，以及形成在吸收層110上的InP層111。InP層111設(shè)置有通過鋅擴散形成的P型InP區(qū)域104，并且在襯底108的下表面形成有與具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的第一電極101相對應(yīng)的第二電極107。這里，受光區(qū)100并不限于上述結(jié)構(gòu)，其可以具有多種改型，例如公知的PIN結(jié)結(jié)構(gòu)。
對光電二極管的性能影響最大的頻率響應(yīng)由吸收層110的傳輸時間(transmit time)和電容所限定。也就是說，如果吸收層110的厚度增加得太多，則消耗很多渡越時間；但是，如果厚度減少，則電容增加，從而使頻率響應(yīng)特性惡化。考慮到以上原因，InGaAs吸收層110優(yōu)選具有2.0至3.4μm的厚度，并且受光區(qū)100優(yōu)選具有約100至300μm的直徑。特別地，當(dāng)光電二極管用于光通信的接受目的時，受光區(qū)100優(yōu)選具有100至150μm的直徑。
受光區(qū)100的InP緩沖層109、InGaAs吸收層110、InP層111等可通過在普通的(common)半導(dǎo)體制造過程中使用的膜生長技術(shù)依次形成。此外，InP層111上部的鋅擴散區(qū)域104可通過利用普通的PECVD(等離子體增強化學(xué)氣相沉積)的掩模技術(shù)、光刻技術(shù)、舉離(lift-off)技術(shù)、RTA(快速熱退火)等形成，而諸如具有網(wǎng)狀圖案的第一電極101、環(huán)形電極102、電極墊103以及第二電極107等電極結(jié)構(gòu)可利用普通的電子束沉積技術(shù)、舉離技術(shù)或者濕法蝕刻來制備。
以下說明根據(jù)本發(fā)明的光電二極管的制造過程，著重說明受光區(qū)100的鋅擴散區(qū)域104、電極等的形成。
首先，對于其中通過使用MOCVD的生長而形成襯底108、InP緩沖層109、InGaAs吸收層110、InP層111以及作為保護膜的InGaAs覆蓋層(未示出)的外延晶片，使用硫酸蝕刻溶液去除厚度為0.1μm的InGaAs覆蓋層，并使用PECVD設(shè)備沉積Si3N4膜以構(gòu)成用于鋅擴散的掩模。
沉積過程完成以后，通過光刻在Si3N4膜上構(gòu)成用于鋅擴散的PR(光致抗蝕劑)圖案，然后使用BOE(緩沖氧化物蝕刻劑)溶液蝕刻由PR圖案暴露出的Si3N4。
BOE蝕刻完成以后，晶片和Zn3P2一起置入熱蒸發(fā)器腔室，然后在2×10-6托的真空下將Zn3P2沉積在晶片上。沉積以后，對晶片執(zhí)行舉離工藝，使得Zn3P2和PN都被去除，留下一部分Zn3P2用于鋅擴散。這里，舉離工藝以如下的方式執(zhí)行使用丙酮溶液等溶解PR，使得PR和沉積在PR上的Zn3P2都從襯底上分離。
由于使用PECVD將SiO2沉積在晶片的上表面上，所以當(dāng)鋅在高溫下擴散時，防止了晶片的向外擴散(out-diffusion)。
然后，將上面覆蓋有SiO2的晶片置入氮氣環(huán)境下的RTA腔室，然后在550℃下執(zhí)行Zn-RTA擴散4分鐘。擴散過程完成以后，利用BOE去除SiO2覆蓋層，然后使用氮蝕刻溶液去除擴散之后殘留在受光區(qū)中的Zn3P2。
隨后，為了使電極墊導(dǎo)致的寄生電容最小化，使用PECVD設(shè)備在晶片的上表面上沉積1μm厚的SiO2絕緣層，然后使用光刻和BOE溶液去除鋅擴散區(qū)域中的SiO2。
之后，利用PECVD形成非反射膜(Si3N4)106，然后使用光刻和舉離工藝形成P-金屬電極、即具有網(wǎng)狀圖案的第一電極。這里，P-金屬電極以如下的方式形成對于其上通過光刻形成PR圖案的晶片，使用電子束蒸發(fā)器在1×10-6托的高真空下沉積400/600/1200厚的Ti/Pt/Au，然后利用舉離工藝去除非必要區(qū)(unnecessary area)上的金屬膜，隨后在RTA腔室中執(zhí)行歐姆接觸退火。如上所述形成具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的P-金屬電極以后，在鄰近該P-金屬電極的SiO2絕緣層的一側(cè)形成電極墊。
