一种利用分子束外延制备雪崩光电二极管的方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种利用分子束外延制备雪崩光电二极管的方法。

背景技术

雪崩光电二极管（APD）是光纤通信系统必不可少的探测器件。 APD 器件的不断发展伴随着不同结构、不同材料组成的探测器的研制。

在InP/InAlAs/InGaAs分离吸收倍增雪崩光电二极管中，光子被低带隙InGaAs层吸收产生光生载流子，载流子输运到高带隙InAlAs层发生倍增效应，这种材料组合降低了器件暗电流、增强了击穿性能、提高了响应度。在InP基APD器件结构中载流子是沿着垂直方向输运的，虽然高带隙材料在某些方面改善了器件性能，但是对于垂直输运的载流子也存在一个负面影响，那就是：对于第一类异质结界面，当载流子从低带隙材料层输运到高带隙材料层时，高带隙材料会成为势垒阻碍载流子运动，因此在界面处形成载流子聚集，会严重影响器件的高频响应，降低器件的频带宽度。

为此，在设计APD的器件结构时，可以在高带隙InAlAs层与低带隙InGaAs层之间添加InAlGaAs渐变层来降低高带隙势垒对载流子运动的阻碍。

然而，在APD器件结构中加入InAlGaAs渐变层之后，由于常规分子束外延生长四元系材料需要繁琐的校准程序，这增加了APD器件生长过程的复杂性，并且提高了生产成本。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种利用分子束外延制备雪崩光电二极管的方法，以解决InAlGaAs渐变层的分子束外延生长问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明提供了一种利用分子束外延制备雪崩光电二极管的方法，该雪崩光电二极管的结构自下而上依次包括InP衬底、N

所述方法包括：

在InP衬底上依次沉积生长N

在P-InAlAs电荷层上沉积生长InAlGaAs渐变层，使得从靠近P-InAlAs电荷层一侧开始，InAlGaAs渐变层中的Al组分含量逐渐降低，InAlGaAs渐变层中的Ga组分含量逐渐升高，在沉积生长InAlGaAs渐变层的过程中，用于沉积生长InAlGaAs渐变层的铝源炉和镓源炉中的一者采用变温方式提供对应的分子束，用于沉积生长InAlGaAs渐变层的铝源炉和镓源炉中的另一者采用脉冲方式提供对应的分子束，采用变温方式提供对应的分子束表示：设定源炉的温度变化范围，源炉在温度变化的过程中提供对应的分子束；采用脉冲方式提供对应的分子束表示：源炉处于恒定的温度下，并且设定周期，在每一个周期内，打开源炉的挡板持续预定时间段，然后关闭挡板，源炉仅在挡板打开的状态下提供对应的分子束；

在InAlGaAs渐变层上沉积生长InGaAs吸收层。

可选地，沉积生长N

在铝源炉采用变温方式提供对应的分子束的情况下，镓源炉采用脉冲方式提供对应的分子束；铝源炉采用变温方式提供对应的分子束，具体包括：在沉积生长InAlGaAs渐变层之前，设定铝源炉的目标温度为第一目标温度，第一目标温度比第一温度降低ΔT

在镓源炉采用变温方式提供对应的分子束的情况下，铝源炉采用脉冲方式提供对应的分子束；镓源炉采用变温方式提供对应的分子束，具体包括：在沉积生长InAlGaAs渐变层之前，使镓源炉的实际温度为第二温度，设定镓源炉的目标温度为第二目标温度，并且第二目标温度比第二温度升高ΔT

t的取值范围为t

可选地，InAlGaAs渐变层的厚度在300埃至800埃的范围内。

可选地，InAlGaAs渐变层的厚度在350埃至450埃的范围内。

可选地，铝源炉采用变温方式提供对应的分子束，并且在沉积生长InAlGaAs渐变层的整个过程中，铝源炉的温度从第一温度线性降温到第一目标温度；镓源炉采用脉冲方式提供对应的分子束，并且在沉积生长InAlGaAs渐变层的整个过程中，打开镓源炉的挡板的时间段t

可选地，在镓源炉采用脉冲方式提供对应的分子束的第一个周期中，t

可选地，

可选地，镓源炉采用变温方式提供对应的分子束，并且在沉积生长InAlGaAs渐变层的整个过程中，镓源炉的温度从第二温度线性升温到第二目标温度；铝源炉采用脉冲方式提供对应的分子束，并且在沉积生长InAlGaAs渐变层的整个过程中，打开铝源炉的挡板的时间段t

