專利名稱：InGaAs/InP PIN光電探測器及其制造工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件，尤其是一種將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的InGaAs/InP PIN光電探測器及其制造工藝。
(2)
背景技術(shù)：
光電探測器是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的半導(dǎo)體器件，用于光纖通訊、計算機網(wǎng)絡(luò)、有線電視網(wǎng)絡(luò)和各種光電控制、光電探測的系統(tǒng)中。光電探測器主要有PIN和APD(雪崩二極管)兩種結(jié)構(gòu)。前者只探測不放大，通常在-5V反向偏壓下工作；后者探測并同時放大，必須在高向偏壓下工作。在1310～1550nm長波長下工作的光電探測器一般采用InGaAs/InP材料。PIN光電探測器在低壓下工作，響應(yīng)度高、信噪比好、使用方便，是國內(nèi)外光通訊中最常用的光電探測器。
已有的InGaAs/InP PIN光電探測器(參見圖1)是在N+-InP襯底1上用金屬有機化學(xué)氣相淀積(MOCVD)或液相外延(LPE)方法生長一層非摻雜的InP緩沖層2，再在緩沖層上生長一層與InP晶格相互匹配的非摻雜的i-In0.53Ga0.47As光敏層3，然后再生長一層非摻雜的i-InP頂層4，形成i-InP頂層/i-In0.53Ga0.47As光敏層/i-InP緩沖層/N+-InP襯底四層雙異質(zhì)結(jié)材料結(jié)構(gòu)。如果采用平面器件結(jié)構(gòu)，那么通常在清洗好的外延片上用低溫化學(xué)氣相淀積(CVD)或增強型等離子體化學(xué)氣相淀積(PECVD)方法依次生長一層SiO2膜和Si3N4膜，作為擴散掩膜5。然后，采用光刻技術(shù)在SiO2和Si3N4掩膜上選擇腐蝕一個窗口6，用閉管鋅擴散的方法，將Zn從窗口穿過i-InP頂層擴散到i-In0.53Ga0.47As光敏層的前端，構(gòu)成P+Zn擴散區(qū)7。從而形成P+-InP/P+-In0.53Ga0.47As/i-In0.53Ga0.47As/i-InP/N+-InP的PIN結(jié)構(gòu)，再采用真空蒸發(fā)或磁控濺射方法在擴散的表面鍍上Au-Zn/Au或Ti/Pt/Au P-型歐姆接觸電極材料8，采用光刻技術(shù)形成光敏面和所需的圖形。在光敏面上用真空蒸發(fā)或磁控濺射方法形成一定厚度的Si3N4作為抗反射膜9。背面減薄致250μm左右，再蒸發(fā)上AuGeNi/Au N-型歐姆接觸電極材料10。最后將片子放在保護氣體中于450℃下加熱10分鐘形成歐姆接觸。這種常規(guī)InGaAs/InP PIN光電探測器結(jié)構(gòu)和工藝見文獻([1]李保根、徐之韜、趙先明，“具有高量子效率、低按電流、高可靠性的平面InGaAs PIN光電二極管”，《光通信研究》，1994，1～2124～129。[2]PRODUCT CATALOG(產(chǎn)品目錄)，WUHAN TELECOMMUNICATION DEVICES Co.，P.35，P.36，P.40.請見Websitehttp//www.wtd.com.cn。[3]張燕斌、李世海、張勝瓊等，固體電子學(xué)研究與進展，1985，5，(3)189～198。[4]飛通2001/2002光纖通信用器件產(chǎn)品手冊，第四版，深圳飛通光電股份有限公司，第3頁。請見Websitehttp//www.photontec.com.cn)。