隨后，對晶片的背面執(zhí)行研磨工藝，以獲得100μm的厚度，然后，沉積400/600/3000厚的作為N-金屬的Ti/Pt/Au，然后在RTA中再次執(zhí)行歐姆接觸退火。然后，形成N-金屬，即與具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的P-金屬相對應(yīng)的第二電極。
以上整個過程全部完成后，將晶片切割成一定的大小，如圖4所示，然后得到在受光區(qū)中具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的光電二極管。
本發(fā)明的方式以下，為了更好地理解本發(fā)明，對根據(jù)上述實施例的光電二極管和根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的光電二極管(比較實例)進行比較說明。
實施例制造一光電二極管，其中受光區(qū)的直徑為150μm，InGaAs吸收層厚2.0μm，該光電二極管包括具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的電極、以及電極墊。
經(jīng)測量該實施例的光電二極管的頻率響應(yīng)速度，發(fā)現(xiàn)以VR＝5V為例時，對應(yīng)于3dB帶寬的頻率為0.58GHz，如圖5所示。
比較實例1制造一光電二極管，其中受光區(qū)的直徑為120μm，InGaAs吸收層厚3.4μm該光電二極管僅包括直接在InP襯底上形成的電極墊(參照圖1)。
比較實例2制造一光電二極管，其中受光區(qū)的直徑為120μm，InGaAs吸收層厚3.4μm，該光電二極管包括在SiO2膜上形成的環(huán)形電極和電極墊(參照圖2)。
對于比較實例1和2，通過脈沖響應(yīng)檢查隨受光對準(zhǔn)位置的變化而導(dǎo)致的光電二極管的響應(yīng)速度的變化。如圖6所示，在普通脈沖響應(yīng)測量系統(tǒng)的光學(xué)單元(optical stage)200中調(diào)節(jié)光軸，使光電二極管的響應(yīng)度變?yōu)樽畲蠡缓笫褂肔SA 3707A 201測量該光電二極管的階躍響應(yīng)(step response)。測量條件設(shè)置為測試功率＝-2.5dBm，VR＝5.0V，RL＝50，1＝1550nm，電延遲＝6ns，時間間隔＝5ns，然后測量脈沖響應(yīng)，并通過改變對應(yīng)于受光單元11的各點A、B、C的光線位置來進行比較，如圖7和圖8所示。
作為測量的結(jié)果，如圖9和圖10所示，發(fā)現(xiàn)與比較實例1的光電二極管相比，比較實例2的光電二極管表現(xiàn)出隨光束位置的變化，響應(yīng)速度的變化較小。因此，可以理解為根據(jù)本發(fā)明當(dāng)受光區(qū)構(gòu)成為具有大口徑時，優(yōu)選地是，通過增加環(huán)形電極，使得隨受光對準(zhǔn)的位置的變化，響應(yīng)速度的變化最小化。
比較實例3制造一光電二極管，其中受光區(qū)的直徑為150μm，InGaAs吸收層厚2.0μm，該光電二極管僅包括直接在InP襯底上形成的電極墊(參照圖1)。
比較實例4制造一光電二極管，其中受光區(qū)的直徑為150μm，InGaAs吸收層厚2.0μm，該光電二極管包括在SiO2膜上形成的環(huán)形電極和電極墊(參照圖2)。
作為比較實例3和4的光電二極管的頻率響應(yīng)速度的測量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)VR＝5.0V時，在比較實例3中，對應(yīng)于3dB帶寬的頻率為0.33GHz，而在比較實例4中，對應(yīng)于3dB帶寬的頻率為0.5GHz，分別如圖11和圖12所示。
根據(jù)上述測量結(jié)果，可以理解為，在受光區(qū)設(shè)置有具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的電極的光電二極管表現(xiàn)出提高的載流子輸運特性，從而能夠提高對應(yīng)于3dB帶寬的頻率響應(yīng)特性，勝過僅具有環(huán)形電極的傳統(tǒng)的光電二極管。
