CN100452445C - 和共面波导集成的侧面进光的10Gb/s APD管芯及其制作工艺 - Google Patents

和共面波导集成的侧面进光的10Gb/s APD管芯及其制作工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种和共面波导集成的侧面进光的10Gb/s APD管芯及其制作工艺，涉及一种和共面波导集成的侧面进光的10Gb/s APD，尤其涉及一种二台阶连体式管芯的结构及其制作工艺。本管芯整体结构为一种和共面波导集成的、二台阶连体式管芯，从下到上，InP掺铁的半绝缘衬底、下台阶和上台阶依次连接；本管芯制作工艺包括MOCVD外延，PECVD，光刻与化学腐蚀，化学清洗，扩散，反应离子刻蚀，电子束蒸发，金属剥离，钝化处理，管芯分离；制作工艺最重要的是化学腐蚀和管芯分离。本管芯是高速率、长距离光通信系统的关键光电子器件；管芯和共面波导一体化设计与制作，不仅简化了工艺，降低了成本，而且减少了传输损耗，容易阻抗匹配；本发明解决了侧面进光面的平整性问题。

Description

和共面波导集成的侧面进光的10Gb/s APD管芯及其制作工艺
技术领域
本发明涉及一种光通信用的和共面波导集成的侧面进光的10Gb/s APD，尤其涉及一种二台阶连体式管芯的结构及其制作工艺。
背景技术
随着光通信技术的不断发展，千兆以太网和高速(10Gb/s)光通信网得到了快速的发展和广泛的应用。在传输速率达10Gb/s的光通信系统中，高灵敏度的光接收机是其关键的部件之一；一般要求光接收灵敏度优于-28dBm，光响应速率(或-3dB带宽)大于8GHz。而在光接收机中，关键的光电子器件为光探测器和低噪声放大器。
光探测器主要有两种：一种为PIN光电二极管，一种为雪崩光电二极管(Avalanche Photo-Detector，简称APD)；其主要指标有：光响应度、暗电流、光响应速率、光电倍增(或增益带宽成积)和噪声。
光通信用PIN光电二极管结构简单、制作容易、光响应度高、暗电流小、光响应速率高。目前实用化的PIN光电二极管，其响应速率已高达40Gb/s，但器件内部无光电倍增。
APD内部除有光吸收层外，还有碰撞离化雪崩层。在长波长APD中，光吸收层由窄带隙材料组成，如Ge(锗)或InGaAs(铟镓砷)；而碰撞离化雪崩层由宽带隙材料组成，如InP(磷化铟)、InAlAs(铟铝砷)、InGaAsP(铟镓砷磷)等。在高电场下，InP、InAlAs产生电子/空穴碰撞离化；多次碰撞离化累积的结果使其发生雪崩效应，导致光电倍增。平均光电倍增因子一般为8～20。为了改善其性能，APD除光吸收层和雪崩层之外，还有过渡层、电荷层等，因此APD结构比较复杂。其主要光电技术指标有：击穿电压、平均光电倍增(因子)，增益-带宽乘积和过剩声指数。在622Mb/s～10Gb/s范围，APD一般比采用PIN光电二极管作光探测的接收机灵敏度优-(6～10)dBm。这对于高速光传输系统来说，是非常难得的。
APD的结构有很多种，如传统的正面进光的SACM结构(光吸收-过渡-倍增分开的结构)，微腔形的SACM结构和侧面进光的SACM结构。在正面进光的APD中，光的入射方向和载流子运动方向一致，这就导致光响应度和光响应速率之间的矛盾。从光响应度来说，它与光敏面的大小和光吸收区的长度紧密相关。光敏面越大，光吸收区的长度越长，光响应度越高；但由于RC(电阻电容)时间和载流子渡越时间加长，其结果却导致光响应速率降低。
为了解决RC时间和载流子渡越时间较长问题，人们发明了侧面进光结构。在这种结构中，光的入射方向和载流子运动方向是相互垂直的。它可以通过减少载流子渡越区长度和光敏面积来减少RC时间和载流子渡越时间，从而达到提高光响应速率和增益光电倍增的目的。
侧面进光的APD一般为台形结构。台形结构的整体设计、和外电路的连接、器件工艺制作等，尤其是平整性进光面的制作，是成功制作APD的关键问题。