可选地，在铝源炉采用脉冲方式提供对应的分子束的第一个周期中，t

可选地，

本发明的有益效果包括：

本发明提供的利用分子束外延制备雪崩光电二极管的方法包括：在InP衬底上依次沉积生长N

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明实施例提供的雪崩光电二极管的结构示意图；

图2示出了本发明实施例提供的利用分子束外延制备雪崩光电二极管的方法的流程示意图；

图3示出了本发明实施例提供的脉冲模式下镓源炉的挡板状态随时间变化的示意图；

图4示出了本发明实施例提供的脉冲模式下铝源炉的挡板状态随时间变化的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在InP/InAlAs/InGaAs分离吸收倍增雪崩光电二极管中，对于由InAlAs/InGaAs形成的第一类异质结界面，当载流子从低带隙InGaAs材料层输运到高带隙InAlAs材料层时，高带隙材料会成为势垒阻碍载流子运动，因此在界面处形成载流子聚集，会严重影响器件的高频响应，降低器件的频带宽度。为此，在设计APD的器件结构时，可以在高带隙InAlAs层与低带隙InGaAs层之间添加InAlGaAs渐变层来降低高带隙势垒对载流子运动的阻碍。然而，在APD器件结构中加入InAlGaAs渐变层之后，由于常规分子束外延生长四元系材料需要繁琐的校准程序，这增加了APD器件生长过程的复杂性，并且提高了生产成本。为此，本发明实施例提供了一种利用分子束外延制备雪崩光电二极管的方法，通过该方法能够简化InAlGaAs渐变层的生长校准流程，从而降低生产成本。

图1示出了本发明实施例提供的雪崩光电二极管的结构示意图；图2示出了本发明实施例提供的利用分子束外延制备雪崩光电二极管的方法的流程示意图。

如图1所示，本发明实施例提供的利用分子束外延制备的雪崩光电二极管的结构自下而上依次包括InP衬底101、N

本发明实施例对于形成N

如图2所示，本发明实施例提供的利用分子束外延制备雪崩光电二极管的方法包括：

步骤201：在InP衬底上依次沉积生长N

其中，沉积生长N

步骤202：在P-InAlAs电荷层上沉积生长InAlGaAs渐变层，使得从靠近P-InAlAs电荷层一侧开始，InAlGaAs渐变层中的Al组分含量逐渐降低，InAlGaAs渐变层中的Ga组分含量逐渐升高。

在沉积生长InAlGaAs渐变层106的过程中，用于沉积生长InAlGaAs渐变层106的铝源炉和镓源炉中的一者采用变温方式提供对应的分子束，用于沉积生长InAlGaAs渐变层106的铝源炉和镓源炉中的另一者采用脉冲方式提供对应的分子束。采用变温方式提供对应的分子束表示：设定源炉的温度变化范围，源炉在温度变化的过程中提供对应的分子束；采用脉冲方式提供对应的分子束表示：源炉处于恒定的温度下，并且设定周期，在每一个周期内，打开源炉的挡板持续预定时间段，然后关闭挡板，源炉仅在挡板打开的状态下提供对应的分子束。具体地，在铝源炉采用变温方式提供对应的分子束的情况下，镓源炉采用脉冲方式提供对应的分子束；在镓源炉采用变温方式提供对应的分子束的情况下，铝源炉采用脉冲方式提供对应的分子束。此处的镓源炉为用于进行分子束外延生长的分子束外延设备中的提供镓分子束的源炉。

铝源炉采用变温方式提供对应的分子束，具体包括：在沉积生长InAlGaAs渐变层之前，设定铝源炉的目标温度为第一目标温度，第一目标温度比第一温度降低ΔT

镓源炉采用变温方式提供对应的分子束，具体包括：在沉积生长InAlGaAs渐变层之前，使镓源炉的实际温度为第二温度，设定镓源炉的目标温度为第二目标温度，并且第二目标温度比第二温度升高ΔT

上述ΔT

图4示出了本发明实施例提供的脉冲模式下铝源炉的挡板状态随时间变化的示意图，如图4所示，在铝源炉采用脉冲方式提供对应的分子束的情况下，以t为周期，在每个周期t内的前t

第二目标温度的具体取值根据镓源炉中镓材料的剩余量以及期望的分子束的束流强度来确定，可选地，第二温度和第二目标温度均在850℃至1000℃的范围内。

t的取值范围为t

在实际应用中，考虑到由于镓源炉和铝源炉中的一者变温而导致对应的分子束流速率变化，因而在沉积生长InAlGaAs渐变层的过程中沉积预定个（例如，2个）原子层厚度所需要的时间会略微变化，因此，可以取在沉积生长InAlGaAs渐变层的过程中沉积预定个原子层厚度所需要的时间的中位数作为在限定t的取值时所述的沉积预定个原子层厚度所需要的时间。也就是说，在沉积生长InAlGaAs渐变层的过程中，由于其中的分子束流速率变化，沉积预定个原子层厚度所需要的最短时间为amin秒，沉积预定个原子层厚度所需要的最长时间为bmax秒，则取（amin+bmax）/2作为在限定t的取值时所述的沉积预定个原子层厚度所需要的时间，可以根据此中位数时间来确定t的取值。

