具有汇聚增强功能的蘑菇型高速光探测器及其制备方法

摘要

本发明公开了一种具有汇聚增强功能的蘑菇型高速光探测器及其制备方法，涉及光电子技术领域。所述蘑菇型高速光探测器包括由下至上依次形成的硅衬底层、氧化硅衬底层、非周期亚波长光栅层、树脂层、n型外延层、本征层、p型外延层，以及n型接触电极和p型接触电极。所述制备方法包括刻蚀形成非周期亚波长光栅；外延生长Ⅲ-Ⅴ族PIN光探测器外延片；采用键合工艺混合集成光探测器外延片和非周期亚波长光栅；最后通过选择性刻蚀工艺实现蘑菇型台面结构。本发明能够广泛用于光通信及光信号处理等领域，具有易于集成、高量子效率、高频率响应带宽等特点；同时相关工艺具有低成本、工艺简单、易于实现等优点。

权利要求

1.具有汇聚增强功能的蘑菇型高速光探测器，其特征在于：包括由下至上依次形成的硅衬底层、氧化硅衬底层、非周期亚波长光栅层、树脂层、n型外延层、本征层、p型外延层，以及形成在n型外延层上的n型接触电极和形成在p型外延层上的p型接触电极；

其中，所述n型外延层、本征层、p型外延层共同组成蘑菇型台面结构，所述的本征层的面积小于p型外延层的面积，同时小于n型外延层的面积；所述p型外延层的面积小于n型外延层的面积；

所述非周期亚波长光栅层包括由高折射率材料制成的具有特定图案的光栅，所述特定图案为一维非周期图案、二维非周期图案或三维非周期图案；

所述一维非周期性图案的光栅为周期和占空比随位置改变的条状光栅；所述二维非周期性图案的光栅为周期和占空比随位置改变的同心环光栅或图形阵列光栅；所述三维非周期性图案的光栅为周期、占空比和光栅高度都随位置改变的光栅；

所述同心环形光栅所占区域直径为300μm，光栅的相位差分布 满足：

其中λ是入射光波长,f是光栅焦距, 是r＝0处的相位值，r为一个变量，表示同心圆环光栅平面上任意点到圆心的距离；当光栅的相位差分布满足上式时，光栅实现光的汇聚；

所述非周期亚波长光栅层中的光栅周期在100nm～1.6μm之间，占空比为15％～85％；光栅厚度为100～800nm，光栅反射率大于30％。

2.一种利用亚波长光栅实现汇聚增强功能的蘑菇型高速光探测器的制备方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：S1，在具有高折射率差的衬底上刻蚀形成非周期亚波长光栅；所述的具有高折射率差的衬底为SOI衬底，由底层Si、SiO2和顶层Si三层结构组成，非周期亚波长光栅制作在顶层Si上；

S2，在Ⅲ-Ⅴ族半导体材料衬底上外延生长Ⅲ-Ⅴ族PIN光探测器外延片；

利用MOCVD或MBE设备在InP衬底上外延生长InGaAs光探测器外延片，外延生长温度保持在600℃到700℃，具体为：首先生长1μm InP缓冲层，然后依次生长200nm InGaAs p型接触层、240nm InP刻蚀停止层、500nm InGaAs吸收层、450nm InP空间层、40nm InGaAs刻蚀停止层、200nm InP n型接触层、50nm InGaAs刻蚀停止层，最后生长200nm InP缓冲层；

S3，采用键合工艺混合集成Ⅲ-Ⅴ族PIN光探测器外延片和非周期亚波长光栅，得到集成样品；所述键合工艺包括：直接键合、SiO2-SiO2键合、Au/In键合、苯并环丁烯晶片键合或溶胶-凝胶晶片键合；当采用苯并环丁烯晶片键合工艺时，退火温度为150～350℃，退火时间为1～4小时；

S4，通过选择性刻蚀工艺实现蘑菇型台面结构，制备蘑菇型高速光探测器，具体为：通过去离子水、酒精、丙酮对集成样品进行清洗；

经过光刻处理，利用磁控溅射系统制作出Pt-Ti-Pt-Au的p型接触电极；

通过光刻及湿法腐蚀方法制作出直径为42μm的圆形上台面，作为p型外延层，对InP和InGaAs材料的湿法腐蚀，分别使用了HCl/H3PO4腐蚀液和H2SO4/H2O2/H2O腐蚀液，腐蚀停止到n型接触层；