已有的閉管鋅擴散的工藝流程為吹制雙室單端開口石英管。將擴散源和片子分別放入石英管雙室內(nèi)，并抽真空將管密封，然后進行雙溫區(qū)擴散，擴散后敲破石英管取出片子。
綜上所述，已有的InGaAs/InP PIN光電探測器由于在結(jié)構(gòu)和制造工藝上的不足，造成存在暗電流較大、響應(yīng)度偏低、性能不夠穩(wěn)定和成本較高等問題。
(3)發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種暗電流明顯降低，信噪比明顯提高，容易制備、成本低廉、結(jié)構(gòu)改進的InGaAs/InP PIN光電探測器。
本發(fā)明的另一目的是提供成本低、材料損耗低，可在較低溫度下連續(xù)、簡便進行的開管鋅擴散新工藝，以及用直接蒸發(fā)的方法在InP材料上淀積高質(zhì)量的氧化鋁薄膜，此膜可用于InP材料飩化膜和鋅擴散的屏蔽掩膜，也可用于InP材料的抗反射膜，提高探測器的性能。
所說的InGaAs/InP PIN光電探測器為i-InP頂層/i-In0.53Ga0.47As光敏層/i-InP緩沖層/N+-InP襯底四層雙異質(zhì)結(jié)材料結(jié)構(gòu)，即設(shè)有N+-InP襯底，在N+-InP襯底上為一層非摻雜的InP緩沖層，在緩沖層上為與InP晶格相互匹配的非摻雜的i-In0.53Ga0.47As光敏層，頂層為非摻雜的i-InP層。在頂層中有P+鋅擴散層，P+鋅擴散層靠近i-In0.53Ga0.47As光敏層，但沒有到達光敏層。在頂層表面為鈍化膜，所說的鈍化膜為頂層表面生長的一層Al2O3膜。在擴散區(qū)和鈍化膜上制備P型歐姆接觸層膜。襯底的底層為N型歐姆接觸層。
所說的InGaAs/InP PIN光電探測器的制造工藝步驟為1、外延片清洗；2、在外延片上生長氧化鋁鈍化膜；3、將氧化鋁鈍化膜光刻腐蝕形成擴散窗口；4、以鋅作為擴散源進行開管鋅擴散；5、在擴散鋅后的流片上生成P+-型的歐姆接觸；6、將流片表面的金屬光刻一個光敏入射窗口；7、在流片表面蒸發(fā)氧化鋁膜；8、將金屬膜上的氧化鋁膜光刻腐蝕一個窗口，供焊接P-型電極之用；9、將流片的背面(襯底)減薄，便于劃片；
10、在流片的背面生成N-型的歐姆接觸；11、形成P-型和N-型歐姆接觸電極；12、上下電極合金后對流片進行測試、分類、劃片。
與已有的InGaAs/InP PIN光電探測器相比，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)與制造工藝有其明顯的進步。
1)利用雙異質(zhì)結(jié)新結(jié)構(gòu)的分離效應(yīng)，降低暗電流本設(shè)計方案是將鋅擴散到I-InP頂層中靠近i-In0.53Ga0.47As光敏層處，但是沒有到達光敏層。形成P+-InP(頂層)/i-InP/i-In0.53Ga0.47As(光敏層)/i-InP(光敏層)/N+-InP(襯底)的PIN雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。當(dāng)對PIN管施加-5V的反向工作偏壓時，使P+I結(jié)的耗盡層厚度增大并到達i-In0.53Ga0.47As光敏層內(nèi)。這樣可以利用異質(zhì)結(jié)的分離效應(yīng)，大大降低器件的暗電流。因為和常規(guī)結(jié)構(gòu)一樣，入射光仍然可以在i-In0.53Ga0.47As光敏層內(nèi)產(chǎn)生光生載流子，但它的暗電流卻大大降低了。
