本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種雪崩二極管的外延結(jié)構(gòu)及雪崩二極管的制造方法。

背景技術(shù)：

制造高頻響應(yīng)的雪崩二極管(Avalanche Photodiodes：APD)時，如果采用平面結(jié)構(gòu)設(shè)計時，一般需要采用鋅擴散的技術(shù)來定義器件的接收面積大小，這個器件的接收面積大小通常就是鋅擴散的面積的大小。對于高頻響應(yīng)的雪崩二極管器件，需要很精準的控制雪崩增益層的厚度以達到最佳的器件操作特性，尤其是器件的頻率響應(yīng)。參考圖1所示，雪崩二極管的光吸收層的上一層一般采用低摻雜InP材料構(gòu)成，其總厚度為T(一般為1-3微米厚)，采用鋅擴散技術(shù)形成鋅擴散區(qū)域后，形成的鋅擴散層的深度為D，實際的雪崩增益層厚度為A＝T-D，但是鋅擴散技術(shù)本身有鋅擴散深度的均勻性不一的問題，因此，當使用鋅擴散技術(shù)來制作雪崩二極管器件時，鋅擴散層及雪崩層的總厚度為T是可以通過外延工藝精準控制的，但是很難重復(fù)精準的控制鋅擴散層的深度D，從而也無法精準控制雪崩增益層的厚度A。

由于雪崩二極管器件的操作特性會隨著A的厚度不同而改變，一般要控制雪崩增益層的厚度A在0.15-0.25微米的范圍內(nèi)才能達到制造高頻響應(yīng)的雪崩二極管的要求。當雪崩增益層的厚度不均勻時，每個器件的操作特性會有明顯差異，造成器件之間的操作特性差異，并增加控制電路設(shè)計的難度，從而導(dǎo)致制造的雪崩二極管器件良率很難提升。特別是外延的厚度均勻性不好時，可以讓高頻雪崩二極管器件的良率低于20％。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種雪崩二極管的外延結(jié)構(gòu)及雪崩二極管的制造方法，有效控制鋅擴散區(qū)域的深度，精準控制雪崩增益層的厚度，提升雪崩二極管器件的良率。

為達到以上目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：一種雪崩二極管的外延結(jié)構(gòu)：包括襯底，襯底的上方形成有光吸收層，光吸收層的上方形成有雪崩增益層，雪崩增益層的上方形成有鋅擴散層，所述鋅擴散層由InP材料構(gòu)成，所述雪崩增益層由In_0.52Al_0.48As材料、In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)材料、In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料、In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)的成分漸變材料或In_xGa_yAl_(1-x-y)As的成分漸變材料構(gòu)成，其中In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)材料或In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)的成分漸變材料中0<x<1、0<y<1，In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料或In_xGa_yAl_(1-x-y)As的成分漸變材料中0<x<1、0<y<1且0<(x+y)<1。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)的成分漸變材料或In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料的成分漸變材料的漸變方式采用連續(xù)的線性漸變方式或不連續(xù)的跳躍漸變方式。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述鋅擴散層由不摻雜或是摻雜濃度小于1×10¹⁷cm^-3的InP材料構(gòu)成。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述光吸收層由In_0.53Ga_0.47As材料、InP材料、In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料或In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)材料構(gòu)成，其中In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)材料中0<x<1、0<y<1，In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料中0<x<1、0<y<1且0<(x+y)<1。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述雪崩二極管的外延結(jié)構(gòu)還包括電荷層，所述電荷層設(shè)于所述雪崩增益層與所述光吸收層之間，所述電荷層由In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)材料或In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料構(gòu)成，其中In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)材料中0<x<1、0<y<1，In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料中0<x<1、0<y<1且0<(x+y)<1。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述雪崩二極管的外延結(jié)構(gòu)還包括漸變層，所述漸變層設(shè)于所述雪崩增益層與所述光吸收層之間，所述漸變層由In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)材料、In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料、In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)的成分漸變材料或In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料的成分漸變材料構(gòu)成，In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)材料或In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)的成分漸變材料中0<x<1、0<y<1，In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料或In_xGa_yAl_(1-x-y)As的成分漸變材料中0<x<1、0<y<1且0<(x+y)<1。