利用H2SO4/H2O2/H2O腐蚀液选择性腐蚀InGaAs吸收层，得到本征层，形成蘑菇型台面结构；

经过光刻处理和磁控溅射制作出n型接触电极，并腐蚀出直径62μm的圆形下台面，作为n型外延层；

对上述处理的集成样品用聚酰亚胺进行钝化，在集成样品表面形成一个钝化层，在所述钝化层上开孔，并利用磁控溅射设备制作Ti-Au引出电极，各引出电极通过钝化层中的开孔与n型接触电极和p型接触电极电连接，将外部电信号传导给各接触电极。

说明书

具有汇聚增强功能的蘑菇型高速光探测器及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及光电子技术领域，特别涉及一种利用亚波长光栅实现汇聚增强功能的蘑菇型高速光探测器及其制备方法。

背景技术

[0002] 随着信息化时代的到来，各种通信业务呈现“爆炸式”发展。人们对海量数据的长距离传输和宽带移动接入的需求与日俱增，社会对信息资源的依赖性越来越强。因为光通信系统和网络的变革往往取决于器件物理与器件工艺的突破，所以面对高速光通信业务持续增长所带来的严峻挑战，有效提高系统中关键光电子器件的性能成为当前的首要问题。

[0003] 高速高量子效率光探测器是高速光通信系统中关键的光接收器件。虽然传统结构的垂直型PIN光探测器能够满足高速光通信的带宽要求，但是由于垂直型PIN光探测器固有的效率带宽积的限制，带宽的提高会直接导致器件效率的下降。为了在满足带宽要求的同时提高器件的效率，改善垂直型PIN光探测器固有的效率带宽积限制对器件性能的不利影响，人们提出了谐振腔增强型(RCE)光探测器。RCE光探测器是由Katsumi Kishino和M.Selim 提出的。它的基本结构是将吸收层插入到谐振腔中，由于谐振腔的增强效应，此类器件在较薄吸收层的情况下既可以获得较高的量子效率，同时也减少了光生载流子在吸收层的渡越时间，因而能够同时获得高的量子效率和高的响应速度。但是，用于光通信系统的半导体器件主要以InP系材料为主，与InP晶格匹配的InP系材料之间的折射率差比较小，很难获得实用的分布布拉格反射镜(DBR)；此外，光通信器件主要以Ⅲ-Ⅴ族半导体器件为主，与基于CMOS工艺的硅基光子或电子器件的集成仍然存在困难。

[0004] 为了满足高速光通信对于器件带宽和效率越来越高的要求，目前急切需要设计一种高性能的新型光探测器。

发明内容

[0005] 本发明为了解决现有技术中半导体光探测器量子效率和频率响应带宽的相互制约的问题，对现有垂直型PIN光探测器进一步改进，设计了一种基于Si材料混合集成的，且具备高速高量子效率的光探测器——一种利用亚波长光栅实现汇聚增强功能的蘑菇型高速光探测器及其制备方法。

[0006] 本发明提供的一种利用亚波长光栅实现汇聚增强功能的蘑菇型高速光探测器，包括由下至上依次形成的硅衬底层、氧化硅衬底层、非周期亚波长光栅层、树脂层、n型外延层、本征层、p型外延层，以及形成在n型外延层上的n型接触电极和形成在p型外延层上的p型接触电极。

[0007] 其中，所述n型外延层、本征层、p型外延层共同组成蘑菇型台面结构，所述的本征层的面积小于p型外延层的面积，同时小于n型外延层的面积；所述p型外延层的面积小于n型外延层的面积；

[0008] 其中，所述非周期亚波长光栅层包括由高折射率材料制成的具有特定图案的光栅。

[0009] 其中，所述特定图案为一维非周期图案、二维非周期图案或三维非周期图案。

[0010] 优选地，所述一维非周期性图案的光栅为周期和占空比随位置改变的条状光栅；所述二维非周期性图案的光栅为周期和占空比随位置改变的同心环光栅或图形阵列(圆点、矩形或其他图案形成的点状阵列)光栅；所述三维非周期性图案的光栅为周期、占空比和光栅高度都随位置改变的光栅。

