一種具有不等光電口徑的垂直進(jìn)光雪崩光電二極管的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光電子器件領(lǐng)域，具體涉及一種具有不等光電口徑的垂直進(jìn)光雪崩光電二極管。
【背景技術(shù)】
[0002]雪崩光電二極管(Avalanche Photo D1de，簡稱APD)利用載流子的雪崩倍增效應(yīng)來放大光電信號，提高了檢測的靈敏度。其靈敏度高于其它無內(nèi)部增益的半導(dǎo)體光電二極管，相當(dāng)于內(nèi)置了信號放大器，降低了 APD的前置放大電路的設(shè)計(jì)要求。
[0003]經(jīng)過多年的發(fā)展，APD已經(jīng)在激光探測、光纖通信、量子信息、生物分子探測、激光雷達(dá)成像、天文探測等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。作為光纖通信系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，APD需要在具有更高的靈敏度的同時(shí)具有更寬的帶寬，才能夠滿足高速光通信系統(tǒng)的發(fā)展需求；量子保密通信、激光雷達(dá)等應(yīng)用的迅猛發(fā)展也對能夠探測單光子量級的光的單光子雪崩光電二極管(SPAD)產(chǎn)生了迫切需求。
[0004]對于垂直進(jìn)光的APD來說，光入射后可以有效轉(zhuǎn)化成光電流的區(qū)域?yàn)锳PD的有效光敏區(qū)，其尺寸稱為APD的光學(xué)口徑；而載流子在有源區(qū)內(nèi)發(fā)生雪崩倍增，有源區(qū)的尺寸對應(yīng)為APD的電學(xué)口徑。一般來說，APD的光學(xué)口徑和電學(xué)口徑相同。
[0005]APD的電學(xué)口徑?jīng)Q定了 APD的暗電流、結(jié)電容等關(guān)鍵性能參數(shù)。本發(fā)明的發(fā)明人研宄發(fā)現(xiàn)，電學(xué)口徑越小，器件暗電流越小，器件的噪聲特性更佳；更小的電學(xué)口徑也減小了Aro的結(jié)電容，從而提高了 Aro的帶寬；然而，在光纖通信應(yīng)用中，受制于現(xiàn)階段光纖芯徑尺寸和光纖耦合封裝工藝精度的影響，APD需要足夠大的光學(xué)口徑來保證其進(jìn)光效率；對于空間光探測來說，大的光學(xué)口徑也可提高APD的光收集效率，提高其靈敏度。因此，傳統(tǒng)APD存在既要保證入光效率和又要提高其性能的矛盾。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)中傳統(tǒng)Aro光學(xué)口徑與電學(xué)口徑相同，存在既要保證入光效率和又要提高其性能相互矛盾的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種具有不等光電口徑的垂直進(jìn)光雪崩光電二極管，其光學(xué)口徑大于電學(xué)口徑，在能夠保證入光效率的同時(shí)又能夠減小有源區(qū)的尺寸，提尚了 APD的性能。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0008]一種具有不等光電口徑的垂直進(jìn)光雪崩光電二極管，包括襯底，順序?qū)盈B于所述襯底上的吸收層、場控制層、本征層和介質(zhì)鈍化層，以及層疊于所述襯底下的N電極，部分所述本征層上設(shè)有具有邊緣擊穿抑制效果的P型重?fù)絽^(qū)，所述P型重?fù)絽^(qū)中心制作有中心突變結(jié)，所述介質(zhì)鈍化層上形成有光入射窗口，所述光入射窗口內(nèi)設(shè)有增透膜，所述光入射窗口的周圍環(huán)繞有P電極，所述中心突變結(jié)和光入射窗口同心且中心突變結(jié)的半徑遠(yuǎn)小于光入射窗口的半徑。
[0009]若光從雪崩光電二極管芯片的背面入射，此時(shí)需要在芯片背面開設(shè)光入射窗口，為了實(shí)現(xiàn)所述目的，本發(fā)明還提供一種具有不等光電口徑的垂直進(jìn)光雪崩光電二極管結(jié)構(gòu)，具體采用如下技術(shù)方案:
[0010]一種具有不等光電口徑的垂直進(jìn)光雪崩光電二極管，包括襯底，順序?qū)盈B于所述襯底上的吸收層、場控制層、本征層和介質(zhì)鈍化層，以及層疊于所述襯底下的N電極，部分所述本征層上設(shè)有具有邊緣擊穿抑制效果的P型重?fù)絽^(qū)，所述P型重?fù)絽^(qū)中心制作有中心突變結(jié)，所述介質(zhì)鈍化層上形成有窗口，所述窗口內(nèi)覆蓋有P電極，所述N電極上形成有光入射窗口，所述中心突變結(jié)和光入射窗口同心且中心突變結(jié)的半徑遠(yuǎn)小于光入射窗口的半徑。
