半导体光接收器件及其制造方法 相关申请的交叉参考
本申请基于2003年4月15日申请的在先日本专利申请No.2003-110251并要求该申请的优先权，该申请的全部内容在这里作为参考引入。
【技术领域】
本发明涉及一种半导体光接收器件及半导体光接收器件的制造方法，该器件能够接收包括长波段和短波段的光束。
技术背景
用于光纤通信(下文称作″光通信″)的半导体光接收器件是一种将通过光纤传输的光信号转换为电信号的器件。在通过主线的长距离传输中，目前使用长波长波段光束，例如1.55微米波段或1.3微米波段。
在光通信中，把包括1.55或1.3微米波段的1微米级波段划分为长波长，而把从0.8～0.9微米的0.8微米级波段划分为短波长。
为方便起见，采用与光通信中采用的分类几乎相同的方式，根据约0.9微米的分类标准(边界线)对波长进行分类。
这种半导体光接收器件采用InGaAs/InP基材料。InGaAs/InP基材料适用于长波长波段光束。
美国专利No.6,521,968中公开了一种InGaAs/InP半导体光接收器件。该器件具有在n型InP衬底上形成的n型InP缓冲层、在缓冲层上形成的InGaAs光吸收层，以及在光吸收层上形成的n型InP覆盖层(cap layer)的层叠结构。在制造中，这些层以上述顺序层叠在n型InP衬底上。通过将p型掺杂物(例如Zn)有选择地扩散到n型InP覆盖层地光接收部分的区域中形成p型层。在n型InP覆盖层上形成例如SiN的保护层。在p型层上形成例如SiN的防止光反射层。
在p型层的周边区域形成环状电极。在n型InP衬底的下表面上形成另一个电极。
在半导体光接收器件中，当在InGaAs光吸收层和p型层的pn结上施加反向偏压时，入射光信号在耗尽层被吸收。结果是，在耗尽层中产生电子和空穴，这样，通过电场引起的电子和空穴漂移来探测光电流。n型InP覆盖层的带隙比InGaAs光吸收层的带隙更大。这是为了防止在耗尽层产生的少数载流子与光电流的分摊比(contributoryrate)由于受到少数载流子重组的影响而降低。n型InP覆盖层的一部分转变为p型以形成p型层。
因此，半导体光接收器件采用具有由InP的带隙限定的比约0.92微米更长的波长和由InGaAs的带隙限定的比约1.67微米更短的波长的光束工作。实际上半导体光接收器件具有相对1.0～1.6微米波长范围的光束的灵敏度，这样，该器件具有的特性足够覆盖用于长距离传输的常规光通信中的波长。近年来，对传输大量信息，例如图片图像的需求日益增长。
能够从几百米至几千米长距离传输信息的高速网络是标准化的。长距离传输基于用于主线系统的光通信技术，并且采用长波长，例如1.55或1.3微米波段。短距离传输采用0.85微米波段的短波长。
为了推广光通信网络，要求半导体光接收器件不但可以接收长波长波段光束而且可以接收短波长波段光束，并且形成在壳体内。此外，存在一个问题：由于其相对短波长波段光束的灵敏度受限于对应于在光入射侧表面形成的p型InP层(窗口层)的带隙的0.92微米波长，所以这种InGaAs/InP半导体光接收器件很难接收0.85微米波段的短波长光束。
为了避免这种问题，在日本专利公开(kokai)No.2231775中提出了一种半导体光接收元件。该元件具有厚度小于0.1微米的InP覆盖层，这样，在实际应用中光束可以通过InP覆盖层传输，尽管部分入射光束(例如0.7～0.8微米波段)被InP覆盖层吸收。但是，当偏置电压超过5V时，半导体光接收元件存在暗电流量增加的问题。
在日本专利No.2860695中提出了另一种半导体光接收元件。在该元件的制造中，在InP覆盖层内掺杂了非常少量的Al(铝)，以便扩大覆盖层的带隙。因而，减小了覆盖层的光吸收系数，并且降低了入射光的吸收，从而增加了元件的接收光灵敏度。尽管接收光灵敏度趋于增加，但仍存在接收光灵敏度不足的问题。
综上所述，美国专利No.6,521,968的半导体光接收器件很难接收低于0.9微米的短波长波段光束。日本专利公开(kokai)No.2231775的半导体光接收元件存在暗电流增加的问题。此外，日本专利No.2,860,695的半导体光接收元件存在接收光灵敏度不足的问题。
【发明内容】