[0011] 优选地，所述非周期亚波长光栅层中的光栅周期在100nm～1.6μm之间，占空比为15％～85％；光栅反射率大于30％。

[0012] 本发明还提供一种利用亚波长光栅实现汇聚增强功能的蘑菇型高速光探测器的制备方法，所述方法包括步骤：

[0013] S1，在具有高折射率差的衬底上刻蚀形成非周期亚波长光栅；

[0014] S2，在Ⅲ-Ⅴ族半导体材料衬底上外延生长Ⅲ-Ⅴ族PIN光探测器外延片；

[0015] S3，采用键合工艺混合集成Ⅲ-Ⅴ族PIN光探测器外延片和非周期亚波长光栅；

[0016] S4，通过选择性刻蚀工艺实现蘑菇型台面结构，制备蘑菇型高速光探测器。

[0017] 优选地，步骤S1中，所述的具有高折射率差的衬底为SOI衬底，由底层Si、SiO2和顶层Si三层结构组成，非周期亚波长光栅制作在顶层Si上。

[0018] 优选地，步骤S2中，利用MOCVD(金属有机化合物化学气相沉积)或MBE(分子束外延)设备在InP衬底上外延生长InGaAs光探测器。

[0019] 优选地，外延生长温度保持在600℃到700℃。

[0020] 优选地，步骤S3中，所述键合工艺包括：直接键合、SiO2-SiO2键合、Au/In键合、苯并环丁烯晶片键合和溶胶-凝胶晶片键合。

[0021] 优选地，当采用苯并环丁烯晶片键合工艺时，退火温度为150～350℃，退火时间为1～4小时。

[0022] 本发明提出了一种混合集成的光探测器结构，解决了传统半导体光探测器量子效率和频率响应带宽的相互制约，能够广泛用于光通信及光信号处理等领域，器件具有易于集成、高量子效率、高频率响应带宽等特点；同时相关工艺具有低成本、工艺简单、易于实现等优点。

附图说明

[0023] 图1为本发明的基于亚波长光栅的具有汇聚增强功能的蘑菇型高速光探测器结构示意图；

[0024] 图2为本发明的光探测器中一维非周期亚波长光栅示意图，光栅图案为条形，适用于TE/TM偏振光；

[0025] 图3为本发明的光探测器中二维非周期亚波长光栅示意图，光栅图案为同心圆环，适用于轴向/角向偏振光；

[0026] 图4为本发明的光探测器中二维非周期亚波长光栅示意图，光栅图案为矩形阵列，此光栅偏振不敏感；

[0027] 图5为本发明的亚波长光栅结构示意图；

[0028] 图6a～图6f为本发明的蘑菇型光探测器后工艺制作流程图。

具体实施方式

[0029] 下面将结合本发明实施例和附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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做出创造性劳动的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。

[0030] 首先，参见图1，本发明的具有汇聚增强功能的蘑菇型高速光探测器，包括由下至上依次形成的硅衬底层1、氧化硅衬底层2、非周期亚波长光栅层3、树脂层4、n型外延层7、本征层8、p型外延层9，以及形成在n型外延层7上的n型接触电极5和形成在p型外延层9上的p型接触电极6，所述的本征层8的面积小于p型外延层9的面积，同时小于n型外延层7的面积；所述p型外延层9的面积小于n型外延层7的面积。其中，所述非周期亚波长光栅层3包括由硅材料制成的具有特定图案的非周期亚波长光栅。所述n型外延层7、本征层8和p型外延层9共同构成蘑菇型高速光探测器。

[0031] 本发明中将上层蘑菇型高速光探测器与非周期亚波长光栅集成在一起，由于材料间具有较大折射率差(Si的折射率为3.5，SiO2的折射率为1.45)，可获得与CMOS工艺兼容的纳米尺度高折射率差亚波长光栅；利用非周期亚波长光栅的反射汇聚特性，使入射光通过吸收区(本征层8)后被非周期亚波长光栅反射并聚焦于吸收区，实现吸收增强，提高光探测器的外量子效率。