从已有资料来看，平整性进光面制作以及管芯和共面波导一体化制作没有文献报道。虽然也有侧面进光的APD介绍，但进光面如何制作没有提及。
发明内容
本发明的目的就是要解决现有技术存在的上述缺点和不足，尤其是解决和共面波导集成的问题，提供一种和共面波导集成的侧面进光的10Gb/s APD管芯及其制作工艺，包括：管芯整体结构设计、和共面波导集成、内部层次材料设计、制作工艺流程设计和关键制作工艺等。
本发明的目的是这样实现的：
本发明的整体结构为二台阶连体式管芯，其内部采用了光接收层-过渡、电荷层-光电倍增层分开的层次，即所谓SACM结构；光接收层材料为In0.53Ga0.47As；而光电倍增层既不是采用InP，也不是InGaAsP，而是In0.52Al0.48As过渡；电荷层则采用组分变化的InAlGaAs。本发明的工艺制作，采取了两步走的方法，第一步是制作台形连体管芯，第二步分离连体管芯成单个独立的10Gb/s APD管芯，从而较好地解决了平整性进光面以及共面波导一体化制作问题。
1、管芯整体结构
对光电子器件来说，重要的问题不仅是光电技术指标，还有整体结构设计、工艺制作等问题。一个良好的设计成功与否，往往取决于工艺，包括工艺制作方法、工艺设备和工艺水平。本发明重点考虑进光面的形成以及管芯和微波电信号所用共面波导的一体化问题。
如图1、图2、图3，本管芯整体结构为一种和共面波导集成的、二台阶连体式管芯，从下到上，InP(磷化铟)掺铁的半绝缘衬底10、下台阶和上台阶依次连接；
所述上台阶的结构是：从下到上，由依次连接的InAlAs(铟铝砷)下接触层7、InAlAs电倍增层6、InAlAs过渡及电荷层5、InGaAs(铟镓砷)光吸收层4、InAlAs上接触层3、InGaAs顶层2构成；上台面为梯形13-方形14-梯形13组合形状；
所述下台阶的结构是：从上到下，由相互连接的SiO2(二氧化硅)+SiNx(氮化硅)复合介质保护膜8、InP缓冲层9构成；下台面为长方形；
在上台面和下台阶上分别设置P型电极和N型电极，并和三线共面波导相连；即上台面的P型电极和信号线1相连，下台阶的两个N型电极分别和两根地线11相连。
上台阶、下台阶均制作在InP掺铁的半绝缘衬底10的同一侧面上，这不仅便于和共面波导集成，也利于减少管芯串连电阻和的杂散电容，从而提高APD的光响应速率。
2、管芯制作工艺
本发明结构比较复杂，制作工艺流程比较长，工艺种类比较多。其中所涉及的关键工艺有二台阶连体式管芯的化学腐蚀和管芯分离。
制作工艺流程包括：
首先进行MOCVD(有机金属的化学气相淀积)外延，然后进行或反复进行PECVD(等离子加强的化学气相淀积)，光刻与化学腐蚀，化学清洗，扩散，反应离子刻蚀，电子束蒸发，金属剥离，钝化处理，管芯分离。
上述的工艺流程除“化学腐蚀”和“管芯分离”外均为常用工艺。
1)化学腐蚀
化学腐蚀采用一种混合腐蚀液，其组分及其化学配比为：
HBr∶K2Cr2O7∶CH3COOH＝(99～102)cc.∶(3.7～3.9)g∶(119～122)cc.。
管芯台形高度应精确控制，其最后实际腐蚀高度与设计要求高度相差不应大于0.2微米。所以第一次化学腐蚀一般是作欠腐蚀；然后采用高精密度台阶仪测量其腐蚀深度，根据设计需要和第一次测试结果，再做第二次化学腐蚀。为减少多次化学污染，也可先采用反应离子刻蚀，然后再进行化学腐蚀。
本发明提供的混合腐蚀液，对InP、GaAs、InGaAs、InGaAs P、InAAs、InAlGaAs均有显著的腐蚀作用，免除了采用多种不同腐蚀液所带来的不便和误差，简化了工艺，节约了时间，提高了工艺成品率。
2)管芯分离
当管芯台面和上下台面电极、共面波导等工艺制作完成后，就要进行连体式管芯的分离。先用金刚刀在划片机上把制作好的大片连体式管芯划成方形小片，边长(1.0-1.2)cm，再利用薄晶体受应力自然解理的特性，把调整好切向的金刚刀放置在连体式管芯图1中的解理分裂线12小片边缘，轻轻一划，然后在背面轻轻平压，薄晶片即可自行分裂。通过这种解理，连体式管芯将分离成两个独立的二台阶侧面进光的10Gb/s APD管芯。
