一種帶有深n阱的np型cmos雪崩光電二極管的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種帶有深N阱的NP型CMOS雪崩光電二極管，包括P型襯底、設(shè)置于P型襯底上的N阱層及雪崩區(qū)，所述雪崩區(qū)設(shè)置于所述P型襯底和N阱之間構(gòu)成PN結(jié)，在P型襯底和雪崩區(qū)之間還設(shè)置有光吸收層，所述光吸收層為設(shè)置于P型襯底層上的深N阱，所述深N阱的摻雜濃度大于P型襯底層的摻雜濃度；本發(fā)明提高了雪崩光電二極管器件的速率、頻率響應(yīng)和帶寬。
【專利說明】—種帶有深N阱的NP型CMOS雪崩光電二極管
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光電探測【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及到光電器件的結(jié)構(gòu)，尤其涉及到一種深N阱的NP型CMOS雪崩光電二極管。
【背景技術(shù)】
[0002]雪崩光電二極管又稱APD (avalanche photodiode),它的工作原理是通過光電效應(yīng)產(chǎn)生的光生載流子(空穴電子對)，在高電場區(qū)(PN結(jié)上的反向電壓)運(yùn)動時被迅速加速，運(yùn)動過程中可能發(fā)生一次或多次碰撞，通過碰撞電離效應(yīng)產(chǎn)生二次、三次新的空穴電子對，產(chǎn)生雪崩倍增效應(yīng)，使載流子數(shù)量迅速增加，從而形成比較大的光信號電流。在低光強(qiáng)高靈敏和高速度的應(yīng)用方面，APD器件是非常具有吸引力的，例如長距離光通信和光學(xué)測距都會應(yīng)用到Aro。
[0003]制作APD主要有兩種工藝，一是傳統(tǒng)的制造工藝，二是CMOS兼容工藝。對于傳統(tǒng)的分立型APD器件，它的尺寸比較大，工藝不通用，集成性不高，器件的一致性不好，應(yīng)用的時候需要相應(yīng)的外圍電路，這些因素都限制了分立型Aro器件的發(fā)展。由于CMOS工藝具有低成本、低能耗、低噪聲、高帶寬、可再生以及高的集成性等特點，所以現(xiàn)在APD的主要制造工藝采用CMOS工藝。它可以提供性價比高、大容量而且可集成到單芯片上的光探測器和電子電路，這些都十分有利于實現(xiàn)高性能、低價的光學(xué)連接器產(chǎn)品。然而CMOS工藝也有其固有的缺陷。在標(biāo)準(zhǔn)硅CMOS工藝中，光探測器的性能主要由被加上反偏的電壓的PN結(jié)來決定。加上反偏電壓的PN結(jié)會形成耗盡區(qū)，但是在CMOS工藝下的耗盡區(qū)很窄，這會導(dǎo)致光探測器的性能下降。具體來說，在耗盡區(qū)光生空穴電子對被電場分開，這是漂移電流產(chǎn)生的原因，但是在襯底上產(chǎn)生的載流子擴(kuò)散速度很慢，這會嚴(yán)重影響器件的響應(yīng)速度。如果耗盡區(qū)足夠?qū)?，那么襯底上產(chǎn)生的載流子的運(yùn)動速度將會加快從而提高器件的響應(yīng)速度。為了解決該問題，人們做了各種改進(jìn)措施，例如增加一層低摻雜層，但是這些方法的效果都不明顯，且器件的工藝都會變得復(fù)雜。
[0004]對于CMOS APD器件來說，它主要有兩種結(jié)構(gòu):一種是PN型，另一種是NP型。PN型APD是在P型襯底上制作N阱，然后在N阱里制作P型重?fù)诫s區(qū)，由N阱和P+構(gòu)成PN結(jié)，形成雪崩區(qū)。NP型的APD是在P型襯底上注入N阱，由P型襯底和N阱構(gòu)成PN結(jié)，形成雪崩區(qū)。對于PN型的APD，它的頻率響應(yīng)和帶寬都比較好，但是由于其耗盡寬度窄，使得它在低電場時響應(yīng)率很低。對于NP型APD，它的PN結(jié)由N阱和P襯底構(gòu)成，入射光在襯底上被吸收，由于襯底上的電壓一般很低甚至為零，所以光生載流子主要是通過擴(kuò)散運(yùn)動移動到雪崩區(qū)參與倍增。但是由于擴(kuò)散運(yùn)動速度很慢，導(dǎo)致NP型APD器件的速率、響應(yīng)頻率以及帶寬都很低?？傮w來說，盡管NP型APD的帶寬很窄，它還是被應(yīng)用于高敏的探測器上，這主要是因為它的耗盡區(qū)寬度相比其他類型的APD要寬，這使得它在低電場強(qiáng)度時有固有的響應(yīng)率。