根据本发明的一个方面，提供一种半导体光接收器件，该器件包括一个半导体衬底；一个第一导电型的光吸收层，其在半导体衬底的半导体表面区域上形成，用来吸收包括第一波长波段的光束和包括具有比第一波长波段的波长更短的波长的第二波长波段的光束；一个第一导电类型覆盖层，其形成于光吸收层之上；一个第二导电类型区域，其在覆盖层上形成，用来传输包括第二波长波段的光束；和在半导体表面与覆盖层和光吸收层相邻的区域上形成的光收集层，该光收集层中的至少一部分表面具有带曲率的凸起形状，以将包括第二波长波段的光束传输和收集到光吸收层。
根据本发明的另一方面，提供一种制造半导体光接收器件的制造方法，该方法包括：在半导体衬底的半导体表面区域形成第一导电类型的光吸收层，该吸收层吸收包括第一波长波段的光束和包括具有比第一波长波段的波长更短的波长的第二波长波段的光束；在光吸收层上形成第一导电类型的覆盖层；在半导体衬底表面与覆盖层和光吸收层相邻的区域上形成半导体层，用来传输包括第二波长波段的光束；通过将产生第二导电类型的杂质引入覆盖层，在覆盖层中形成第二导电类型区域；通过处理半导体层形成光收集层，在该光收集层的至少一部分表面中形成一个具有带曲率的凸起形状，以将包括第二波长波段的光束传输和收集到光吸收层。
附图简述
图1示出根据本发明的半导体光接收器件的第一实施例的横截面示意图；
图2示出根据本发明的半导体光接收器件的第一实施例的更小比例的示意性的平面视图；
图3A～3E示出依照根据本发明的半导体光接收器件的制造方法的第一实施例制造的半导体光接收器件的横截面示意图；
图4示出根据本发明的半导体光接收器件第二实施例的横截面示意图。
发明详述
下面将参照附图更详细地描述本发明的实施例。
下面将参照附图1和2说明根据本发明第一实施例的半导体光接收器件。图1示出半导体光接收器件的横截面示意图。图2以图1约五分之一的比例示出半导体光接收器件的示意性平面视图。图1为沿图2中的线A-A截取的放大截面图。
在图1中，半导体光接收器件1为InGaAs/InP基。一种载流子浓度为1-5E18/cm3并且厚度为2-3微米的n型InP缓冲层12完整地形成在作为半导体衬底11的n型InP衬底11的上主表面上。衬底11的载流子浓度为1-7E18/cm3。n型InP缓冲层12组成半导体衬底的半导体表面区域。载流子浓度为0.8-2E15/cm3并且厚度为约1微米的InGaAs光吸收层13有选择地形成在缓冲层12的部分表面上。载流子浓度为1-5E15/cm3并且厚度为3微米的n型InP覆盖层14形成在光吸收层13上。
通过将p型掺杂物，例如锌(Zn)有选择地扩散到n型InP覆盖层14的区域中，形成载流子浓度为1-10E19/cm3的p型区域15，作为第二导电类型区域。p型区域15用作组成器件1的光接收部分的窗口层，以接收包括长波长波段的光束。第一防止光反射膜18(例如SiN)形成在p型层15上。保护层16(例如SiN)形成在n型InP覆盖层14上。膜18厚度为0.2微米或者更小，并且膜16厚度为0.3微米。
在n型InP缓冲层12的部分表面上提供GaAlAs光收集层27，该光收集层27与InGaAs光吸收层13的侧面以及n型InP覆盖层14的狭窄部分14a相邻放置并且与其接触。GaAlAs光收集层27具有将包括短波长波段的入射光收集到InGaAs光吸收层13的有曲率的凸起形状。防止光反射膜21(例如SiN)形成在GaAlAs光收集层27上。防止光反射膜21厚度为0.08-0.12微米。保护膜23形成在n型InP缓冲层12的表面暴露部分上。保护膜22由例如第二防止光反射膜21的材料形成。
如图1和2所示，含有金(Au)作为主要成分的环状电极19通过第一防止光反射膜的环状开口18形成在p型层15表面的周边区域。环状电极19具有在保护膜16上延伸并连接到焊线的焊接区部分19a。另一个含有金(Au)作为主要成分的片状电极20形成在与n型InP衬底11上主表面相对的下主表面上。在本实施例中，与第一防止光反射层18对应，光接收部分的直径例如为30微米。环状电极19的宽度例如为5微米，并且围绕第一防止光反射膜18。第二防止光反射膜21在平面方向的宽度例如为5微米，设置在环状电极19的外面。
与上述半导体光接收器件具有相同结构的半导体光接收器件的制造方法将在下文参照图3A～3E进行说明。图3A～3E示出根据该方法的半导体光接收器件的横截面示意图。