本发明具有以下优点和积极效果：
1、本管芯是高速率、长距离光通信系统的关键光电子器件，有非常好的经济效益。
2、管芯和共面波导一体化设计与制作，减少了管芯电极和微波传输线之间的过渡连线，使上下电极和共面波导直接连在一起，不仅简化了工艺，降低了成本，而且减少了传输损耗，比较容易阻抗匹配。
3、本制作工艺提供的混合腐蚀液对InP、GaAs、InGaAs、InGaAs P、InAAs、InAlGaAs均有显著的化学腐蚀作用，尤其适用于上述材料构成的台面型光电子器件的制作；免除了采用多种不同腐蚀液所带来的麻烦，简化了工艺，节约了时间，提高了工艺成品率。
4、本发明解决了侧面进光面的平整性问题。利用晶体受应力自然解理的特性，通过本制作工艺，可以比较容易地获得平整如镜的进光面，且便于侧面蒸镀介质增透膜。
5、改变解理位置，芯区面积可进行微量调整，从而可适当改变探测器响应带宽。
附图说明
图1-本发明的二台阶连体式管芯整体结构立体示意图；
图2-上台面梯形-方形-梯形组合形状平面图：
图2-三线式共面波导的电极俯视图。
其中：
1-信号线，即金属上电极；
2-InGaAs顶层；
3-InAlAs上接触层；
4-InGaAs光吸收层；
5-InAlAs过渡及电荷层；
6-InAlAs电倍增层；
7-nAlAs下接触层；
8-SiO2+SiNx复合介质保护膜层；
9-InP缓冲层；
10-InP掺铁的半绝缘衬底；
11-金属下电极(地线)；
12-解理分裂线；
13-梯形；
14-方形。
英文缩略语及化学分子式翻译：
APD-雪崩光电探测器；
SiO2-二氧化硅；
SiNx-氮化硅；
InP-磷化铟；
InAlAs-铟铝砷；
InGaAs-铟镓砷；
InGaAsP-铟镓砷磷；
SACM-光吸收-过渡-倍增分开的；
RC-电阻电容；
MOCVD-有机金属化学气相淀积；
PECVD-等离子加强的化学气相淀积。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明：
1、管芯整体结构
如图2，
1)前述：上台面为梯形13-方形14-梯形13组合形状；
现有：两边的梯形13的短边长为(8.0～8.5)μm，长边长为(10.0～10.5)μm，高为(8.0～8.5)μm；
中间的方形14的边长为(10.0～10.5)μm。
2)前述：下台面为长方形；
现有：长×宽为(240～250)μm×(30～32)μm。
前述：下台阶的结构是：从上到下，由相互连接的SiO2+SiNx复合介质保护膜8、InP缓冲层9构成；
现有：SiO2厚度为(300～350)nm，SiNx厚度为(100～150)nm，InP缓冲层9厚度为(200～250)nm。
3)如图3，
前述：在上台面和下台阶上分别设置P型电极和N型电极，并和三线共面波导相连；
现有：共面波导的中心电极条宽为(6.0～50.0)μm，长为(200～250)μm，特性阻抗为(47～52)Ω；共面波导的两边地电极宽为(50.0～70.0)μm，长(200～250)μm。
2、内部层次材料设计
本发明所用的二台阶连体式管芯的内部层次结构采用了光接收层-过渡、电荷层-光电倍增层分开的SACM结构；光接收层材料为In0.53Ga0.47As，而光电倍增层既不是采用InP，也不是InGaAsP，而是In0.52Al0.48As，过渡、电荷层则采用组分变化的InAlGaAs。具体层次材料如表1所示。
表1侧面进光的10Gb/s APD内部层次材料
  层序   化学成分   相应带隙(Ev)   掺杂浓度(×10<sup>15</sup>/cm<sup>3</sup>)   厚度(μm)   相邻界面失配率(％)
