CN100349299C - 大规模光电集成rce探测器面阵器件 - Google Patents

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Abstract

大规模光电集成RCE探测器面阵器件，该面阵器件的每个器件的机构都是相同的，该面阵器件都是由两部分构成，即砷化镓基光探测器和硅基后处理电路，包括：一衬底；一布拉格反射镜，该布拉格反射镜制作在衬底上；一多量子阱光吸收区，该多量子阱光吸收区制作在布拉格反射镜上；一高反布拉格反射镜，该高反布拉格反射镜制作在多量子阱光吸收区上；正电极制作在布拉格反射镜上，该正电极是在多量子阱光吸收区的一侧；负电极制作在高反布拉格反射镜上；在正电极上制作有第一铟柱；在负电极上制作有第二铟柱；一硅基后处理电路芯片焊接在第一铟柱和第一铟柱上。

Description

大规模光电集成RCE探测器面阵器件
技术领域
本发明涉及半导体器件，特别涉及一种利用倒装焊技术组装的大规模光电集成谐振腔增强型(简称RCE)探测器面阵器件。
背景技术
光电集成将电子电路极强的信息处理及存储能力与光的超高速信息传输能力有机结合，在光电集成器件内部实现电处理、光互连。是实现高速大容量信息通讯的关键技术之一，可广泛应用于光信息处理和光交换。倒装焊形成的光电集成面阵器件除具备上述特点以外，还具有器件寄生参数小、响应速度快、结构紧凑、具备并行处理功能等优点，是并行光互连和智能像素的基础。
发明内容
本发明的目的是提供一种大规模光电集成RCE探测器面阵器件，其具有较高光电转换效率和较强的处理能力的并行光接收面阵器件，这种光电集成面阵器件既可以作为并行光传输中的光接收模块，又可以作为红外成像技术中的智能像素模块。
本发明一种大规模光电集成RCE探测器面阵器件，该面阵器件的每个器件的机构都是相同的，该面阵器件是由两部分构成，即GaAs基光探测器和硅基后处理电路，其特征在于，其中包括：一衬底；一布拉格反射镜，该布拉格反射镜制作在衬底上；一多量子阱光吸收区，该多量子阱光吸收区制作在布拉格反射镜上，该多量子阱光吸收区的面积小于布拉格反射镜的面积；一高反布拉格反射镜，该高反布拉格反射镜制作在多量子阱光吸收区上，该高反布拉格反射镜的面积与多量子阱光吸收区的面积相同；正电极制作在布拉格反射镜上，该正电极是在多量子阱光吸收区的一侧；负电极制作在高反布拉格反射镜上；在正电极上制作有第一铟柱，在负电极上制作有第二铟柱，一硅基后处理电路芯片焊接在第一铟柱和第二铟柱上。
其中所说的衬底为砷化镓材料。
其中所说的布拉格反射镜为砷化镓/砷化铝材料。
其中所说的多量子阱光吸收区是为铟镓砷/砷化镓多量子阱材料。
其中所说的高反布拉格反射镜是为砷化镓/砷化铝材料。
其多量子阱光吸收区是由三层铟镓砷/砷化镓量子阱构成。
其后处理电路即是用于光接收的前置放大电路，或是用于图像处理的智能像素逻辑处理电路。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例(以64×64的RCE探测器面阵为例)及附图详细说明如下，其中：
图1是本发明探测器面阵器件结构示意图；
图2是本发明材料结构示意图；
图3是砷化镓基探测器结构示意图。
具体实施方式
本发明是利用倒装焊技术实现RCE光探测器面阵与相应的由标准CMOS工艺形成的后处理集成电路的机械及电气互连，形成具备多路光并行接收及处理的大规模光电集成面阵器件。
所说的倒装焊技术是指分别在RCE光探测器面阵的电极焊盘和相应的CMOS逻辑处理集成电路芯片的电极焊盘上制作用于倒装焊的铟柱，对准加热回流实现机械及电器互连的封装技术。
所说的RCE光探测器面阵是一种利用激子效应制作的、以铟镓砷/镓砷(InGaAs/GaAs)多量子阱为吸收区、多层砷化铝/砷化镓(AlAs/GaAs)为布拉格反射镜，利用分子束外延(MBE)或金属有机物化学气相沉积(MOCVD)材料生长结合台面刻蚀技术在砷化镓(GaAs)衬底上一次制作形成的呈面阵排布的适合于倒装焊工艺的光集成面阵器件，面阵的规模可以是64×64、128×128或256×256中的任何一种。
所说的CMOS后处理电路是指专为上述光探测器阵列制作的Si基CMOS集成电路。
本发明是通过以下方法来实现的：
请参阅图1所示，本发明一种大规模光电集成RCE探测器面阵器件，该面阵器件的每个器件的机构都是相同的，该面阵器件都是由两部分构成，即GaAs基光探测器和硅基后处理电路，其中包括：
一衬底301，其中所说的衬底301为砷化镓材料；
一布拉格反射镜302，该布拉格反射镜302制作在衬底301上，其中所说的布拉格反射镜302为砷化镓/砷化铝材料；
一多量子阱光吸收区304，该多量子阱光吸收区304制作在布拉格反射镜302上，该多量子阱光吸收区304的面积小于布拉格反射镜302的面积，其中所说的多量子阱光吸收区304是为铟镓砷/砷化镓多量子阱材料，其多量子阱光吸收区304是由三层铟镓砷/砷化镓量子阱构成；
