[发明专利]带有隔离阴极的光电二极管阵列

说明书

本发明涉及一种光电二极管阵列以及其制造方法，所述阵列包括：磷化铟衬底(4)，在所述衬底(4)上的铟镓砷有源层(5)，位于所述衬底(4)与所述有源层(5)之间的埋入区域(8)，在所述有源层(5)上的由磷化铟制成的上层(6)，由掺杂区域(12)制成的光电二极管阳极；所述掺杂区域(12)从所述上层(6)延伸进入所述有源层(5)，而不接触所述埋入区域(8)，所述掺杂区域(12)限定出多个上层(6)的阴极区域(13)，所述阴极区域(13)通过所述掺杂区域(12)而相互隔离。

技术领域

本发明涉及光电二极管阵列，更具体地涉及具有铟镓砷(InGaAs)层和磷化铟(InP)层的光电二极管阵列；本发明还涉及该光电二极管阵列的制造方法。

背景技术

在能带隙较窄的半导体材料中制造光电二极管阵列(常用于红外光的检测)的方法之一是将能带隙较窄的有源检测层插入能带隙较宽的两个半导体材料之间。能带隙较宽的两个半导体层构成有效的保护/钝化，同时对旨在通过该光电二极管检测的辐射波长保持透明。

此外，通过适当的掺杂，有源层与两个保护/钝化层之间的两个异质结将光电电荷限制在有源检测层中，并且提高这样形成的光电二极管的量子产率。

InGaAs光电二极管是这种物理结构的典型示例。有源检测层由InGaAs材料构成，以获得根据InGaAs材料的铟和镓的组分而可调整的能带隙，适合用于在大约0.9至3μm的短波红外(SWIR)波段下工作。

磷化铟和铟镓砷具有相同的面心晶体结构。最广泛使用的组分为In_0.53Ga_0.47As。晶格尺寸(特别是晶格参数)于是与InP衬底的晶格尺寸相匹配。这种晶体兼容性使得能够在InP衬底上外延生长具有优异品质的InGaAs有源层。In_0.53Ga_0.47As的能带隙大约为0.73eV，在SWIR波段中能够检测高至1.68μm的波长。其是在例如光谱测定、夜视、废旧塑料分拣等的应用领域中越来越受关注的主题。

两个保护/钝化层通常由InP构成。更特别地，由于In_0.53Ga_0.47As组分与InP具有相同的晶格尺寸，这使得源自于环境温度的暗电流非常小。

直到目前为止，InGaAs光电二极管的最佳构造包括在N型外延InP/InGaAs/InP层上的P型锌Zn选择性掺杂区域，以构成收集电荷的光电二极管的阳极。这种构造称为“N上P(P-on-N)”。

图1显示了具有N上P构造的光电二极管的阵列1的物理结构。由InGaAs构成的有源层5夹在两个InP层之间。下层构成衬底4，在其上通过复合(complexe)MO-CVD外延而形成InGaAs层。之后通过由InP构成的薄的上层6(同样通过外延而沉积)来保护该InGaAs层。InP层通常为掺杂有硅的N型的。InGaAs有源层5可以为轻微N掺杂的或保持为几乎本征的。由此，两个InP上层/下层与InGaAs有源层5形成该阵列的光电二极管的共用阴极。

图2显示了一个InGaAs图像传感器，其包括以倒装芯片的方式连接至读出电路2的InGaAs光电二极管的阵列1。在InGaAs阵列传感器中，光电二极管阵列连接至通常由硅制成的读出电路，以读取由这些InGaAs光电二极管产生的光电信号。如图2所示，通常通过使用铟珠7的芯片倒装技术来获得这种互连。SWIR辐射9穿过在该光波段中透明的磷化铟衬底4而到达光电二极管阵列。

制备光电二极管阵列的另一解决方案是所谓的“P上N(N-on-P)”的构造，其中，在P型外延层上的收集电荷的光电二极管的阳极为N型的。然而，P型衬底难以加工，并且很难控制N型选择性掺杂。专利US8610170B2提出了图3和图4中显示的“P上N”构造的替换解决方案，其中，阴极不通过N型掺杂来形成，而是通过利用P型区域将N型层的区域隔离(isolation)来形成。