光電探測器的暗電流Jd主要由體內(nèi)暗電流Jv和表面暗電流Js兩部分組成。對于精心設(shè)計和理想清潔工藝制備的探測器說來，可以將表面復(fù)合暗電流降低到最小。體內(nèi)暗電流Jv是由產(chǎn)生—復(fù)合電流Jg-r、擴散電流Jdif和隧道電流Jtun等三部分組成的。從半導(dǎo)體器件理論中可以證明Jg-r、Jdif和Jtun這三部分暗電流都和材料的本征載流子濃度ni成正比，材料的ni是由其禁帶寬度Eg決定的，有ni=NCNVe-Eg/2KT]]>關(guān)系。所以，可以說光電探測器的暗電流是和材料的禁帶寬度有密切相關(guān)的，材料的禁帶寬度越大，器件的暗電流越小。計算表明在不考慮表面復(fù)合的影響下，禁帶寬度較大的InP(室溫下，Eg≈1.34ev)所產(chǎn)生的暗電流比禁帶寬度較小的In0.53Ga0.47As(室溫下，Eg≈0.75ev)低約3.85×104倍。所以，在同樣的工藝條件下，按本方案設(shè)計的暗電流將比按常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計制備的暗電流小得多。對于光敏直徑75微米的探測器，暗電流一般都比較容易達到0.1nA以下。
其原理如下要提高光電探測器的信噪比就必須盡可能降低器件的暗電流。一般說來，光電探測器的暗電流Jd由體內(nèi)暗電流Jv和表面暗電流Js兩部分組成。通過精心設(shè)計和表面清潔的制備工藝，如平面鈍化、保護環(huán)、超凈工藝等，可以將表面暗電流部分降低到最小。體內(nèi)暗電流Jv由產(chǎn)生—復(fù)合電流Jg-r、擴散電流Jdif和隧道電流Jtun組成。產(chǎn)生—復(fù)合電流Jg-r可表達為Jg-r＝(qniAW/τe)[1-exp(-qV/kT)] (1)其中，q為電子電荷，ni為材料的本征載流子濃度，A為受光面積，W為耗盡層寬度，τe為有效載流子壽命，V為偏壓，T為絕對溫度。擴散電流Jdif可表達為Jdif＝J′dif[1-exp(-qV/KT)] (2)其中，J′dif為P區(qū)或N區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的擴散電流，它們分別為對于P區(qū)有，J′dif，p＝qni2(Dp/τp)1/2(An/ND) (3)對于N區(qū)有，J′dif，n＝qni2(Dn/τn)1/2(Ap/Np)(4)其中，Dp’Dn、τp’τn、Ap’An和Np’Nn分別為空穴和電子的擴散系數(shù)、壽命、受光面積和濃度。
隧道電流Jtun在高電場和重摻雜情況下才顯得其重要性，對于PIN光電探測器暗電流的貢獻不如APD明顯。如上分析可知，PIN光電探測器暗電流中產(chǎn)生—復(fù)合電流Jg-r與材料的本征載流子濃度ni成正比，擴散電流Jdif與材料的本征載流子濃度ni的平方成正比。材料的本征載流子濃度ni由材料的禁帶寬度Eg和溫度決定的ni=NCNVe-Eg/2KT]]>，其中，NC和NV分別為材料的導(dǎo)帶底和價帶頂?shù)牡刃B(tài)密度。在室溫下InP的Eg為1.34ev，本征載流子濃度ni為1.4×107cm-3；在室溫下In0.53Ga0.47As的Eg為0.75ev，本征載流子濃度ni為5.4×1011cm-3。
顯然，對于已有的InGaAs/InP PIN探測器，因為將P+區(qū)制作在禁帶寬度Eg較小的In0.53Ga0.47As光敏層材料中，本征載流子濃度ni較大。而本發(fā)明的InGaAs/InP PIN探測器，因為將P+區(qū)制作在禁帶寬度Eg較大的InP頂層材料中，本征載流子濃度ni較小。在受光面積、各層材料摻雜濃度和厚度、材料溫度、工藝條件都相同的情況下，按上述的公式(1)和(2)計算本發(fā)明的InGaAs/InP PIN探測器暗電流密度將比已有的InGaAs/InP PIN探測器低得多(約3.85×104倍)。