本發(fā)明還公開了一種雪崩二極管的制造方法，所述雪崩二極管的外延結(jié)構(gòu)自下而上包括襯底層、光吸收層、雪崩增益層和鋅擴散層；采用InP材料構(gòu)成所述鋅擴散層，同時采用In_0.52Al_0.48As材料、In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)材料、In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料、In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)的成分漸變材料或In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料的成分漸變材料構(gòu)成所述雪崩增益層，其中In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)材料或In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)的成分漸變材料中0<x<1、0<y<1，In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料或In_xGa_yAl_(1-x-y)As的成分漸變材料中0<x<1、0<y<1且0<(x+y)<1；采用鋅擴散的方法形成雪崩二極管的鋅擴散區(qū)域。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，采用In_0.53Ga_0.47As材料、InP材料、In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料或In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)材料構(gòu)成所述光吸收層，其中In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)材料中0<x<1、0<y<1，In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料中0<x<1、0<y<1且0<(x+y)<1。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述雪崩二極管的外延結(jié)構(gòu)還包括電荷層，所述電荷層設(shè)于所述雪崩增益層與所述光吸收層之間，采用In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)材料或In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料構(gòu)成所述電荷層，其中In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)材料中0<x<1、0<y<1，In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料中0<x<1、0<y<1且0<(x+y)<1。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述雪崩二極管的外延結(jié)構(gòu)還包括漸變層，所述漸變層設(shè)于所述雪崩增益層與所述光吸收層之間，采用In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)材料、In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料、In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)的成分漸變材料或In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料的成分漸變材料構(gòu)成所述漸變層，其中In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)材料或In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)的成分漸變材料中0<x<1、0<y<1，In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料或In_xGa_yAl_(1-x-y)As的成分漸變材料中0<x<1、0<y<1且0<(x+y)<1。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：

本發(fā)明采用InP材料構(gòu)成鋅擴散層，同時采用In_0.52Al_0.48As材料、In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)材料、In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料、In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)的成分漸變材料或In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料的成分漸變材料構(gòu)成雪崩增益層；因此，采用鋅擴散的方法形成雪崩二極管的鋅擴散區(qū)域時，由于鋅在InP材料中的擴散速度是比在In_0.52Al_0.48As材料中快數(shù)十倍以上，所以當鋅從InP材料擴散到In_0.52Al_0.48As材料時，大部分鋅都只擴散到InP和In_0.52Al_0.48As材料的界面上，而只有很少的鋅擴散進In_0.52Al_0.48As材料，最后P-N結(jié)的位置能夠被準確的控制在InP及In_0.52Al_0.48As材料的界面上。鋅在In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)材料、In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料、In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)的成分漸變材料或In_xGa_yAl_(1-x-y)As的成分漸變材料中的擴散速度都遠小于在InP材料中的擴散速度。因此，采用本發(fā)明可有效控制鋅擴散區(qū)域的深度，實現(xiàn)精準控制雪崩增益層的厚度，提升雪崩二極管器件的良率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例中雪崩二極管的外延結(jié)構(gòu)的SAM結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例中雪崩二極管的外延結(jié)構(gòu)的SACM結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例中雪崩二極管的外延結(jié)構(gòu)的SAGM結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例中雪崩二極管的外延結(jié)構(gòu)的SAGCM結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。

參見圖1所示，本發(fā)明實施例提供一種雪崩二極管的外延結(jié)構(gòu)，包括襯底，襯底的上方形成有光吸收層，光吸收層的上方形成有雪崩增益層，雪崩增益層的上方形成有鋅擴散層。鋅擴散層由InP材料構(gòu)成，雪崩增益層由In_0.52Al_0.48As材料、In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)材料、In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料、In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)的成分漸變材料或In_xGa_yAl_(1-x-y)As的成分漸變材料構(gòu)成，其中In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)材料或In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)的成分漸變材料中0<x<1、0<y<1，In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料或In_xGa_yAl_(1-x-y)As的成分漸變材料中0<x<1、0<y<1且0<(x+y)<1。即分離式的光吸收層及雪崩增益層結(jié)構(gòu)(簡稱SAM結(jié)構(gòu)，Separate Absorption and Multiplication layer structure)。

本發(fā)明采用InP材料構(gòu)成鋅擴散層，同時采用In_0.52Al_0.48As材料、In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)材料、In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料、In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)的成分漸變材料或In_xGa_yAl_(1-x-y)As的成分漸變材料構(gòu)成雪崩增益層；因此，采用鋅擴散的方法形成雪崩二極管的鋅擴散區(qū)域時，由于鋅在InP材料中的擴散速度是比在In_0.52Al_0.48As材料中快數(shù)十倍以上，所以當鋅從InP材料擴散到In_0.52Al_0.48As材料時，而只有很少的鋅擴散進In_0.52Al_0.48As材料，最后P-N結(jié)的位置能夠被準確的控制在InP及In_0.52Al_0.48As材料的界面上，有效控制鋅擴散區(qū)域的深度，實現(xiàn)精準控制雪崩增益層的厚度，提升雪崩二極管器件的良率。鋅在In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)材料、In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料、In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)的成分漸變材料或In_xGa_yAl_(1-x-y)As的成分漸變材料中的擴散速度都遠小于在InP材料中的擴散速度。