[0032] 再参见图2～图4，本发明中的非周期亚波长光栅层3的光栅图案可以是一维、二维或三维图形。具体地，图2为一维非周期亚波长光栅的图案示例，光栅图案为条形，适用于TE/TM偏振光；图3为二维非周期亚波长光栅的示例，光栅图案为同心圆环，适用于轴向/角向偏振光；图4为二维非周期亚波长光栅的示例，光栅图案为矩形阵列，此光栅偏振不敏感。优选地，所述非周期亚波长光栅层中的光栅周期在100nm～1.6μm之间，占空比为15％～
85％，光栅厚度为100～800nm，光栅反射率大于30％。如图5，所述非周期亚波长光栅是指每组光栅周期内的凸起和凹槽的宽度之和均不相同，所述光栅周期是指光栅结构中每一组凸起与凹槽的宽度之和。

[0033] 本发明还提供一种具有汇聚增强功能的蘑菇型高速光探测器的制备方法，主要采用键合工艺实现混合集成光电子器件，具体地，将硅基非周期亚波长光栅与Ⅲ-Ⅴ族半导体材料器件通过键合工艺混合集成。完整制备步骤包括：

[0034] 第一阶段，在SOI衬底上刻蚀非周期亚波长光栅；

[0035] 第二阶段，在Ⅲ-Ⅴ族半导体材料衬底上外延生长Ⅲ-Ⅴ族半导体材料的蘑菇型高速光探测器；

[0036] 第三阶段，采用键合工艺混合集成蘑菇型高速光探测器n外延层和SOI基非周期亚波长光栅；所述的键合工艺包括直接键合、SiO2-SiO2键合、Au/In键合、苯并环丁烯(BCB)晶片键合和溶胶-凝胶晶片键合等在内的实现硅基非周期亚波长光栅和蘑菇型高速光探测器混合集成的方法。当利用苯并环丁烯(BCB)晶片键合工艺实现硅基非周期亚波长光栅和蘑菇型高速光探测器混合集成时，退火温度为150～350℃，退火时间为1～4小时。

[0037] 第四阶段，通过选择性刻蚀工艺实现蘑菇型台面结构，制备具有汇聚增强功能的蘑菇型高速光探测器。

[0038] 以下进一步以图3中的非周期性的同心环光栅、外延生长InGaAs(铟砷化镓，亦被称为砷化铟镓)光探测器、以及通过苯并环丁烯(BCB)晶片键合工艺集成为例，说明本发明的基于亚波长光栅的具有汇聚增强功能的蘑菇型高速光探测器的制备方法，该方法具体包括步骤：

[0039] 第一步，制备非周期同心环形SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)非周期亚波长光栅：

[0040] SOI衬底包括硅衬底层1、氧化硅衬底层2和顶层硅层，所述的非周期亚波长光栅层3制作在顶层硅层上，SiO2层厚度为500nm，顶层Si的厚度为500nm。

[0041] 设计平面非周期亚波长光栅图案，其中非周期同心环形图案所占区域直径(即最外圈圆环的外圆直径)为300μm；光栅结构参数由严格耦合波分析法(RCWA)仿真计算，并确定具体的光栅结构参数，要求光栅的相位差分布 满足：

[0042]

[0043] 其中λ是入射光波长,f是光栅焦距, 是r＝0处的相位值，r为一个变量，表示同心圆环光栅平面上任意点到圆心的距离。当光栅的相位差分布满足上式时，光栅可以实现光的汇聚。

[0044] 设定入射光波长为1.55μm，光栅焦距为6μm时，从同心圆环光栅的圆心向外，每一组凸起与凹槽作为一个光栅周期，参见图5，给出部分光栅结构参数：第一组光栅周期为0.73μm，槽宽为0.6μm；第二组光栅周期为0.66μm，槽宽为0.4μm；第三组光栅周期为0.81μm，槽宽为0.16μm；第四组光栅周期为0.7μm，槽宽为0.14μm；……

[0045] 采用ZEP520正性电子抗蚀剂作为电子束光刻胶，利用电子束曝光设备在顶层硅层上制作光栅掩膜图案；

[0046] 利用ICP干法刻蚀制作非周期亚波长光栅，光栅厚度由顶层Si厚度决定(500nm)；

[0047] 最后，去除ZEP520正性电子抗蚀剂。

[0048] 第二步，生长InGaAs(铟砷化镓，亦被称为砷化铟镓)光探测器外延片：

[0049] 利用MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备在InP(磷化铟)衬底上生长InGaAs光探测器外延片；