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]針對以上現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種提高了器件的速率、響應(yīng)頻率和帶寬的帶有深N阱的NP型CMOS雪崩光電二極管，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種帶有深N阱的NP型CMOS雪崩光電二極管，包括P型襯底、設(shè)置于P型襯底上的N阱層及雪崩區(qū)，所述雪崩區(qū)設(shè)置于所述P型襯底和N阱層之間構(gòu)成PN結(jié)，在P型襯底和雪崩區(qū)之間還設(shè)置有光吸收層，所述光吸收層為設(shè)置于P型襯底層上的深N阱，所述深N阱的摻雜濃度大于P型襯底的摻雜濃度；
[0006]所述P型襯底上還設(shè)置有電極VK、Vdnw和P襯底電極，其中電極VR與所述雪崩區(qū)的PN結(jié)相連接并提供反向雪崩擊穿電壓，所述Vdnw偏置電極與光吸收層的深N阱相連接并提供偏置電壓，其中在P襯底電極上還設(shè)置有P+接觸面和N+接觸面。
[0007]進(jìn)一步的,所述P+接觸面和N+接觸面之間還設(shè)置有淺槽隔尚STI。
[0008]進(jìn)一步的，所述光吸收層的深N阱由磷摻雜的Si材料構(gòu)成，所述雪崩區(qū)由PN結(jié)構(gòu)成，P型半導(dǎo)體由Si材料構(gòu)成，N型半導(dǎo)體由磷摻雜的Si材料構(gòu)成；所述P+接觸面由重P摻雜的Si材料構(gòu)成，和N+接觸面由重N摻雜的Si材料構(gòu)成，所述淺槽隔離STI由S102材料構(gòu)成、所述P襯底電極由Al材料構(gòu)成。
[0009]本發(fā)明的優(yōu)點及有益效果如下:
[0010]本新型NP型CMOS Aro光電器件在襯底上加上深N講，并給深阱單獨偏壓。由于N阱摻雜濃度比襯底大，從而能夠提供更多載流子，提高擴(kuò)散速度；N阱的偏壓能夠驅(qū)動載流子移動，使其運(yùn)動速度加快。達(dá)到提高器件速率、頻率響應(yīng)和帶寬的目的。
[0011]2.在襯底上加上深N阱后，由于N阱摻雜濃度比襯底大，當(dāng)入射光進(jìn)入器件在吸收區(qū)被吸收時，能產(chǎn)生更多空穴電子對，這使得載流子的濃度差增大，從而使載流子的擴(kuò)散速度更快，提高了器件的速率。由于N阱摻雜濃度高，也使得器件的響應(yīng)速度提高。
[0012]3.NP型APD中PN結(jié)反偏，所以是電子參與倍增，給N阱加上獨立偏壓以后，該偏壓能起到分離光生載流子的作用:驅(qū)動電子進(jìn)入雪崩區(qū)，并且隔離空穴。從而大大提高了器件的速率、響應(yīng)頻率和帶寬。
[0013]4.N阱的厚度、深度和濃度是可調(diào)的。可以通過工藝調(diào)整N阱的厚度、深度和濃度，從而得到不同器件速率、頻率響應(yīng)和帶寬。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是常規(guī)NP型CMOS APD結(jié)構(gòu)圖；
[0015]圖2常規(guī)NP型CMOS APD的濃度分布圖和電場分布圖；
[0016]圖3新型NP型CMOS APD結(jié)構(gòu)圖；
[0017]圖4常規(guī)NP型CMOS APD頻率響應(yīng)圖；
[0018]圖5新型NP型CMOS APD頻率響應(yīng)圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖給出一個非限定性的實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的闡述。
[0020]需要注意的是，圖一和圖三僅僅表示CMOS APD的示意性簡化圖，因此這兩圖并不是按比例繪制的。
[0021 ] 如圖一所示為常規(guī)NP型CMOS APD光電器件的結(jié)構(gòu)圖。常規(guī)的NP型CMOS APD包括襯底11 (典型地，由Si材料制成)、雪崩區(qū)12 (典型地，由PN結(jié)構(gòu)成，P型半導(dǎo)體由硼摻雜的Si材料構(gòu)成，N型半導(dǎo)體由磷摻雜的Si材料構(gòu)成)、P型接觸13 (典型地，由重P摻雜的Si材料構(gòu)成)、N型接觸14 (典型地，由重N摻雜的Si材料構(gòu)成)、STI15 (又稱淺槽隔離，典型地，由S102材料構(gòu)成)、電極16 (典型地，由Al材料構(gòu)成)。應(yīng)注意，上述材料僅僅是以示例的方式提供的，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，其他材料也可以用在常規(guī)NP型CMOS APD的構(gòu)造中O