In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)的成分漸變材料或In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料的成分漸變材料的漸變方式采用連續(xù)的線性漸變方式或不連續(xù)的跳躍漸變方式。連續(xù)的線性漸變方式即x或y的改變是連續(xù)的；不連續(xù)的跳躍漸變方式即x或y的改變是不連續(xù)的跳躍的。

例如雪崩增益層采用In_xGa_yAl_(1-x-y)As的成份漸變材料時，其中在與鋅擴散層的交界處x＝0.52及y＝0.15，自與鋅擴散層的交界處向吸收層的方向200納米的范圍內(nèi)，y逐漸從0.15減小到0。y改變的方式可以是直線式或曲線式的線性漸變，例如分成多個線性漸變階段，x維持0.52，y分別為0.15、0.14、0.13、0.12、0.11……直至到y(tǒng)等于0；y也可以是跳躍式的漸變，例如分成4個跳躍漸變階段，x維持0.52，而每一小段的y分別為0.15、0.10、0.05及0。在雪崩增益層里采用成分漸變材料可以減少暗電流噪聲，從而有效提高雪崩二極管器件的靈敏度。

鋅擴散層由不摻雜或是摻雜濃度小于1×10¹⁷cm^-3的InP材料構(gòu)成InP材料構(gòu)成。鋅擴散層用于定義器件的接收面積大小，即器件的有效區(qū)域，并同時依據(jù)擴散的深度來控制雪崩增益層的厚度。鋅擴散的方式可以是用鋅蒸汽加高溫爐、含鋅材料的薄膜涂層加高溫爐、MOCVD的鋅擴散技術(shù)，但不限定于這些技術(shù)。鋅擴散層可以使用多次不同深度的擴散來減小擴散區(qū)邊緣雪崩所造成的漏電流過高的問題，擴散的次數(shù)沒有限制，可以是一次，二次或更多次。所述鋅擴散層選擇使用InP材料，因為鋅在InP材料中的擴散速度比較大，比較容易得到較深的擴散形貌。

光吸收層由In_0.53Ga_0.47As材料、InP材料、In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料或In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)材料構(gòu)成，其中In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)材料中0<x<1、0<y<1，In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料中0<x<1、0<y<1且0<(x+y)<1。光吸收層的功能是吸收光子而同時產(chǎn)生一對電子和空穴，電子或空穴將依照電場的方向朝著正電極或負電極而漂移，一般的雪崩二極管器件是逆向偏壓，所以P電極反而是負電極，所以空穴會朝著P電極(即負電極)方向漂移，經(jīng)過其它各個結(jié)構(gòu)層而抵達雪崩增益層，然后在雪崩增益層產(chǎn)生雪崩效應(yīng)來達到電流放大的目的。

光吸收層的材料選擇是依據(jù)雪崩二極管器件所要偵測的光子波長而決定的，例如在光纖通信應(yīng)用要探測1.55微米波長的光子時，一般選擇In_0.53Ga_0.47As的材料，且分子晶格大小跟InP襯底相同；如果探測波長是1.06微米時，則可以選擇使用合適成分的InxGa_(1-x)As_yP_(1-y)的材料；如果探測波長是0.8微米時，則可以選擇使用InP的材料。

雪崩二極管的外延結(jié)構(gòu)還包括電荷層，所述電荷層設(shè)于所述雪崩增益層與所述光吸收層之間，即分離式光吸收層、電荷層及雪崩增益層結(jié)構(gòu)(簡稱SACM結(jié)構(gòu)，Separate Absorption-Charge-Multiplication layer structure)。所述電荷層由In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)材料或In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料構(gòu)成，其中In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)材料中0<x<1、0<y<1，In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料中0<x<1、0<y<1且0<(x+y)<1。

電荷層的目的是為了能比較有效的控制雪崩電壓的大小，如果不使用電荷層，則器件的雪崩電壓將會隨著雪崩增益層的厚度而明顯改變，但是使用電荷層結(jié)構(gòu)將會使得雪崩電壓不會明顯的隨著雪崩增益層的厚度而改變，因此極大的提高器件操作特性的一致性及生產(chǎn)良率。一般電荷層的材料選擇是跟雪崩增益層的材料相同，但是并不必需相同，可以選擇晶格常數(shù)相近于襯底且能帶較大的材料，例如In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)或In_xGa_yAl_(1-x-y)As的材料。

