基于MOCVD系统的制作铟镓砷光电探测器芯片的渐变型锌扩散方法.pdf

本发明涉及一种基于MOCVD系统的制作铟镓砷光电探测器芯片的渐变型锌扩散方法。采用以下步骤，具体步骤如下：将未形成PN结的InGaAs PIN结构的半导体晶片清洗干净，高纯氮气吹干，MOCVD反应室升温降压清洗，将半导体晶片放置反应室中，设置反应室压力，在催化反应及保护气体存在下，扩散源为二甲基锌(DMZn)与磷烷(PH3)在高温下形成的磷化锌化合物，进行扩散，扩散完毕后，关气，反应室降温并充入氮气，升压，将完成扩散的晶片从反应室中取出。因锌在InP及InGaAs材料中的扩散规律存在很大差异，故采用渐变扩散方法。采用本发明，能使InP和InGaAs层均具有较高的载流子浓度，有良好界面，具有较好均匀性、工艺重复性好，响应度高，控制精确、适于大批量生产。

1、  基于MOCVD系统的制作铟镓砷光电探测器芯片的渐变型锌扩散方法，其特征在于具体步骤如下：
1)将InP材料和InGaAs半导体晶片清洗干净，高纯氮气吹干，
2)扩散前将MOCVD反应室升温到150℃～200℃，降压至20torr，用循环氢气对腔内进行清洗，
3)将未形成PN结的InGaAs半导体晶片放置在低压MOCVD反应室石墨台上，再将反应室关上，
4)将MOCVD反应室压力设置在200mbar到300torr之间，进行高温扩散，采用AsH₃或PH₃作为催化反应气和保护气体，扩散源材料DMZn，采用氢气作为载气带入反应室，氢气流速为7ml/Min，扩散温度为490～600℃，扩散时间为10～35分钟，DMZn与PH₃在扩散温度分解并发生有机化学反应形成磷化锌的化合物，反应式如下：
(CH₃)₂Zn+PH₃→H₃CZnPH₂+CH₄
H₃CZnPH₂→ZnPH+CH₄
ZnPH→1/3(Zn₃P₂)+1/3(P)+H
扩散分二步进行，第一步在6分钟-23分钟内采用7SCCM流量的锌源对InP材料的扩散，第二步在7分钟-12分钟内采用8SCCM流量的锌源，进行InGaAs层材料扩散，此时锌源流量渐变加大，
5)扩散完毕后，关闭载气、扩散源材料气体和保护气体，将反应室降温并充入氮气，并将反应室升压；
6)将完成扩散的晶片从反应室中取出。