對于本發(fā)明已做出詳細(xì)說明。但是，應(yīng)當(dāng)理解的是，指出本發(fā)明優(yōu)選實施例的詳細(xì)說明和具體實例僅用于說明，因為根據(jù)這些詳細(xì)說明，在本發(fā)明精神和范圍內(nèi)的各種修改和改型對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說都是顯而易見的。
工業(yè)實用性根據(jù)本發(fā)明如上所構(gòu)成的光電二極管具有如下效果。
第一，由于在組裝OSA(光學(xué)次模塊)時提高了背向反射特性，因此可以減少用于光纖對準(zhǔn)的處理時間，由于大的受光區(qū)而在激光焊接過程中增加對準(zhǔn)精度的容許極限，并且使得能夠以按壓(pressuring)方式手動對準(zhǔn)。
第二，盡管電極金屬線的寬度變窄，但由于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的特性而使電極結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，因此可以提高反射特性，并減少載流子至外部電路的輸運時間。
第三，與僅使用環(huán)形電極的光電二極管相比，對于同樣直徑的受光區(qū)，可以提高頻率響應(yīng)特性。
第四，由于受光區(qū)構(gòu)成為具有大的口徑，例如100至300μm，因此本發(fā)明的光電二極管可用作用于監(jiān)視器以及用于接收155Mbps至2.5Gbps光信號的光申二極管。
權(quán)利要求
1.一種光電二極管，包括受光區(qū)，具有用于光電轉(zhuǎn)換的化合物半導(dǎo)體的結(jié)結(jié)構(gòu)；第一電極，具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，該網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與位于該受光區(qū)一側(cè)的光輸入?yún)^(qū)域歐姆接觸；以及第二電極，形成在該受光區(qū)的另一側(cè)，并與該第一電極相對應(yīng)。
2.如權(quán)利要求1所述的光電二極管，其中該第一電極的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有長度和寬度為30μm至50μm的方形圖案。
3.如權(quán)利要求1所述的光電二極管，其中該第一電極由寬度為1μm至4μm的金屬線構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項所述的光電二極管，還包括環(huán)形電極，其電連接至該第一電極，并且沿著該受光區(qū)的光輸入?yún)^(qū)域的邊緣歐姆接觸。
5.如權(quán)利要求1所述的光電二極管，其中該受光區(qū)包括N型InP襯底；形成在該襯底上的N型InP緩沖層；形成在該緩沖層上的InGaAs吸收層；以及形成在該吸收層上的InP層。
6.如權(quán)利要求5所述的光電二極管，還包括形成在該InP層上該光輸入?yún)^(qū)域周圍的二氧化硅絕緣膜；鈍化在該二氧化硅絕緣膜上的非反射膜；以及形成在該非反射膜上并連接至該第一電極的電極墊。
7.如權(quán)利要求5所述的光電二極管，其中該InGaAs吸收層的厚度為2.0μm至3.4μm。
全文摘要
公開一種光電二極管的結(jié)構(gòu)，其能夠使受光區(qū)具有大的口徑。該光電二極管包括受光區(qū)，具有用于光電轉(zhuǎn)換的化合物半導(dǎo)體的結(jié)結(jié)構(gòu)；第一電極，具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，該網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與位于該受光區(qū)一側(cè)的光輸入?yún)^(qū)域歐姆接觸；以及第二電極，形成在該受光區(qū)的另一側(cè)，并與該第一電極相對應(yīng)。
文檔編號H01L31/10GK1938868SQ200580010621
公開日2007年3月28日 申請日期2005年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月24日
發(fā)明者柳漢權(quán), 宋瑄鎬, 李在一, 具本朝 申請人:Ls電線有限公司