[0022]從圖一中可以看出，在該結(jié)構(gòu)中PN結(jié)由襯底和N阱構(gòu)成，雪崩區(qū)12位于PN結(jié)區(qū)，光吸收區(qū)11位于雪崩區(qū)12下方的襯底上。圖二所示為常規(guī)NP型CM0SAPD的濃度分布圖和電場分布圖，從圖中可以清楚的看出該器件的摻雜濃度分布和電場分布，深度為3.2um附近摻雜濃度發(fā)生劇烈變化，同時電場在該區(qū)域也發(fā)生劇烈變化，說明該區(qū)域正是常規(guī)NP型APD的雪崩區(qū)12。該類型APD光電器件的工作原理是入射光射入器件在光吸收區(qū)11被吸收產(chǎn)生光生載流子，光生載流子通過擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動移動到雪崩區(qū)12參與倍增，通過圖一可以看出在NP型CMOS APD中是電子參與倍增的。P型接觸13和N型接觸14可以和金屬電極16相接觸從而施加偏置電壓在器件上，提供所需要的電場。因為P型接觸和N型接觸是重?fù)诫s的，所以在與金屬接觸時不會形成肖特基二極管。STI15又稱淺槽隔離，主要作用是隔離器件，使鄰近的器件不會相互產(chǎn)生影響。
[0023]如圖三所示為新型NP型CMOS APD光電器件的結(jié)構(gòu)圖。新型的NP型CMOS APD包括襯底21 (典型地，由SI材料構(gòu)成，本實例中襯底的摻雜濃度為1015cm_3)、光吸收區(qū)22 (深N講，典型地，由磷摻雜的SI材料成，本實例中深N阱的摻雜濃度為6X1016cm_3)、雪崩區(qū)23(典型地，由PN結(jié)構(gòu)成，P型半導(dǎo)體襯底構(gòu)成，N型半導(dǎo)體由磷摻雜的SI材料構(gòu)成，本實例中N阱的摻雜濃度為1017cm_3)、P型接觸24 (典型地，由重P摻雜的SI材料構(gòu)成)、N型接觸25(典型地，由重N摻雜的SI材料構(gòu)成)、STI26(又稱淺槽隔離，典型地，由S102材料構(gòu)成)、電極27 (典型地，由Al材料構(gòu)成)。應(yīng)注意，上述材料僅僅是以示例的方式提供的，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，其他材料也可以用在常規(guī)NP型CMOS APD的構(gòu)造中。
[0024]從圖中可以看出，該器件相對于常規(guī)NP型CMOS APD主要的變化是在襯底上加入了一個深N阱(如圖三中標(biāo)注的22區(qū))，該阱作為APD器件的光吸收區(qū)。當(dāng)入射光射入APD器件在吸收區(qū)22被吸收時，由于深N阱的濃度高于襯底的濃度，所以此器件的光生載流子濃度比常規(guī)NP型CMOS AH)的光生載流子濃度高，載流子的擴(kuò)散運(yùn)動會更強(qiáng)。在圖三中還可以看到，新型的結(jié)構(gòu)中對深N阱單獨加上了一個偏壓Vdnw，此單獨偏壓對器件的性能影響很大。該偏壓能夠起到兩個作用:一是分離光生載流子，二是驅(qū)動電子進(jìn)入雪崩區(qū)。光生載流子有空穴和電子，而參與倍增的是電子，加上負(fù)的獨立偏壓后它能隔離深N阱里產(chǎn)生的空穴，并且使電子具有較強(qiáng)的漂移運(yùn)動，提高電子的傳輸速度，減小電子的疏運(yùn)時間，使載流子能夠更快的運(yùn)動雪崩區(qū)23參與倍增。P型接觸24和N型接觸25可以和金屬電極27相接觸從而施加偏置電壓在器件上，提供所需要的電場。圖中有三對電極:VK、VDNW和P襯底的電極，VK是給PN結(jié)加上的反向電壓，該電壓必須足以使器件發(fā)生雪崩擊穿，該實例中所加的反向電壓VR為16V ;VDNW是給深N阱加上的單獨偏壓，作用如前面所述，該實例中所加的電壓VDNW為10V ；P襯底上的電極的作用是消除襯底上產(chǎn)生的緩慢載流子對器件的影響。