2)鋅擴散工藝本發(fā)明采用開管鋅擴散工藝，而常規(guī)工藝采用閉管鋅擴散工藝。
本發(fā)明的開管鋅擴散采用高純鋅(Zn，99.999％)作為擴散源，其價格比閉管鋅擴散源ZnP2低得多，也容易買到。開管鋅擴散是在單溫區(qū)的擴散爐上采用半箱法進行的，擴散后的樣品表面光亮，可用電化學(xué)C-V測試儀，測量得到樣品的表面空穴濃度為7.5×1018cm-3，結(jié)線平整，結(jié)深為～0.5μm。如果大批量開管擴散鋅，則可將多個外延片豎直地插放在石英舟內(nèi)。顯然開管鋅擴散工藝可以在較低溫度下連續(xù)、簡便地進行，大大降低了工藝成本并節(jié)省工藝時間。
3)氧化鋁鈍化膜和抗反射膜已有的InGaAs/InP PIN光電探測器工藝是在材料表面生長一層SiO2薄膜或SiO2+Si3N4薄膜作為鈍化膜，一方面對芯片起鈍化保護作用，另一方面對P+-型雜質(zhì)鋅的選擇擴散起阻擋和掩蔽作用。
SiO2薄膜雖然具有較低的界面態(tài)密度和較為理想的電學(xué)參數(shù)，但是其結(jié)構(gòu)疏松，對雜質(zhì)Zn擴散的屏蔽作用不很理想，造成暗電流增大、反向擊穿電壓降低、性能不穩(wěn)定等問題，這就嚴重影響了器件的性能；Si3N4薄膜的界面態(tài)密度較SiO2薄膜稍高，其絕緣性能和屏蔽作用良好，不過其生產(chǎn)設(shè)備的投資較高，生產(chǎn)過程較復(fù)雜，不利于生產(chǎn)成本的降低；而在SiO2薄膜上再生長一層Si3N4薄膜，形成SiO2+Si3N4雙層薄膜作為鈍化膜，其效果比單層的SiO2薄膜和Si3N4薄膜都好，但是SiO2+Si3N4雙層薄膜增加了在鈍化膜生長和選擇腐蝕上的復(fù)雜性，生產(chǎn)成本增加。
本發(fā)明選擇Al2O3薄膜作為InP/InGaAs/InP PIN光電探測器的鈍化膜。它不但結(jié)構(gòu)致密，對鋅選擇擴散的阻擋和掩蔽效果良好，絕緣性能和抗潮氣能力均好，漏電流小，而且在芯片表面所形成Al2O3/InP界面的界面態(tài)密度很小(小于5×1011cm-2)，使表面復(fù)合減小，暗電流減小?？梢杂米詈唵蔚脑O(shè)備進行生產(chǎn)制備，即在真空度要求不高的情況下直接熱蒸發(fā)在基片上，因此能夠在很低成本的基礎(chǔ)上保證了器件的各種性能。
已有的InGaAs/InP PIN光電探測器，在芯片入射窗口上蒸發(fā)生長SiO2或SiO2+Si3N4薄膜作為抗反射膜，以減少入射光在芯片表面的反射，提高芯片對入射光的吸收。而本發(fā)明選擇用Al2O3薄膜作為芯片的抗反射膜，抗反射的效果比SiO2薄膜或Si3N4薄膜好。這是因為根據(jù)單層抗反射膜的原理，為了使反射損失達到最小，即希望r＝0，必須滿足，d＝λ/4na和na=nonInP]]>兩個條件，其中，d為反射膜的厚度，λ為入射光波長(即1310nm)，na、n0和nInP分別是抗反射膜、空氣和InP材料的折射率。已知n0≈1，對于1310-1550nm，nInP≈3.3。因此，最佳的介質(zhì)膜的折射率na應(yīng)為1.82。我們所生長的Al2O3介質(zhì)膜的折射率剛好在1.7-1.8之間，符合最佳的抗反射設(shè)計要求。而無定型的SiO2和Si3N4的折射率，分別為1.46和2.05，不符合最佳的抗反射設(shè)計要求，需要采用多層設(shè)計，這顯然增加了芯片成本。
