[发明专利]一种InAs雪崩光电二极管及其制造方法

说明书

技术领域

本发明属于光电二极管技术领域，特别涉及一种InAs雪崩光电二极管及其制造方法。

背景技术

目前，由于光通信系统的快速发展，对接收机的响应度和速率的要求越来越高。相比于PIN探测器，雪崩光电二极管(APD)由于其内部产生增益而具有较高的灵敏度，被广泛用于光通信系统中。但是由于增益的随机性会伴随着额外的噪声；且对于传统的APD如InAlAs、InP、Si、InGaAs等材料的APD，存在着增益-带宽积的限制，即高增益时，由于雪崩建立时间增加，带宽会降低，从而限制了接收机的速率。因此，低噪声、高响应、低暗电流、高增益带-宽积的APD更能满足光通信系统的要求。

根据McIntyre理论可以知道，电子和空穴的离化系数相差越大，APD的噪声就越低。在InAs材料中，空穴基本不离化，唯有电子离化，因此，几乎没有载流子反馈离化，从而降低噪声。此外，最大脉冲响应时间为电子和空穴的渡越时间之和；鉴于InAs材料中，单载流子离化，因此将不存在由于雪崩建立时间而产生的增益带宽积限制，即对于所有增益，带宽基本是个常数，最大的增益带-宽积受到最大增益限制。InAs材料APD可以很好的满足光通信系统低噪声、高速率、高响应度的要求。但是由于InAs是窄带隙材料，带隙为0.36ev,且离化系数对电场强度的依赖不大，导致倍增区越厚，增益越大。但是当倍增区越厚，由于存在背景掺杂浓度，导致电场很不均匀，且耗尽区不能完全耗尽，所能达到的最大增益受隧穿暗电流的限制。

对于窄带隙InAs APD,降低暗电流成为了需要解决的主要问题。目前，有一些主流降低InAs暗电流的方法，比如：1）低温工作法，该方法使APD工作在制冷环境290K-77K范围下，相比于290K，77K下暗电流可以降低6个数量级，但是增益也从17降低到8，从而降低了最大增益带宽积，限制了可用增益，且制冷下工作，需要添加额外的制冷装置，不便应用于通信系统中；2）改善制作工艺和添加扩散阻挡层法，该方法分别降低了表面暗电流和体扩散电流，InAs的生长温度为470°C时，晶格缺陷较小，采用二步刻蚀的方法，首先，使用比例为1:1:1的H₃PO₄:H₂O₂:H₂O溶液，之后采用1:8:80的H₂SO₄:H₂O₂:H₂O溶液，可以将暗电流降低一个数量级，采用AlAs_0.16Sb_0.84宽带隙作为少子阻挡层，阻止p型接触层中的少子向本征倍增区的扩散，也可以将暗电流降低一个数量级，但是暗电流仍然很高；3）He离子注入的平板结构，采用离子注入的方法制作了平板结构的InAs APD来消除表面暗电流，增加InAs电阻，由于二极管没有完全隔离导致较大的暗电流；4）半绝缘衬底Zn扩散工艺，采用Zn扩散的方法来最小化表面暗电流，采用半绝缘GaAs衬底，降低寄生电容，易于与其他器件集成，Zn扩散可以降低表面暗电流，但是由于晶格失配，缺陷密度导致暗电流仍然很大；5）改进电场以及降低本征掺杂浓度法,增加p型接触层浓度，从而增加势垒高度，降低来自p型接触层的少子扩散电流，通过在本征区中引入p型渐变掺杂层，中和本征非故意n型掺杂，改善电场的均匀性，增加耗尽区宽度，增大最大增益，且改善工艺降低本征掺杂浓度，从而降低体暗电流，暗电流降低接近一个数量级。上述方法都是针对InAs APD的体扩散暗电流和表面漏电流进行的改进，最大增益仍受着隧穿暗电流的限制。

已知的InGaAs超晶格APD中，超晶格结构可以提高倍增区的有效带隙，从而提高击穿的最大电场，提高最大增益，降低隧穿暗电流。为了降低InAs雪崩光电二极管的隧穿暗电流，需要一种能够匹配InAs材料的倍增区超晶格结构。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够有效降低隧穿暗电流的InAs雪崩光电二极管。