在图3A中，载流子浓度为1-7E18/cm3的n型InP衬底11放置在MOCVD(金属有机化学气相沉积)装置上。通过MOCVD，在n型InP衬底11上生长载流子浓度为1-5E18/cm3并且厚度为2-3微米的n型InP缓冲层12。
通过MOCVD，在缓冲层12的部分表面有选择地生长InGaAs光吸收层13。InGaAs光吸收层13的晶格与缓冲层12的晶格相匹配。InGaAs光吸收层13的载流子浓度为0.8-2E15/cm3并且厚度约为1微米。通过MOCVD，在光吸收层13上生长载流子浓度为1-5E15/cm3并且厚度为3微米的n型InP覆盖层14。在这些步骤之后，从MOCVD装置中取出n型InP衬底11。为了从图3A中的器件的右侧端延伸，在n型InP覆盖层14的部分表面上形成光阻层31。光阻层31覆盖包括将形成pn结和焊接区的表面。有选择地清除n型InP覆盖层14和InGaAs光吸收层到一个深度，该深度延伸到n型InP缓冲层12的表面。在用光阻层31作为掩模的情况下，层13和14采用干式蚀刻或用氯化氢(HCl)基液态化学制品湿式蚀刻的方法有选择地清除。
在清除光阻层31之后，在整个表面上形成SiO2膜。在SiO2膜上形成光阻层掩模。利用光阻层掩模有选择地清除SiO2膜。然后，清除光阻层掩模。如图3B所示，从而在n型InP覆盖层14的部分表面上形成从图3A中的右侧端延伸的SiO2掩模32，再次将n型InP衬底11放置在MOCVD装置中。在n型InP缓冲层12表面的暴露部分有选择地生长GaAlAs层26，该层26与n型InP覆盖层14的表面基本上一致，并且与n型InP覆盖层14和InGaAs光吸收层13的侧表面接触。从MOCVD装置中取出n型InP衬底11。在此步骤之后，清除SiO2掩模32。
如图3C所示，通过使用例如公知的CVD(化学汽相沉淀)方法，在n型InP覆盖层14和GaAlAs层26上形成厚度为0.2微米的保护层16，例如SiN。在此步骤之后，在保护膜16的区域上形成开口。通过使用公知的热扩散方法将作为p型掺杂的锌(Zn)有选择地扩散到n型InP覆盖层14的表面来形成作为第二导电类型区域的p型区 域15。实施该热扩散，使得当pn结到达InGaAs光吸收层13时锌(Zn)的扩散停止。
在此步骤之后，如图3D所示，第一防止光反射膜18(例如SiN)沉积在p型层15和保护膜16上。膜18厚度为0.2微米。环状开口18a形成在第一防止光反射层18上。形成具有用于采用垂直发射方法的图案的光掩模，并且通过例如气相沉积的方法，沉积出含有金(Au)作为主要成分的导电膜。此外，在清除光掩模的情况下，清除导电膜中不必要的部分，这样，形成与p型层15接触的环状电极19。电极19以例如直径约30微米的围绕第一防止光反射膜18的周边的环状形状形成。此外，形成电极19，该电极19具有作为环状体的一部分在保护膜16上部区域之上延伸的焊接区部分19a。在此步骤之后，用化学机械抛光(CMP)抛光和清除n型InP衬底11背部表面，使得衬底11具有120～200微米的厚度和反射镜表面。通过气相沉积形成含有金(Au)作为主要成分的导电膜，并且进行热处理，这样，形成片状电极20。通过这种热处理，分别获得电极19和20的电阻接触。
光阻层33覆盖例如保护膜16、第一防止光反射膜18和电极19的整个表面。在光阻33中形成一个开口，并且清除在GaAlAs层26上形成的从衬底11左侧延伸到左边距n型覆盖层14左侧5微米处的光阻层的部分。用光阻层33作为掩模，垂直于衬底11的表面依次清除在图3D中用虚线示出的保护膜16和GaAlAs层26的部分。在此步骤之后，光阻层33作为一个整体被清除。如图3E所示，在保护膜16、第一防止光反射膜18和电极19的整个表面上形成光阻层图案34。用光阻层34作为掩模清除形成在GaAlAs层26上的保护膜16，这样，暴露出GaAlAs层26。
用光阻层34作为掩模，通过采用硫磺酸基化学制品的各向同性蚀刻来蚀刻GaAlAs层26，从而形成具有凸透镜状部分的GaAlAs光收集层27。光收集层27具有曲面，该曲面具有凸起形状和曲率，GaAlAs层26要蚀刻的部分越靠近GaAlAs层26的拐角处，其蚀刻速率变得越大。凸起形状的曲率根据蚀刻条件变化。在图3B中示出的步骤中，GaAlAs层26可以生长得更厚或更薄以获得图3E中示出的步骤中的GaAlAs层26的所需形状。