基于MOCVD系统的制作铟镓砷光电探测器芯片的渐变型锌扩散方法
技术领域
本发明涉及一种基于MOCVD系统的制作铟镓砷光电探测器芯片的渐变型锌扩散方法。
背景技术
InP基InGaAs PIN光电探测器被广泛应用于光纤通讯领域，作为通讯、CATV系统、光电技术中光接收核心元件，其应用空间非常巨大。InP/InGaAs PIN探测器外延材料主要采用MOCVD方法制备，且外延结构中不包含高浓度的P型掺杂，器件制作需要的P型InP或InGaAs欧姆接触层通过各种形式的Zn扩散完成，Zn扩散的传统方法有闭管扩散法和开管扩散法，样品在封闭或开放的石英舟内，以ZnAs、ZnP饱和蒸气为扩散源，两种方法的好处是扩散设备简单，但存在以下问题：由于ZnAs、ZnP不够稳定，使得P-InP的掺杂学杂相对较低，约在1.8E+17/cm3量级；InP与InGaAs形成的界面不够清晰，容易在InP与InGaAs界面交界处堆积太多的电荷粒子，过多的电荷积累也会造成多余杂质粒子的吸收，从而导致暗电流过大；工序复杂，工艺可控性程度差；P-InP载流子浓度过低，很难实现好的欧姆接触，对于制作高线性器件受到了很大限制.
发明内容
本发明的目的是针对上述现状，旨在提供一种能使InP和InGaAs层均具有较高的载流子浓度，有良好界面，工艺重复性好，响应度高，适合于大批量生产的基于MOCVD系统的制作铟镓砷光电探测器芯片的渐变型锌扩散方法。
本发明目的的实现方式为，基于MOCVD系统的制作铟镓砷光电探测器芯片的渐变型锌扩散方法，具体步骤如下：
1)将InP材料和InGaAs半导体晶片清洗干净，高纯氮气吹干，
2)扩散前将MOCVD反应室升温到150℃～200℃，降压至20torr，用循环氢气对腔内进行清洗，
3)将未形成PN结的InGaAs半导体晶片放置在低压MOCVD反应室石墨台上，再将反应室关上，
4)将MOCVD反应室压力设置在200mbar到300torr之间，进行高温扩散，采用AsH₃或PH₃作为催化反应气和保护气体，扩散源材料DMZn，采用氢气作为载气带入反应室，氢气流速为7ml/Min，扩散温度为490～600℃，扩散时间为10～35分钟，DMZn与PH₃在扩散温度分解并发生有机化学反应形成磷化锌的化合物，反应式如下：
(CH₃)₂Zn+PH₃→H₃CZnPH₂+CH₄
H₃CZnPH₂→ZnPH+CH₄
ZnPH→1/3(Zn₃P₂)+1/3(P)+H
扩散分二步进行，第一步在6分钟-23分钟内采用7SCCM流量的锌源对InP材料的扩散，第二步在7分钟-12分钟内采用8SCCM流量的锌源，进行InGaAs层材料扩散，此时锌源流量渐变加大，
5)扩散完毕后，关闭载气、扩散源材料气体和保护气体，将反应室降温并充入氮气，并将反应室升压；
6)将完成扩散的晶片从反应室中取出。
采用本发明的渐变扩散方法，能使InP和InGaAs层均具有较高的载流子浓度，有良好界面，具有较好均匀性、工艺重复性好，响应度高，控制精确、适于大批量生产。
附图说明
图1为扩散升温示意图，
图2为InGaAs材料在一定温度下，锌扩散浓度与扩散温度的关系示意图，
图3为InP材料在一定温度下，锌扩散浓度与扩散温度的关系示意图，
图4为InP材料在535℃时，扩散源材料DMZn流量和扩散浓度的关系曲线图
图5为InP材料在535℃时，扩散时间和扩散深度的关系曲线图，
图6为InGaAs材料在535℃时，扩散深度与扩散时间的关系曲线图，
图7为中断DEZn扩散源的通入对扩散深度的影响，
图8为未形成PN结的InP基Inp/InGaAs/InP PIN结构的探测器Wafer在扩散温度535℃，恒定流量，扩散时间为30Min，ECV(电化学电容-电压测量)测试得到的载流子纵向分布图，
图9为未形成PN结的InP基Inp/InGaAs/InP PIN结构的探测器Wafer在扩散温度535℃，流量渐变，扩散时间为30Min，ECV(电化学电容-电压测量)测试得到的载流子纵向分布图。
具体实施方式
本申请人在研究中发现以下几点：
1、锌在InP及InGaAs材料中的扩散规律存在很大差异，在InP材料中容易扩散，而在InGaAs材料中锌扩散速度较慢，
2、扩散深度有一定限制，对于InGaAs PIN结构的探测器，需要InGaAs层具有较高的载流子浓度，但该流量的锌对InP层已过饱和，会形成不良影响，且在InP与InGaAs材料形成的界面不够清晰，容易在InP与InGaAs界面交界处堆积太多的电荷粒子。
为了使InP和InGaAs材料均获得较高的载流子浓度，且PN结界面清晰，本申请人通过精确计算各层材料的扩散时间，在对一定厚度的InP层扩散完成后进入InGaAs层时，渐变加大P型掺杂源锌的流量，这样作，可使得InP与InGaAs形成清晰的界面，且Zn扩散沿纵向的浓度分布很均匀。整个扩散过程浓度梯度变化很大，从低浓度突变到高浓度，然后在进入InGaAs层后，浓度呈指数衰减。InP材料的空穴浓度达到3*1018/cm3，而InGaAs材料达到2*1019/cm3以上。
本发明的具体步骤如下：
1)将InP材料和InGaAs半导体晶片清洗干净，高纯氮气吹干，
2)扩散前将MOCVD反应室升温到150℃-200℃，降压至20torr，用循环氢气对腔内进行清洗，，
3)将未形成PN结的InGaAs半导体晶片放置在低压MOCVD反应室石墨台上，再将反应室关上，
4)将MOCVD反应室压力设置在200mbar到300torr之间，进行高温扩散，采用AsH₃或PH₃作为催化反应气和保护气体，扩散源材料DMZn采用氢气作为载气带入反应室.流量计设置为7ml/Min，扩散温度为490～600℃，扩散时间为10～35分钟，DMZn或DEZn与PH₃在扩散温度分解并发生有机化学反应形成磷化锌的化合物，
扩散分二步进行，时间共计13分钟到35分钟，第一步在6分钟-23分钟内采用7SCCM流量的锌源对InP材料的扩散，第二步在进行InGaAs层材料扩散，此时锌源流量从7SCCM渐变加大到8SCCM，扩散在7分钟-12分钟内完成。
5)扩散完毕后，关闭载气、扩散源材料气体和保护气体，将反应室降温并充入氮气，并将反应室升压；
6)将完成扩散的晶片从反应室中取出。
下面参照附图，用本申请人所作的实验详述本发明：
本申请人作了扩散空穴浓度与扩散温度的关系的实验，具体是，将InP材料和InGaAs半导体晶片清洗干净，高纯氮气吹干；将反应腔打开，把待扩散的晶片放置在低压MOCVD反应室石墨台上，再将反应室关上。MOCVD反应室升温、压力设置在200mbar到300torr之间，进行高温扩散，采用PH3作为催化反应气和保护气体，
扩散源材料DMZn采用氢气作为载气带入反应室，气体流量为7ml/Min，扩散温度为490～600℃，扩散时间为10～35分钟。InP材料扩散结果见表1：
表1