通常Al2O3薄膜生長的方法有溶膠—凝膠法、MOCVD法、AlCl3水解法、反應(yīng)濺射、陽極氧化等，這些方法存在著或設(shè)備昂貴或不易掌握的問題。本發(fā)明提出采用一般的真空鍍膜機將高純Al2O3粉末直接蒸發(fā)到樣品上的方法。試驗表明，本發(fā)明的設(shè)備簡單，Al2O3膜的質(zhì)量良好，符合InGaAs/InP PIN光電探測器的鈍化掩膜和抗反射膜的要求。
由于氧化物在蒸發(fā)時一般會產(chǎn)生分解或者與加熱器具發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以通常很少用直接蒸發(fā)的方法制備氧化物薄膜。我們考慮到雖然Al2O3需要在2000℃左右高溫下蒸發(fā)，它在高溫下幾乎不發(fā)生分解(在1781℃時Al2O3的分解壓僅有1.5×10-8乇)。但是在2000℃以上Al2O3會被常用的鎢材料所還原。由于金屬鉬的熔點為2610℃，在2000℃左右高溫下不和Al2O3發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。我們選用鉬片制作舟狀容器，將高純Al2O3粉末裝入鉬舟內(nèi)。當(dāng)鉬舟上通大電流時不會使Al2O3粉末受污染。在10-5乇的真空室中，如果我們在裝有采用高純Al2O3粉末的鉬舟上通過大電流進行快速加熱時，Al2O3粉末將被蒸發(fā)到真空室上方的基片架上。在真空的環(huán)境中，Al2O3薄膜的生產(chǎn)過程受外界環(huán)境的影響不大，能夠得到穩(wěn)定的生長條件，易于控制，能夠大批量、大面積地蒸發(fā)而重復(fù)性、均勻性均很好。
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圖1為已有的InGaAs/InP PIN光電探測器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明的InGaAs/InP PIN光電探測器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明的開管鋅擴散示意圖。
圖4為本發(fā)明的多片開管鋅擴散舟示意圖。
圖5為真空鍍膜機蒸發(fā)系統(tǒng)示意圖。
圖6為鉬舟結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7為Al2O3/InP的介面掃描圖。
圖8為Al2O3薄膜的表面掃描圖。
(5)具體實施方式
如圖2所示，本發(fā)明所采用的InGaAs/InP PIN光電探測器新結(jié)構(gòu)為i-InP頂層14/i-In0.53Ga0.47As光敏層13/i-InP緩沖層12/N+-InP襯底11四層雙異質(zhì)結(jié)材料結(jié)構(gòu)。在i-InP頂層14上直接蒸發(fā)Al2O3鈍化膜薄膜19，并光刻一個擴散窗口16，用開管擴散方法向窗口中的i-InP頂層作P+鋅擴，使擴散區(qū)17接近i-In0.53Ga0.47As光敏層13，在擴散窗口和Al2O3鈍化膜上蒸發(fā)Au/Zn和Ti/Al并光刻出入射光窗口和P-型歐姆接觸電極18。底層為N-型歐姆接觸層20，采用AuGeNi合金層。
InP/InGaAs/InP PIN光電探測器的制備工藝流程說明如下。
按設(shè)計要求準(zhǔn)備好用LP-MOCVD生長的外延片。外延片依次經(jīng)甲苯→丙酮→乙醇→去離子水擦洗后，用去離子水反復(fù)沖洗后，用無水乙醇脫水，氮氣吹干備用。(注如果外延生長的片子，經(jīng)過密封處理可以不必清洗，直接備用)。