[0050] 具体地，生长温度保持在650℃，首先生长1μm InP缓冲层，然后依次生长200nm InGaAs p型接触层、240nm InP刻蚀停止层、500nm InGaAs吸收层、450nm InP空间层、40nm InGaAs刻蚀停止层、200nm InP n型接触层、50nm InGaAs刻蚀停止层，最后生长200nm InP缓冲层。

[0051] 第三步，将SOI基非周期亚波长光栅与光探测器外延片集成：

[0052] InGaAs光探测器外延片解理成面积为1cm2的外延样品；

[0053] 通过去离子水、酒精、丙酮对外延样品和SOI基亚波长光栅进行清洗；

[0054] 利用匀胶机在SOI基非周期亚波长光栅上均匀涂覆一层1μm厚苯并环丁烯(BCB)树脂；

[0055] 利用夹具将SOI基非周期亚波长光栅上的苯并环丁烯(BCB)树脂层和外延样品的最后生长的InP缓冲层接触并压紧固定，一同放入退火炉中，退火炉温度升至250℃，2小时后自然降温，实现非周期亚波长光栅和外延样品之间的键合，得到集成样品。

[0056] 第四步，基于非周期亚波长光栅的具有汇聚增强功能的蘑菇型高速光探测器制备：

[0057] 通过去离子水、酒精、丙酮对集成样品进行清洗；

[0058] 结合图6a～图6f，主要包括以下步骤：

[0059] 首先，经过光刻处理，利用磁控溅射系统制作出Pt-Ti-Pt-Au的p型接触电极6，如图6b。所述p型接触电极6的中心入光孔径为30μm；

[0060] 其次，通过光刻及湿法腐蚀方法制作出直径为42μm的圆形上台面，作为p型外延层9，如图6c,对InP和InGaAs材料的湿法腐蚀，分别使用了HCl/H3PO4(摩尔比1:1)腐蚀液和H2SO4/H2O2/H2O(摩尔比1:1:2)腐蚀液，腐蚀停止到n型接触层，参见图6c。

[0061] 利用H2SO4/H2O2/H2O(摩尔比1:1:2)腐蚀液选择性腐蚀InGaAs吸收层，得到本征层8，形成蘑菇型台面结构，参见图6d。

[0062] 经过光刻处理和磁控溅射制作出n型接触电极5，并腐蚀出直径62μm的圆形下台面，作为n型外延层7，参见图6e和图6f。得到蘑菇型高速光探测器。

[0063] 将所述的蘑菇型高速光探测器用聚酰亚胺进行钝化，在表面形成一个钝化层，在所述钝化层上开孔，并利用磁控溅射设备制作Ti-Au引出电极，各引出电极通过钝化层中的开孔与n型接触电极5和p型接触电极6电连接，将外部电信号传导给各接触电极。

[0064] 本发明成功提出了一种硅基混合集成光探测器结构——基于非周期亚波长光栅的具有汇聚增强功能的蘑菇型高速光探测器，解决了传统半导体光探测器量子效率和频率响应带宽的相互制约，能够广泛用于光通信及光信号处理等领域，对今后光电子器件的集成化产生重要的影响。在本发明的方案中，利用键合工艺实现具有特殊图案的硅基非周期亚波长光栅与Ⅲ-Ⅴ族半导体材料光探测器混合集成。非周期亚波长光栅的反射汇聚特性，使入射光通过吸收区(本征层)后被光栅反射，并再次聚焦于吸收区，实现有效吸收增加，提高外量子效率。因此，相对于现有技术，本发明具有以下明显优势：

[0065] (1)利用非周期亚波长光栅的反射汇聚功能，很好解决了带宽和效率之间的相互制约关系，实现了高效高速的光探测器。

[0066] (2)能够满足任意偏振态入射光的应用。

[0067] (3)易于集成：通过键合方法实现Ⅲ-Ⅴ族p-i-n结构光探测器与SOI基非周期亚波长光栅集成；产品及其制备过程成本低、工艺简单、易于实现。

[0068] (4)光栅性能好：利用SOI材料具有较大折射率差的特点，获得与CMOS工艺兼容的纳米尺度高折射率差的亚波长光栅。

[0069] 以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的实际保护范围应由权利要求限定。