[0011]本發(fā)明提供的兩種具有不等光電口徑的垂直進(jìn)光雪崩光電二極管結(jié)構(gòu)中，在已經(jīng)有效抑制了邊緣擊穿的平面APD結(jié)區(qū)即P型重?fù)絽^(qū)中心制作有中心突變結(jié)，在所述介質(zhì)鈍化層上或N電極上形成有光入射窗口，所述中心突變結(jié)和光入射窗口同心且中心突變結(jié)的半徑遠(yuǎn)小于光入射窗口的半徑，即所述中心突變結(jié)的面積遠(yuǎn)小于光入射窗口所在的原結(jié)區(qū)的面積，因而已經(jīng)形成的邊緣擊穿抑制效果不會(huì)受到破壞；同時(shí)，由于所述中心突變結(jié)的面積遠(yuǎn)小于入射窗口所在的原結(jié)區(qū)的面積，因此所述中心突變結(jié)對應(yīng)的電學(xué)口徑遠(yuǎn)小于入射窗口范圍對應(yīng)的光學(xué)口徑，可在保證光收集效率的前提下獲得比同樣光學(xué)口徑的傳統(tǒng)APD更高的靈敏度和帶寬，即在能夠保證入光效率的同時(shí)又能夠減小有源區(qū)的尺寸，提高了 APD的性能。
[0012]進(jìn)一步，所述襯底的材料為InP，所述吸收層的材料為Ina47Gaa53As,所述場控制層、本征層和P型重?fù)絽^(qū)的材料均為InP。
[0013]進(jìn)一步，所述具有邊緣擊穿抑制效果的P型重?fù)絽^(qū)采用階梯結(jié)加浮置環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)邊緣擊穿抑制。
[0014]進(jìn)一步，所述中心突變結(jié)的半徑比光入射窗口的半徑小20?30Rdt ;其中，所述Rdt為中心突變結(jié)與已具有邊緣擊穿抑制效果的階梯結(jié)的結(jié)差。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明提供的第一種具有不等光電口徑的垂直進(jìn)光雪崩光電二極管芯片結(jié)構(gòu)及光電口徑示意圖。
[0016]圖2是本發(fā)明提供的中心突變結(jié)實(shí)施例剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖3是本發(fā)明提供的中心突變結(jié)區(qū)的等勢線分布及載流子輸運(yùn)示意圖。
[0018]圖4是本發(fā)明提供的第二種具有不等光電口徑的垂直進(jìn)光雪崩光電二極管芯片結(jié)構(gòu)及光電口徑示意圖。
[0019]圖中，1、襯底；2、吸收層；3、N電極；4、場控制層；5、本征層；51、P型重?fù)絽^(qū)；511、階梯結(jié)；512、浮置環(huán)；52、中心突變結(jié)；6、介質(zhì)鈍化層；61、光入射窗口 ；7、增透膜；8、P電極；1_1、光學(xué)口徑；1_2、電學(xué)口徑；2-1、中心突變結(jié)窗口 ；2-2、具有邊緣擊穿抑制效果的PN結(jié)結(jié)區(qū)窗口 ；31、中心區(qū)域；32、結(jié)邊緣位置。
【具體實(shí)施方式】
[0020]為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體圖示，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
[0021]在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“寬度”、“深度”、“上”、“下”、“左”、“右”、“正面”、“背面”、“垂直”、“水平”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0022]請參考圖1所示，本發(fā)明提供一種具有不等光電口徑的垂直進(jìn)光雪崩光電二極管，包括襯底1，順序?qū)盈B于所述襯底I上的吸收層2、場控制層4、本征層5和介質(zhì)鈍化層6，以及層疊于所述襯底I下的N電極3，部分所述本征層5上設(shè)有具有邊緣擊穿抑制效果的P型重?fù)絽^(qū)51，所述P型重?fù)絽^(qū)51中心制作有中心突變結(jié)52，所述介質(zhì)鈍化層6上形成有光入射窗口 61，所述光入射窗口 61內(nèi)設(shè)有增透膜7，所述光入射窗口 61的周圍環(huán)繞有P電極8，所述中心突變結(jié)52和光入射窗口 61同心且中心突變結(jié)52的半徑遠(yuǎn)小于光入射窗口61的半徑。
[0023]本發(fā)明提供的具有不等光電口徑的垂直進(jìn)光雪崩光電二極管，在已經(jīng)有效抑制了邊緣擊穿的平面Aro結(jié)區(qū)即P型重?fù)絽^(qū)中心制作有中心突變結(jié)，在所述介質(zhì)鈍化層上形成有光入射窗口，所述中心突變結(jié)和光入射窗口同心且中心突變結(jié)的半徑遠(yuǎn)小于光入射窗口的半徑，即所述中心突變結(jié)的面積遠(yuǎn)小于光入射窗口所在的原結(jié)區(qū)的面積，因而已經(jīng)形成的邊緣擊穿抑制效果不會(huì)受到破壞；同時(shí)，由于所述中心突變結(jié)的面積遠(yuǎn)小于入射窗口所在的原結(jié)區(qū)的面積