在外延片的光亮的外延面上生長一層厚度為2000左右、顯深天藍色的氧化鋁飩化膜。用第一塊光刻版和負性膠，用常規(guī)的光刻工藝，將氧化鋁鈍化膜光刻腐蝕一個窗口，供鋅擴散之用。氧化鋁的腐蝕液，用80％的熱磷酸，在80℃水浴下腐蝕30-60s。腐蝕速率約為1500～2000/min。應(yīng)注意必須將氧化鋁鈍化掩膜完全腐蝕干凈。這可以由窗口的顏色來判斷，窗口應(yīng)顯示外延片的深灰色，而不能顯示氧化鋁薄膜的天藍色。也可用萬用表測量窗口的電阻，如果電阻很大，表明氧化鋁膜沒有腐蝕干凈。
應(yīng)對擴散后陪片的載流子分布進行測量，檢驗陪片的空穴濃度和結(jié)深是否滿足設(shè)計的要求?？捎妹绹畼饭旧a(chǎn)的PN4300型電化學(xué)C-V載流子濃度分布儀測量空穴縱向分布。也可用鐵氰化鉀的氫氧化鉀溶液染色，用測量顯微鏡測量結(jié)深。用四探針測量方塊電阻。
用真空蒸發(fā)鍍膜或磁控濺射的方法，在擴散鋅后的流片上先后覆蓋上Au/Zn合金和Ti/Al雙層金屬，用于形成P+-型的歐姆接觸最好采用電子束蒸發(fā)，真空度應(yīng)高于10-5乇，盡量減少，油的污染，防止金屬膜的脫落。用磁控濺射時，可分別采用高低兩種頻率，使金屬和氧化鋁膜上的失配應(yīng)力得以釋放。采用第二塊光刻版，用負性膠和常規(guī)的光刻工藝，將流片表面的金屬光刻一個光敏窗口。金屬刻蝕，可選擇等離子干法或化學(xué)濕法?；瘜W(xué)腐蝕液，可采用KI的碘溶液，在室溫下進行，用顯微鏡下觀測窗口上的金屬是否腐蝕干凈。
在流片的表面蒸發(fā)上英寸氧化鋁抗反射膜，可采用直接蒸發(fā)方法，用橢圓偏振儀測量氧化鋁薄膜的厚度和折射率。
用第三塊光刻版和負性膠，將金屬膜上的氧化鋁抗反射膜光刻腐蝕一個窗口，供焊接P-型電極之用。氧化鋁的腐蝕液，用80％的熱磷酸，在80℃水浴下腐蝕30-60s。腐蝕速率約為1500～2000/min。應(yīng)注意必須將氧化鋁掩膜完全腐蝕干凈。這可以由窗口的顏色來判斷，窗口應(yīng)顯外延片的深灰色，而不能顯氧化鋁薄膜的天藍色。也可用萬用表測量窗口的電阻，如果電阻很大，表明氧化鋁膜沒有腐蝕干凈。將流片的背面(襯底)，用機械研磨以便減少串連電阻，便于劃片。研磨后的流片依次經(jīng)甲苯→丙酮→乙醇→去離子水擦洗后，用去離子水反復(fù)沖洗后，用無水乙醇脫水，氮氣吹干備用。減薄后的流片背面用真空蒸發(fā)或磁控濺射的方法，淀積一層Au-Ge-Ni(或Au-Ge)合金薄膜。其中，Au 83％，Ge 12％，Ni 5％(或Au占88％，Ge占12％)。最好采用電子束蒸發(fā)，真空度應(yīng)高于10-5乇，盡量減少，油的污染，防止金屬膜的脫落。在氮氣和氫氣的保護氣氛中，將流片在400-450℃下，加熱約10min，形成P-型和N-型歐姆接觸電極。操作時應(yīng)先通N2氣后通H2氣，合金后應(yīng)先關(guān)H2后關(guān)N2氣。
合金后的流片可以進行測試、分類、劃片等工序，完成整個芯片制作過程。
參見圖3，開管鋅擴散是在單溫區(qū)的擴散爐21上采用半箱法進行的，晶片22和金屬鋅23放在含有蓋子的石英舟24內(nèi)，再將石英舟放在兩端開口的石英管25內(nèi)并開啟氮氣(N2，露點為-56℃)和氫氣(H2，露點為-60℃)作為保護氣氛。擴散的溫度為460-480℃，擴散的時間為30分左右，N2和H2的流量分別為10-12ml/min和3-5ml/min。擴散時間到達后，將石英舟推到石英管出口處并停留5min再取出。擴散后的樣品表面光亮，可用電化學(xué)C-V測試儀，測量得到樣品的表面空穴濃度為7.5×1018cm-3，結(jié)線平整，結(jié)深為～0.5μm。如果大批量開管擴散鋅，則可將多個外延片22豎直地插放在石英舟24內(nèi)(參見圖4)，高純鋅粒23則放在舟中擴散源的槽內(nèi)，一次可放1克左右。放好外延片和鋅粒后，用兩個一端密封鉬制的套管26將石英舟套好并放入石英管內(nèi)，通N2和H2保護氣氛后再加熱擴散。顯然開管鋅擴散工藝可以在較低溫度下連續(xù)、簡便地進行，大大降低了工藝成本并節(jié)省了工藝時間。