  0   掺Fe的InP半绝缘衬底   1.35   掺Fe，半绝缘   350-380
  1   InP(缓冲层)   1.35   n型，(6-8)×10<sup>3</sup>×   0.20-0.25   0
  2   InGaAsP(下接触层)   1.40   n型，(4-6)×10<sup>3</sup>×   0.6-0.8   ≤0.15％
  3   In<sub>0.52</sub>Al<sub>0.48</sub>As(倍增层)   1.51   未故意掺杂，P<sup>-</sup>，(0.5-2.0)×   0.36-0.40   0
  4   In<sub>0.52</sub>Al<sub>0.48</sub>As(电荷层)   1.51   P型，(6-9)×10<sup>2</sup>×   0.06-0.10   0
  5   InAlGaAs(组分过渡层)   1.25-1.51   P型，(1-3)×   0.05-0.08   ≤0.15％
  6   In<sub>0.53</sub>Ga<sub>0.47</sub>As(光吸收层)   0.75   P型，(1-3)×   0.60-0.70   ≤0.15％
  7   InGaAsP(上接触层)   1.40   P型，(2-5)×10<sup>3</sup>×   0.30-0.40   ≤0.15％
  8   In<sub>0.53</sub>Ga<sub>0.47</sub>As(顶层)   0.75   P型，(8-10)×10<sup>3</sup>×   0.03-0.10   ≤0.15％
3、管芯制作工艺
本发明管芯整体结构比较复杂，制作工艺流程比较长，工艺种类比较多。其中所涉及的关键工艺有二台阶连体式管芯的化学腐蚀和管芯分离。
1、衬底和外延材料考虑与设计
从APD光电特性和技术指标考虑，为减少衬底串连电阻和杂散电容，APD的衬底材料选择掺Fe的半绝缘InP材料。
根据器件光电特性要求，设计APD所用的MOCVD外延材料，包括外延材料的层次顺序、材料化学组成、掺杂浓度、厚度、异质界面失配率等。其设计结果如表1所示。
2、APD连体式管芯和共面波导一体化设计
本发明整体设计包括连体式管芯和共面波导一体化结构，设计结果如图1、图2、图3。
3、光刻版图及工艺流程设计
APD整个制作需要6块光刻版。
APD制作工艺流程较长，制作工艺主要有MOCVD外延、PECVD、光刻与化学腐蚀、化学清洗、扩散、反应离子刻蚀、电子束蒸发、金属剥离、钝化处理、解理等。
4、二台阶连体式管芯的化学腐蚀
二台阶连体式管芯的台阶形成主要通过多次化学腐蚀或物理刻蚀方法。
所用化学腐蚀液配方为：
化学腐蚀液由HBr、K2Cr2O7、CH3COOH组成，其化学配比为：
HBr∶K2Cr2O7∶CH3COOH＝(99～102)cc.∶(3.7～3.9)g∶(119～122)cc.。
腐蚀液配置方法为：
a、准备好容量为500cc.干净的玻璃烧杯和500cc.深色玻璃磨口瓶。然后，在通风橱中进行：
b、根据需要，按照上述规定的化学配比，用天平称取适量的K2Cr2O7放入烧杯中；
C、按照上述规定的化学配比，用量筒量取适量的CH3COOH放入装有K2Cr2O7的烧杯中；并在(30～40)℃下微微加热，使完全溶解(可根据杯底有无沉淀物作出判断)。
D、按照上述规定的化学配比，用量筒量取适量的分析纯HBr缓慢倒入有K2Cr2O7..CH3COOH的烧杯中。然后把配置好的混合腐蚀液，倒入干净的深色玻璃磨口瓶中，密盖保存待用。
需要指出的是，由于HBr有强烈的气味和一定的腐蚀性，混合腐蚀液配置必须在通风良好的化学腐蚀间进行。
上述化学配比的混合腐蚀液对InP、GaAs、InGaAs、InGaAs P、InAAs、InAlGaAs均有显著的化学腐蚀作用，但腐蚀速率稍有不同，在(22～0)℃下，一般化学腐蚀速率在腐蚀在(0.5～4.0)/分范围。