一高反布拉格反射镜305，该高反布拉格反射镜305制作在多量子阱光吸收区304上，该高反布拉格反射镜305的面积与多量子阱光吸收区304的面积相同，其中所说的高反布拉格反射镜305是为砷化镓/砷化铝材料；
正电极303制作在布拉格反射镜302上，该正电极303是在多量子阱光吸收区304的一侧；
负电极306制作在布拉格反射镜305上；
在正电极303上制作有第一铟柱309；
在负电极303上制作有第二铟柱308；
一硅基后处理电路芯片310焊接在正电极311和负电极307上，其后处理电路芯片310即是用于光接收的前置放大电路，或是用于图像处理的智能像素逻辑处理电路。
本发明的光电集成RCE探测器面阵器件，是在GaAs衬底上用MBE或MOCVD法交替生长9对P型掺杂的GaAs/AlAs，形成RCE光电探测器入射面上的布拉格反射层；然后生长两层分别为P型掺杂和未掺杂的AlGaAs作为吸收腔长调整层；接着是由三对InGaAs/GaAs多量子阱构成的吸收层、N型AlGaAs调整层和27对半AlGaAs/GaAs布拉格高反层，最后生长N型的GaAs作为保护层，整个材料的组分结构见图2。
材料生长完毕后，利用干法或湿法台面光刻技术，隔离出一个个呈列阵分布的、单个台面横截面尺寸为72×72μm2，高度约为5μm的柱形结构，台面间的纵横间距各为8μm。然后为每个柱状台面结构作好正负电极并淀积铟柱，所有铟柱朝向和台面朝向一致，做好的探测器参见图3。
将以上作好的列阵结构与Si基CMOS电路在倒装焊机中实现对准后，倒装焊在一起；然后在两个片子之间注入树脂并固化以增强器件的可靠性。与同样结构工作在850nm波长的器件相比，在倒装焊之前起支撑作用的GaAs衬底在这里不必腐蚀除去，因为器件的工作波长在980nm甚至1064nm。可以几近无损耗的穿过GaAs衬底进入探测器。
本发明材料的生长制备
请参阅图2探测器列阵的材料结构图，衬底101采用半绝缘的GaAs，其制作工艺步骤如下：
1、在衬底上生长厚度为80nm的AlAs，然后生长厚度为69nm的GaAs；同样的结构再重复8次，形成9对18层的布拉格反射结构102。
2、在102上生长厚度为140nm的P型AlGaAs和50nm的Al0.1Ga0.9As作为缓冲层103。
3、在103上生长三对InGaAs/GaAs量子阱结构作为吸收区104，组分及厚度参见图2。
4、在104上生长N型缓冲层105，组分及厚度参见图2。
5、在105上生长二十七对半布拉格反射结构106，组分及厚度参见图2。
6、在106上生长N型的GaAs作为盖帽层107以防止AlGaAs氧化。
本发明64×64RCE探测器面阵的形成
将步骤一生长好的材料通过光刻、淀积等工艺形成一个个独立的RCE探测器，请参阅结构示意图3，被探测光211透过衬底201进入由202和205所组成的谐振腔中，并逐渐被吸收层204吸收。每个RCE探测器具有各自的正负电极，所有的RCE探测器排列成64×64面阵，
具体制作工艺如下：
1、第一次光刻，形成64×64台面阵列，每个台面呈正方形，面积为72×72μm2，台高5μm，台面与台面间隔8μm。
2、淀积二氧化硅绝缘层203、206。
3、第二次光刻，刻蚀出电极窗口。
4、镀金属层。
5、第三次光刻，形成正负电极207、208。
6、第四次光刻，在正负电极上方形成镀铟通孔。
7、沉积铟柱，去除光刻胶，形成用于倒装焊的第一铟柱209、第二铟柱210。
本发明RCE探测器面阵与后处理电路的倒装焊
将制作好的64×64RCE探测器面阵与相应的后处理电路倒装焊在起，形成具有电处理能力、功能强大的光电集成光接受面阵器件。请参阅倒装焊完毕后的器件示意图(图1)，其中301、302、304、305、306、303分别对应于图3中的201、202、204、205、207、208，被探测光312透过GaAs衬底进入RCE探测器，
其工艺步骤如下：
1、在专用的倒装焊设备中将RCE探测器阵列镀有的第一铟柱308、第二铟柱309的一面朝下，Si基CMOS电路310的电极307、311朝上，实现对准。
2、加热回流，完成焊接。
3、在芯片间隙注入环氧树脂313并加温固化。
至此，大规模的RCE探测器面阵器件制作完毕，形成如图1所示的结构，整个器件由GaAs基的探测器面阵芯片A(虚线以上部分)和硅基后处理电路芯片B(虚线以下部分)两大部分构成，两部分之间的连接采用了倒装焊技术。其中，硅基后处理电路是由标准CMOS工艺形成的前置放大及逻辑处理电路，GaAs基的探测器面阵采用谐振腔增强型结构，是由顶部的布拉格反射镜302、中间的InGaAs/GaAs多量子阱光吸收区304和底部的高反射率布拉格反射镜305构成，310是GaAs衬底，308、309是起机械及电气互连的倒装焊焊柱，焊柱上下两端的303、311、306和307是探测器芯片和CMOS电路芯片的金属电极。填充在焊柱周围、探测器芯片和CMOS电路芯片之间的是用来保护焊点的树脂。