本發(fā)明所采用的直接蒸發(fā)法生長Al2O3薄膜的裝置如圖5所示。
真空鍍膜機蒸發(fā)系統(tǒng)可采用真空鍍膜機，其主要部分有1)帶窗口的金屬真空罩27；2)蒸發(fā)源28為高純的Al2O3(99.99％)粉末，放在鉬舟29內(nèi)，鉬舟兩端為電極30；3)玻璃或金屬基片架31，樣品襯底用銦沾在基片架上，蒸發(fā)面朝下；4)抽真空系統(tǒng)，由機械泵和擴散泵組成，真空度為10-5乇。
真空蒸發(fā)氧化鋁的詳細工藝流程1)清理設(shè)備在蒸發(fā)前需要對等設(shè)備進行清理，以減少雜質(zhì)對鍍膜的污染。首先要用粗紗紙磨掉真空罩內(nèi)的雜質(zhì)，用細砂紙再細磨一遍；然后利用丙酮和無水乙醇清洗數(shù)遍直至真空罩內(nèi)壁、基片架、電極、擋板等上的雜質(zhì)均清除干凈并烘干。
2)放蒸發(fā)源所制備的鉬舟形狀如圖6所示。分別用丙酮和無水乙醇清潔處理所需的鉬舟29和鉬絲32后，把鉬舟放置在電極上，放入高純的氧化鋁粉末33后，用鉬絲纏繞在鉬舟上，鉬舟的兩極夾在兩個電極上。
3)放樣品樣品先后用甲苯→丙酮→無水乙醇→去離子水清洗干凈并吹干。加熱銦球并使其熔化，在樣品的背面用熔化的銦把樣品粘在玻璃的樣品架上，再將樣品架裝在鉬舟的上方，安置好擋板。
4)蒸發(fā)放下真空罩，打開機械泵對真空室抽真空，當(dāng)真空度達到5×10-2mmHg時，把擴散泵打開。經(jīng)過30min左右，真空度達到10-5mmHg時，開始加電流加熱，緩慢加大加熱電流，防止加熱過快、受熱不均從而使Al2O3粉末噴射出來。當(dāng)電流加到250A時，Al2O3粉末蒸發(fā)很明顯，這時真空測量儀所測得的真空度明顯下降，移開擋板后蒸發(fā)持續(xù)時間為10min。這時用熱電偶測得樣品架的背面溫度為100℃左右。關(guān)斷電極加熱電流、關(guān)斷擴散泵和機械泵。樣品在真空的環(huán)境下自然冷卻1s后打開真空罩，取出樣品架。用熱電風(fēng)吹加熱樣品架使樣品背面的銦熔化，然后取出樣品。
5)測量①Al2O3薄膜厚度和折射率的測量利用橢圓偏振儀對所生長的Al2O3薄膜的厚度進行測量，測得的厚度均在1000-2000nm左右，折射率為1.7-1.9的范圍。利用分辨率為50的HITACHI S-520掃描電子顯微鏡測量薄膜的厚度，在15000倍的放大倍率下，所蒸發(fā)的Al2O3薄膜厚度大約為1500nm，在1000-2500nm的范圍內(nèi)。
②、Al2O3薄膜的結(jié)構(gòu)在15000倍的高倍率掃描電子顯微鏡下的Al2O3薄膜的表面結(jié)構(gòu)圖如圖7、8所示?？梢詮恼掌杏^察到，此表面非常的致密，沒有其它雜質(zhì)結(jié)構(gòu)顯示。
本發(fā)明的器件性能和國內(nèi)外同類產(chǎn)品的比較見下表。
InGaAs/InP PIN光電探測器(以光敏面直徑Φ70微米為例)
權(quán)利要求