定域化学腐蚀：
准备好容量为100cc.干净的玻璃烧杯、去离子水、秒表、镊子和定性滤纸；
然后，在通风橱中，倒入适量的混合腐蚀液于烧杯中；
用镊子夹取已制备定域掩膜的芯片，放于滤纸上；
再用镊子夹好芯片放入混合腐蚀液中，并用秒表精确记录腐蚀时间。根据腐蚀深度和腐蚀速率，严格控制腐蚀时间和温度；
腐蚀时间一到，即用镊子把芯从腐蚀液中取出，迅速放入瓶装去离子水中；
注意环境温度，一般应为(22～30)℃；
腐蚀后要进行严格的清洁处理：倒去已用过的瓶装去离子水，再用凉的去离子水冲洗多遍(6遍以上)，最后用热的去离子水进行冲洗3～5遍。最后从去离子水取出腐蚀过的芯片，用干氮吹去水汽，并烘干待用。
5、二台阶连体式管芯的解理
本发明利用了薄晶体受应力时自然解理的特性，把调整好切向的金刚刀放置在连体式管芯图1解理分裂线12，即可进行解理。解理过程如本发明‘关键制作工艺’中所述。通过解理，连体式管芯分离成两个独立的二台阶侧面进光的10Gb/s APD管芯。

Claims (6)

1、一种和共面波导集成的侧面进光的10Gb/s APD管芯，其特征在于：
本管芯整体结构为一种和共面波导集成的、二台阶连体式管芯，从下到上，InP掺铁的半绝缘衬底(10)、下台阶和上台阶依次连接；
所述上台阶的结构是：从下到上，由依次连接的InAlAs下接触层(7)、InAlAs电倍增层(6)、InAlAs过渡及电荷层(5)、InGaAs光吸收层(4)、InAlAs上接触层(3)、InGaAs顶层(2)构成；上台面为梯形(13)-方形(14)-梯形(13)组合形状；
所述下台阶的结构是：从上到下，由相互连接的SiO2+SiNx复合介质保护膜(8)、InP缓冲层(9)构成；下台面为长方形；
在上台面和下台阶上分别设置P型电极和N型电极，上台面的P型电极和信号线(1)相连，下台阶的两个N型电极分别和两根地线(11)相连；
所述的APD即雪崩光电二极管。
2、按权利要求1所述的APD管芯，其特征在于：
梯形(13)的短边长为8.0～8.5μm，长边长为10.0～10.5μm，高为8.0～8.5μm；
方形(14)的边长为10.0～10.5μm。
3、按权利要求1所述的APD管芯，其特征在于下台面：
长为240～250μm，宽为30～32μm。
4、按权利要求1所述的APD管芯，其特征在于：
SiO2厚度为300～350nm，SiNx厚度为100～150nm，InP缓冲层(9)厚度为200～250nm。
5、按权利要求1所述的APD管芯，其特征在于：
共面波导的中心电极条宽为6.0～50.0μm，长为200～250μm，特性阻抗为47～52Ω；共面波导的两边地电极宽为50.0～70.0μm，长200～250μm。
6、按权利要求1所述的APD管芯的制作工艺，首先进行有机金属的化学气相淀积外延，然后进行或反复进行等离子加强的化学气相淀积，光刻与化学腐蚀，化学清洗，扩散，反应离子刻蚀，电子束蒸发，金属剥离，钝化处理，管芯分离；
其特征在于管芯分离是：
当管芯台面和上下台面电极、共面波导等工艺制作完成后，就要进行连体式管芯的分离；先用金刚刀在划片机上把制作好的大片连体式管芯划成正方形小片，边长为1厘米，再利用薄晶体受应力自然解理的特性，把调整好切向的金刚刀放置在连体式管芯的解理分裂线12小片边缘，轻轻一划，然后在背面轻轻平压，薄晶片即可自行分裂，连体式管芯将分离成两个独立的二台阶侧面进光的10Gb/s APD管芯。
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40Gb/s PIN波导型光探测器联体式管芯的设计与制作. 丁国庆.光通信技术，第2005-10期. 2005
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