在此步骤之后，如图1所示，例如形成光阻层来覆盖包括保护层16、第一防止光反射层18和电极19的区域。在整个表面上形成例如0.08～0.12微米厚的氮化硅(SiN)。在此步骤之后，清除光阻层和在光阻层上形成的SiN，从而完成如图1所示的半导体光接收器件。剩余的SiN膜包括第二防止光反射层21和在n型InP缓冲层12上形成的保护层22。
根据上述实施例的半导体光接收器件具有可以分别接收通过p型区域1 5的包括长波长波段的光束和通过GaAlAs光收集层27的包括短波长波段的光束的结构。包括长波长波段和短波长波段的光束通常在InGaAs光吸收层13被吸收。
换句话说，如图1所示，包括长波长波段例如1.55微米或1.3微米波长的光束可以通过第一防止光反射膜18和p型区域15入射，例如沿基本上垂直于n型InP衬底11的方向(在图1中用箭头示出)。入射光到达p型区域15和光吸收层13，从而将入射光转换为电能。
另一方面，包括短波长波段例如0.85微米波长的光束可以通过第二防止光反射膜21入射，例如沿从基本上垂直于n型InP衬底11的方向倾斜几十度的倾斜方向(在图1中用箭头示出)入射。入射光穿过GaAlAs光收集层27到达光吸收层13，从而将入射光转换为电能。GaAlAs光收集层27的带隙可以根据Ga和As的成分比率而变化。但是，GaAlAs光收集层27的带隙比n型覆盖层14的带隙更大。例如，当与GaAlAs光收集层27的带隙对应的波长设为0.75微米时，包括短波长波段例如0.85微米波长的光束几乎不被光收集层27吸收，并且可以传输到光吸收层13。GaAlAs光收集层27形成凸透镜形状。以使光收集层27可以收集入射光，并且有效地将光传输到光吸收层13，从而可以获得足够的入射光转化效率。
p型区域15用作窗口层，以通过包括长波长波段的光束来抑制载流子的表面重组。通过防止由于在n型InGaAs光吸收层13中产生的少数载流子的重组而引起的转化效率的降低来保持足够的转化效率。
此外，当覆盖层14或p型区域15(窗口层)很薄时，由于强电场的产生而产生暗电流增加的问题。p型区域15可以具有足够的厚度以防止这样的问题。pn结的结构可以与常规半导体光接收器件的结构相同，使得pn结的面积或容量几乎不增加，从而可以获得甚至10Gbps的传输速度。
p型区域15用于通过包括长波长波段的光束和包括短波长波段的光束来抑制载流子的表面重组。通过防止由于在n型InGaAs光吸收层13中产生的少数载流子的重组而引起的转化效率的降低来获得高转化效率。
根据本实施例的半导体光接收器件可以通过仅仅在常规器件的结构上增加狭边宽度约5微米的光收集层27而制成。因而，半导体光接收器件1的尺寸几乎没有变化，从而可以使用常规封装衬底来安装半导体光接收器件1。
由于包括短波长和长波长波段的光束可以分别从n型InP衬底11的主表面侧入射，与一束光从衬底11背面入射的情况相比，半导体光接收器件更容易制造。
GaAlAs光收集层27的右侧与p型区域15不直接接触，但是，与n型InP覆盖层14的狭窄区域14a接触。因而，可以抑制漏电流的产生。
下面将参照图4说明根据本发明第二实施例的半导体光接收器件。图4示出半导体光接收器件的横截面图。对于第二实施例中的每个部分，与图1所示的第一实施例相同的部分用同样的附图标记表示。
第二实施例与第一实施例不同之处在于，在n型InP缓冲层12与GaAlAs光收集层27之间形成InAlAs中间层25，并且中间层25具有在缓冲层12与光收集层27的晶格常数之间的晶格常数。
如图4所示，在GaAlAs光收集层和在n型(第一导电类型)InP衬底11上形成的n型InP缓冲层12之间形成厚度约为0.1微米的InAlAs中间层25。例如，InAlAs中间层25的晶格常数为0.575nm，在n型InP缓冲层12的晶格常数0.587nm与GaAlAs光收集层27的晶格常数0.566nm之间。