1.nGaAs/InP PIN光電探測器，其特征在于為i-InP頂層/i-In0.53Ga0.47As光敏層/i-InP緩沖層/N+-InP襯底四層雙異質(zhì)結(jié)材料結(jié)構(gòu)，即設(shè)有N+-InP襯底，在N+-InP襯底上為一層非摻雜的InP緩沖層，在緩沖層上為與InP晶格相互匹配的非摻雜的i-In0.53Ga0.47As光敏層，頂層為非摻雜的i-InP層；在頂層中有P+鋅擴散層，P+鋅擴散層靠近i-In0.53Ga0.47As光敏層，但沒有到達光敏層；在頂層表面為鈍化膜，所說的鈍化膜為頂層表面生長的一層Al2O3膜；在擴散區(qū)和鈍化膜上制備P型歐姆接觸層膜；襯底的底層為N型歐姆接觸層。
2.如權(quán)利要求1所述的nGaAs/InP PIN光電探測器的制造工藝，其特征在于其步驟為1)、外延片清洗；2)、在外延片上生長氧化鋁鈍化膜；3)、將氧化鋁鈍化膜光刻腐蝕形成擴散窗口；4)、以鋅作為擴散源進行開管鋅擴散；5)、在擴散鋅后的流片上生成P+-型的歐姆接觸；6)、將流片表面的金屬光刻一個光敏入射窗口；7)、在流片表面蒸發(fā)氧化鋁膜；8)、將金屬膜上的氧化鋁膜光刻腐蝕一個窗口，供焊接P-型電極之用；9)、將流片的背面(襯底)減薄，便于劃片；10)、在流片的背面生成N-型的歐姆接觸；11)、形成P-型和N-型歐姆接觸電極；12)、上下電極合金后對流片進行測試、分類、劃片。
3.如權(quán)利要求2所述的nGaAs/InP PIN光電探測器的制造工藝，其特征在于鋅擴散工藝采用開管鋅擴散工藝，采用高純鋅作為擴散源。
4.如權(quán)利要求3所述的nGaAs/InP PIN光電探測器的制造工藝，其特征在于所說的開管鋅擴散是在單溫區(qū)的擴散爐上采用半箱法進行。
5.如權(quán)利要求3所述的nGaAs/InP PIN光電探測器的制造工藝，其特征在于所說的開管擴散鋅，可將多個外延片豎直地插放在石英舟內(nèi)。
6.如權(quán)利要求3所述的nGaAs/InP PIN光電探測器的制造工藝，其特征在于開管鋅擴散是在單溫區(qū)的擴散爐21上采用半箱法進行的，晶片22和金屬鋅23放在含有蓋子的石英舟24內(nèi)，再將石英舟放在兩端開口的石英管25內(nèi)并開啟氮氣和氫氣作為保護氣氛；擴散的溫度為460-480℃，N2和H2的流量分別為10-12ml/min和3-5ml/min；擴散時間到達后，將石英舟推到石英管出口處并停留5min再取出。
7.如權(quán)利要求2所述的nGaAs/InP PIN光電探測器的制造工藝，其特征在于選擇Al2O3薄膜作為InP/InGaAs/InP PIN光電探測器的鈍化膜。
8.如權(quán)利要求2所述的nGaAs/InP PIN光電探測器的制造工藝，其特征在于選用Al2O3薄膜作為芯片的抗反射膜。
9.如權(quán)利要求2所述的nGaAs/InP PIN光電探測器的制造工藝，其特征在于采用真空鍍膜機將高純Al2O3粉末直接蒸發(fā)到樣品上。
10.如權(quán)利要求2所述的nGaAs/InP PIN光電探測器的制造工藝，其特征在于選用鉬片制作舟狀容器，將高純Al2O3粉末裝入鉬舟內(nèi)。
全文摘要
涉及一種半導(dǎo)體器件，尤其是一種將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的InGaAs/InP PIN光電探測器及其制造工藝。為i－InP頂層/i－In
文檔編號H01L31/105GK1414642SQ0215460
公開日2003年4月30日 申請日期2002年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月25日
發(fā)明者陳朝, 劉寶林 申請人:廈門大學(xué)