所述雪崩二極管的外延結(jié)構(gòu)還包括漸變層，漸變層設(shè)于所述雪崩增益層與所述光吸收層之間，即分離式光吸收層、漸變層及雪崩增益層結(jié)構(gòu)(簡稱SAGM結(jié)構(gòu)，Separate Absorption-Grading-Multiplication layer structure)。漸變層由In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)材料、In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料、In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)的成分漸變材料或In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料的成分漸變材料構(gòu)成，其中In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)材料或In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)的成分漸變材料中0<x<1、0<y<1，In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料或In_xGa_yAl_(1-x-y)As的成分漸變材料中0<x<1、0<y<1且0<(x+y)<1。如果所述雪崩二極管的外延結(jié)構(gòu)同時包括電荷層和漸變層，則所述漸變層設(shè)于所述電荷層與所述光吸收層之間，即分離式光吸收層、漸變層、電荷層及雪崩增益層結(jié)構(gòu)(簡稱SAGCM結(jié)構(gòu)，Separate Absorption-Grading-Charge-Multiplication layer structure)。

一般光吸收層和電荷層(或雪崩增益層)的材料可能不同，當兩種材料不同時，其能帶的不連續(xù)會產(chǎn)生一個能量壁壘，這個能量壁壘太大的話會對電子及空穴的移動造成阻礙而降低器件的頻率響應(yīng)，因此適度的外延一個漸變層(材料成分的漸變)可以明顯的降低這個能量壁壘，從而提高器件的頻率響應(yīng)。一般這個材料的漸變是從光吸收層的成分逐漸的改變到電荷層(或雪崩增益層)的成分。

本發(fā)明還公開了一種雪崩二極管的制造方法，所述雪崩二極管的外延結(jié)構(gòu)自下而上包括襯底層、光吸收層、雪崩增益層和鋅擴散層；采用InP材料構(gòu)成所述鋅擴散層，同時采用In_0.52Al_0.48As材料、In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)材料、In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料、In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)的成分漸變材料或In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料的成分漸變材料構(gòu)成所述雪崩增益層，其中In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)材料或In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)的成分漸變材料中0<x<1、0<y<1，In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料或In_xGa_yAl_(1-x-y)As的成分漸變材料中0<x<1、0<y<1且0<(x+y)<1；采用鋅擴散的方法形成雪崩二極管的鋅擴散區(qū)域。

本發(fā)明采用InP材料構(gòu)成鋅擴散層，同時采用In_0.52Al_0.48As材料、In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)材料、In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料、In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)的成分漸變材料或In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料的成分漸變材料構(gòu)成雪崩增益層；再采用鋅擴散的方法形成雪崩二極管的鋅擴散區(qū)域。由于鋅在InP材料中的擴散速度是比在In_0.52Al_0.48As材料中快數(shù)十倍以上，所以當鋅從InP材料擴散到In_0.52Al_0.48As材料時，而只有很少的鋅擴散進In_0.52Al_0.48As材料，最后P-N結(jié)的位置能夠被準確的控制在InP及In_0.52Al_0.48As材料的界面上，有效控制鋅擴散區(qū)域的深度，實現(xiàn)精準控制雪崩增益層的厚度，提升雪崩二極管器件的良率。鋅在In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)材料、In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料、In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)的成分漸變材料或In_xGa_yAl_(1-x-y)As的成分漸變材料中的擴散速度都遠小于在InP材料中的擴散速度。

所述鋅擴散層由不摻雜或是摻雜濃度小于1×10¹⁷cm^-3的InP材料構(gòu)成InP材料構(gòu)成。所述In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)的成分漸變材料或In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料的成分漸變材料的漸變方式采用連續(xù)的線性漸變方式或不連續(xù)的跳躍漸變方式。

采用In_0.53Ga_0.47As材料、InP材料、In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料或In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)材料構(gòu)成所述光吸收層，其中In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)材料中0<x<1、0<y<1，In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料中0<x<1、0<y<1且0<(x+y)<1。

所述雪崩二極管的外延結(jié)構(gòu)還包括電荷層，所述電荷層設(shè)于所述雪崩增益層與所述光吸收層之間，采用In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)材料或In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料構(gòu)成所述電荷層，其中In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)材料中0<x<1、0<y<1，In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料中0<x<1、0<y<1且0<(x+y)<1。

所述雪崩二極管的外延結(jié)構(gòu)還包括漸變層，所述漸變層設(shè)于所述雪崩增益層與所述光吸收層之間，采用In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)材料、In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料、In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)的成分漸變材料或In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料的成分漸變材料構(gòu)成所述漸變層，其中In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)材料或In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)的成分漸變材料中0<x<1、0<y<1，In_xGa_yAl_(1-x-y)As材料或In_xGa_yAl_(1-x-y)As的成分漸變材料中0<x<1、0<y<1且0<(x+y)<1。

本發(fā)明不局限于上述實施方式，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。本說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。