Claims (7)

1、一种大规模光电集成RCE探测器面阵器件，该面阵器件的每个器件的机构都是相同的，该面阵器件是由两部分构成，即砷化镓基光探测器和硅基后处理电路，其特征在于，其中包括：
一衬底；
一布拉格反射镜，该布拉格反射镜制作在衬底上；
一多量子阱光吸收区，该多量子阱光吸收区制作在布拉格反射镜上，该多量子阱光吸收区的面积小于布拉格反射镜的面积；
一高反布拉格反射镜，该高反布拉格反射镜制作在多量子阱光吸收区上，该高反布拉格反射镜的面积与多量子阱光吸收区的面积相同；
正电极制作在高反布拉格反射镜上，该正电极是在多量子阱光吸收区的一侧，在正电极上制作有第一铟柱；
负电极制作在高反布拉格反射镜上；
在负电极上制作有一第二铟柱；
一硅基后处理电路芯片焊接在第一铟柱和第二铟柱上。
2、根据权利要求1所述的大规模光电集成RCE探测器面阵器件，其特征在于，其中所说的衬底为砷化镓材料。
3、根据权利要求1所述的大规模光电集成RCE探测器面阵器件，其特征在于，其中所说的布拉格反射镜为砷化镓/砷化铝材料。
4、根据权利要求1所述的大规模光电集成RCE探测器面阵器件，其特征在于，其中所说的多量子阱光吸收区是为铟镓砷/砷化镓多量子阱材料。
5、根据权利要求1所述的大规模光电集成RCE探测器面阵器件，其特征在于，其中所说的高反布拉格反射镜是为砷化镓/砷化铝材料。
6、根据权利要求1或4所述的大规模光电集成RCE探测器面阵器件，其特征在于，其多量子阱光吸收区是由三层铟镓砷/砷化镓量子阱构成。
7、根据权利要求1所述的大规模光电集成RCE探测器面阵器件，其特征在于，其后处理电路芯片即是用于光接收的前置放大电路，或是用于图像处理的智能像素逻辑处理电路。
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