下面将说明图4的半导体光接收器件2的制造方法。在第一实施例中图3A的步骤之后，通过蚀刻有选择地清除n型InP覆盖层14和n型InGaAs光吸收层13，并且随后如图3B中的步骤所示，清除光阻层3 1。在此步骤之后，在n型InP覆盖层14从衬底11的右侧延伸的表面部分上形成例如SiO2掩模。将衬底11放置在MOCVD装置中。在n型InP缓冲层12的部分表面上生长例如晶格常数为0.575nm的InAlAs中间层25，该晶格常数在n型InP缓冲层12的晶格常数0.587nm与GaAlAs光收集层27的晶格常数0.566nm之间。中间层25厚度为约0.1微米。
此外，在InAlAs中间层25上形成GaAlAs层26。GaAlAs层26具有几乎与n型InP覆盖层14的表面一致的表面，并且与n型InP覆盖层14和InGaAs光吸收层13的侧面接触。将n型InP衬底11从MOCVD装置中取出，并且清除SiO2掩模32。在此步骤之后，根据与从第一实施例图3C开始的步骤相同的步骤完成图4的器件。
根据第二实施例的半导体光接收器件表现出与上述第一实施例的优点相似的优点。此外，根据第二实施例的半导体光接收器件还表现出不同于第一实施例的优点的其它优点，例如，通过在n型InP缓冲层12与GaAlAs光收集层27之间插入InAlAs中间层25，使由于晶格不均匀性引起的变形减弱。
因而，可以减少GaAlAs层26的晶格缺陷，从而可以提高光收集层27的光传输速率，并且可以在加工GaAlAs层26以形成凸透镜状形状时防止异常表面粗糙度的产生。
本发明不仅仅限于第一和第二实施例，而是包括在本发明范围和精神内的各种改进。
在实施例中，GaAlAs基材料用于收集0.8～0.9微米短波长波段的光束，因为光束在材料中的吸收和传输取决于光束的波长是否比与材料的带隙相应的波长更长或更短。例如，可以用材料InAlAs、InAlP或InGaP作为代替GaAlAs基材料的材料，以避免带隙限制。由包括Al、Ga和In的3元素基中的至少一个和包括As、P的5元素基中至少一个组合而成可表示为AlxGayIn1-x-yAszP1-z(0＝x，y，x+y，z＝1)的化合物可以用于光收集层27。
在第二实施例中，为了获得晶格的均匀性，示出了一种代表性的方法，该方法在GaAlAs光收集层27和n型InP缓冲层12之间提供中间层25。中间层25的晶格常数在光收集层27和缓冲层12的晶格常数之间。代替提供中间层25，化合物的组合比，例如3元素基的组合比可以逐渐地变化，以在图3B的步骤中以MOCVD生长光收集层26。通过改变组合比，晶格常数间隙可以在光收集层27和缓冲层12之间有效地减弱。例如，GaAlAs层可以从GaAs的生长开始，在MOCVD中增加Al的量并且减少Ga的量而形成。
在这种情况下，光收集层衬底侧的部分的晶格常数可以与光吸收层其它部分的晶格常数不同，并且可以在其它部分的晶格常数和衬底(或形成在衬底上的缓冲层12)的晶格常数之间。GaAlAs光收集层27或InAlAs中间层25可以包含提供n导电类型的杂质。可以在光收集层的至少部分表面形成凸起曲面，以收集光束。
在实施例中，在InP缓冲层、光吸收层13和覆盖层14形成在n型InP衬底11的上表面之后，生长传输短波长波段的光束的光收集层27。通过有选择地蚀刻来清除层13和14。代替采用这种步骤，可以在掩模例如SiO2存在时，在n型InP衬底上有选择地生长缓冲层、光吸收层和覆盖层，并且此后清除掩模，在掩模例如SiO2存在于覆盖层上时，有选择地生长中间层和光收集层。
此外，在上述方法中，缓冲层可以形成在衬底的整个表面上，并且在掩模例如SiO2存在时，只有光吸收层和覆盖层可以有选择地生长在缓冲层上。
上述实施例示出采用1.55微米或1.3微米的长波长波段和0.85微米的短波长波段的光束的情形。与根据这些实施例的半导体光接收器件相同的原理还可以应用于对如0.78微米或0.65微米的短波长波段具有灵敏度的半导体光接收器件。入射光可以是同时包括短波长和长波长波段的一束光束和分别具有短波长和长波长波段的两束光束。即使当本发明应用于雪崩光电二极管时，也可以获得与光电二极管的优点相同的优点。即使当每个入射光束同时包括短波长和长波长波段时，根据这些实施例的半导体光接收器件也可以工作。入射光束可以是同一光束。
本发明的实施例可以提供一种半导体光接收器件和器件的制造方法，该器件能够接收包括长波长波段至短波长波段的光束、抑制暗电流并且表现出足够的接收灵敏度。