[0025]對于Aro來說，它的頻率影響因素有以下四個:光生載流子的輸運(yùn)時間、器件的RC時間常數(shù)、電感峰值效應(yīng)和電容，在這四個因素中光生載流子的輸運(yùn)時間是主要因素。通過前面的分析知道，對于常規(guī)NP型CMOS APD光電器件，入射光在吸收區(qū)22被吸收后產(chǎn)生光生載流子，載流子通過擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動移動到雪崩區(qū)23參與倍增，但是由于吸收區(qū)位于襯底上，而襯底的摻雜濃度小而且襯底上的電壓很小甚至幾乎為零，這就導(dǎo)致載流子或者說是電子的擴(kuò)散運(yùn)動速度慢，漂移運(yùn)動速度也很慢，從而增加了電子的輸運(yùn)時間，大大限制了器件的速率、頻率響應(yīng)和帶寬。對于本發(fā)明設(shè)計的新型NP型CMOS APD，如圖三所示，深N阱作為吸收區(qū)，入射光在深N阱被吸收后能產(chǎn)生更多光生載流子，因為深N阱的摻雜濃度比襯底高，使載流子的濃度梯度更大，增加擴(kuò)散運(yùn)動的速度，再加上深N阱的獨立偏壓的驅(qū)動，提高載流子的漂移運(yùn)動速度。如圖四為常規(guī)NP型AH)的頻率響應(yīng)圖，從圖中可以看出它的截止頻率在1Χ10-7Ηζ左右，器件工作的帶寬為1Χ108ΗΖ。如圖五為新型NP型ATO的頻率響應(yīng)圖，從圖中可以看出它的截止頻率在2Χ108ΗΖ左右，器件工作的帶寬為1Χ109ΗΖ。對比兩圖可以清楚的知道，較常規(guī)NP型APD而言，新型NP型CMOS APD在速率、頻率響應(yīng)和帶寬等方面有了顯著的提高。因此，本發(fā)明所設(shè)計的結(jié)構(gòu)使得載流子的擴(kuò)散運(yùn)動速度和漂移運(yùn)動速度都得到了提高，因而APD器件光生載流子的運(yùn)動速度加快，載流子的輸運(yùn)時間減小，器件的響應(yīng)速率、截至頻率和工作帶寬等指標(biāo)都顯著提高。
[0026]以上這些實施例應(yīng)理解為僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。在閱讀了本發(fā)明的記載的內(nèi)容之后，技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等效變化和修飾同樣落入本發(fā)明權(quán)利要求所限定的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種帶有深N阱的NP型CMOS雪崩光電二極管，包括P型襯底(21)、設(shè)置于P型襯底(21)上的N阱層及雪崩區(qū)(23)，所述雪崩區(qū)(23)設(shè)置于所述P型襯底(21)和N阱層之間構(gòu)成PN結(jié)，其特征在于:在P型襯底(21)和雪崩區(qū)(23)之間還設(shè)置有光吸收層(22)，所述光吸收層(22)為設(shè)置于P型襯底層(21)上的深N阱，所述深N阱的摻雜濃度大于P型襯底(21)的摻雜濃度； 所述P型襯底(21)上還設(shè)置有電極VK、Vdnw和P襯底電極(27)，其中電極VR與所述雪崩區(qū)(23)的PN結(jié)相連接并提供反向雪崩擊穿電壓，所述Vdnw偏置電極與光吸收層(22)的深N阱相連接并提供偏置電壓，其中在P襯底電極(27)上還設(shè)置有P+接觸面(24)和N+接觸面(25)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有深N阱的NP型CMOS雪崩光電二極管，其特征在于:所述P+接觸面(24)和N+接觸面(25)之間還設(shè)置有淺槽隔離STI (26)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的帶有深N阱的NP型CMOS雪崩光電二極管，其特征在于:所述光吸收層(22)的深N阱由磷摻雜的Si材料構(gòu)成，所述雪崩區(qū)(23)由PN結(jié)構(gòu)成，P型半導(dǎo)體由Si材料構(gòu)成，N型半導(dǎo)體由磷摻雜的Si材料構(gòu)成；所述P+接觸面(24)由重P摻雜的Si材料構(gòu)成，和N+接觸面(25)由重N摻雜的Si材料構(gòu)成，所述淺槽隔離STI (26)由S102材料構(gòu)成、所述P襯底電極(27)由Al材料構(gòu)成。
【文檔編號】H01L31/107GK103887362SQ201410122853
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月28日
【發(fā)明者】王巍, 王川, 顏琳淑, 胡潔, 王婷, 杜超雨, 王振, 袁軍 申請人:重慶郵電大學(xué)