本发明实施例中的目标温度是指在分子束外延设备的控制系统中设定的源炉的期望温度，该目标温度与源炉当前的实际温度可以相同或不同，在设定目标温度后，当控制系统运行时，源炉的实际温度将通过升温或降温（例如，线性地升温或降温）而逐渐接近并达到所设定的目标温度。例如，当目标温度高于实际温度时，在控制系统运行时，源炉的实际温度将通过升温（例如，线性地升温）而逐渐接近并达到所设定的目标温度。例如，可以在源炉的加热电源的功率为预设功率（例如，分子束外延设备对应源炉的常规升温功率）下，使得源炉的实际温度升高。例如，当目标温度低于实际温度时，当控制系统运行时，源炉的实际温度将通过降温（例如，线性地降温）而逐渐接近并达到所设定的目标温度。例如，可以在源炉的加热电源的功率为零下，使得源炉的实际温度下降。例如，当目标温度等于实际温度时，当控制系统运行时，源炉的实际温度将稳定为该目标温度。

步骤203：在InAlGaAs渐变层上沉积生长InGaAs吸收层。

应当理解，本发明实施例中的雪崩光电二极管的结构中除了上述参照图1描述的外延层之外，还可以包括常规雪崩光电二极管结构中必要的其他外延层，例如，在InGaAs吸收层107上还可以再沉积生长例如接触层，从而完成雪崩光电二极管的制备。

在雪崩光电二极管的结构中，InAlGaAs渐变层106位于P-InAlAs电荷层105与InGaAs吸收层107之间，InAlGaAs渐变层106的作用在于通过InAlGaAs渐变层中Al和Ga组分的渐变，实现InAlGaAs渐变层的能带渐变，进而实现雪崩光电二极管结构中能带从高带隙InAlAs层渐变至低带隙InGaAs层，降低了高带隙势垒对载流子运动的阻碍。为了达到上述效果，InAlGaAs渐变层106中靠近P-InAlAs电荷层105一侧的Al含量应当尽量高，Ga含量应当尽量低，从而使得InAlGaAs渐变层106中靠近P-InAlAs电荷层105一侧的能带与高带隙InAlAs层的能带接近；同样，InAlGaAs渐变层106中靠近InGaAs吸收层107一侧的Ga含量应当尽量高，Al含量应当尽量低，从而使得InAlGaAs渐变层106中靠近InGaAs吸收层107一侧的能带与低带隙InGaAs层的能带接近。在外延生长过程中，通过步骤202中所述的方式制备的InAlGaAs渐变层106的能带变化可以满足上述要求。

在分子束外延生长中，为了生长性能良好的外延层，减少外延层中的生长缺陷，外延层的晶格常数需要与衬底的晶格常数匹配。为此，在InP衬底上进行外延层生长时，InGaAs层需要采用In

为了解决上述问题，在本申请中，通过采用变温方式和脉冲方式相结合的方式来生长InAlGaAs渐变层。下面将举例描述其原理：例如，镓源炉采用变温方式提供对应的分子束，铝源炉采用脉冲方式提供对应的分子束，在该情况下，为了实现Ga组分的升高，在镓源炉温度升高的同时，由镓源炉提供Ga分子束。具体地，如前文所述，使镓源炉的实际温度为第二温度，设定镓源炉的目标温度为第二目标温度，并且第二目标温度比第二温度升高ΔT

如前所述，在铝源炉采用脉冲方式提供对应的分子束的情况下，在沉积生长InAlGaAs渐变层的过程中，在任何相邻两个周期中，后一周期中的t

综上所述，通过在沉积生长InAlGaAs渐变层的过程中，铝源炉和镓源炉中的一者采用变温方式提供对应的分子束，另一者采用脉冲方式提供对应的分子束，能够实现性能满足需要的InAlGaAs渐变层，避免了繁琐复杂的四元系材料校准程序，从而降低了生产成本。

可选地，t的取值等于在沉积生长InAlGaAs渐变层的过程中沉积3个原子层厚度所需要的时间。可选地，InAlGaAs渐变层的厚度在300埃至800埃的范围内。可选地，InAlGaAs渐变层的厚度在350埃至450埃的范围内。例如，InAlGaAs渐变层的厚度可以为400埃。

可选地，铝源炉采用变温方式提供对应的分子束，并且在沉积生长InAlGaAs渐变层的整个过程中，铝源炉的温度从第一温度线性降温到第一目标温度；镓源炉采用脉冲方式提供对应的分子束，并且在沉积生长InAlGaAs渐变层的整个过程中，打开镓源炉的挡板的时间段t

可选地，

在铝源炉采用变温方式提供对应的分子束，镓源炉采用脉冲方式提供对应的分子束的情况下，变温方式与脉冲方式在具体实施过程中存在配合关系，也就是如前所述，t

可选地，镓源炉采用变温方式提供对应的分子束，并且在沉积生长InAlGaAs渐变层的整个过程中，镓源炉的温度从第二温度线性升温到第二目标温度；铝源炉采用脉冲方式提供对应的分子束，并且在沉积生长InAlGaAs渐变层的整个过程中，打开铝源炉的挡板的时间段t

可选地，

以上所述中，通过限定脉冲方式下第一个周期与最后一个周期中分子束的提供时间长度以及脉冲的变化方式，可以按照预期限定InAlGaAs渐变层中的组分变化，确保渐变层材料质量以及性能达到预期设计要求。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让本领域普通技术人员能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。