CN101614843B - 倏逝波耦合型单一载流子行波光电探测器的制作方法 - Google Patents

Abstract

一种倏逝波耦合型单一载流子行波光电探测器的制作方法，包括：在衬底上依次生长铟磷应力缓冲层至InGaAs接触层；在InGaAs接触层上生长一层氧化硅掩膜；将氧化硅掩膜的两侧刻蚀掉，再刻蚀掉氧化硅掩蔽条的两侧，得到深脊结构；湿法腐蚀掉部分深脊结构，形成入射窗口区；在深脊结构的两侧采用带胶剥离的方法制作N型金属欧姆接触；将衬底上至N型金属欧姆接触外侧边缘以外的各层刻蚀掉；保留入射窗口区一侧的各层，在衬底上形成台面结构；在深脊结构的上面经斜台面延伸至衬底上制作钛金行波电极结构的信号电极；在深脊结构两侧的N型金属欧姆接触上经斜台面延伸至衬底上制作钛金行波电极结构的接地电极；减薄解理。

Description

倏逝波耦合型单一载流子行波光电探测器的制作方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，涉及行波电极结构的倏逝波耦合型光电探测器的制作方法，特别涉及到行波电极单一载流子探测器与倏逝波导集成器件的制作方法。

背景技术

现代高性能的光通信、信号处理和测量系统，需要光电探测器必须具有高的响应速度和高的饱和输出，而III-V族化合物半导体的长波长光电探测器也成为研究的重点。

宽带宽、高响应度、高输出饱和功率探测器有两个主流发展方向一个是边耦合PD，具有一致的分散的、一致的光电流，例如速度匹配分布探测器、攸失耦合探测器，另一个就是通过改变结构和外延层材料来降低吸收体内的空间电荷效应，例如单一载流子光电探测器UTC-PD。

UTC-PD结构由于其优越的速度和输出性能饱受关注，UTC-PD结构特点是有一个P型InGaAs光吸收层和一个宽禁带耗尽收集层，只有高迁移率的电子作为激活载流子。当光入射到p型吸收层中，激发价带电子跃迁到导带，产生光生电子空穴对，光生电子向收集层扩散，然后在强电场作用下漂过收集层，形成光生电流.由于空穴在P型吸收层中是多数载流子，光生空穴不会破坏多数载流子的平衡，不能扩散形成光生电流，因此称这种结构探测器为单极型光电探测器。与传统的pin-PD不同的是UTC-PD的带宽取决于电子在吸收层中的扩散时间和收集层中的漂移时间。当耗尽收集层足够薄时，UTC-PD的带宽主要取决于电子在吸收层中的扩散时间，所以UTC-PD的速度性能可以利用具有内建场的光吸收层改善。吸收层中的内建电场引起电子输运的漂移成分，有利于电子更快的向收集区运动，产生内建场的方法可以通过在生长过程中进行杂质浓度渐变掺杂，如指数变化掺杂形成的杂质电荷梯度分布。吸收层中的电子漂移速度取决于掺杂受主浓度引起的内建场和空穴电流引起的自建电场。目前垂直表面入射结构UTC-PD虽已经实现高速高功率工作，但是由于存在量子效率和迁移时间限制的折中，从而限制工作在高频40GHz下器件的灵敏度小于0.6A/W。而边辐射型倏逝波耦合探测器，其响应度和迁移时间没有相互制约，可以克服这个限制，而且由于其采用多模稀释波导结构大大提高了光纤耦合效率，同时利用光匹配层中的模式拍频效应使光慢慢耦合到吸收层中，使光生载流子沿着吸收层长度均匀分布，从而提高了饱和光功率。然而光是慢慢从下稀释波导耦合到吸收层中，要想获得大的内量子效率，需要长的波导长度吸收入射光，但是增加器件尺寸会导致大的RC时间常数，从而降低了带宽性能。采用行波电极结构可以解决倏逝波耦合波导探测器中带宽和响应度矛盾问题，行波电极结构的光电探测器(以下简称TWPD)不受RC时间常数限制，带宽不受波导长度限制，从而可以同时实现高带宽，高效率性能。

因此将倏逝波耦合波导与单一载流子探测器集成的行波光电探测器(简称EC-UTC-TW-PD)可以同时实现高速率、高效率、高输出工作。

发明内容

本发明的目的是提供一种倏逝波耦合波导与单一载流子探测器集成器件的制作方法，它采用了多模稀释光纤波导和光匹配层中的模式拍频效应大大提高了光纤波导的耦合效率和对准容差，从而提高了量子效率；它集成了单一载流子光电探测器，可以实现高速高饱和输出。采用行波电极结构获得较高的电学带宽而不受RC时间常数限制。

本发明提供一种倏逝波耦合型单一载流子行波光电探测器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在一衬底上采用金属有机气相沉积的方法依次生长铟磷应力缓冲层、第一1.2Q四元层、第一铟磷层、第二1.2Q四元层、第二铟磷层、第一n-1.2Q四元层、第一n-铟磷层、第二n-1.2Q四元层、第二n-铟磷层、第三n-1.2Q四元层、第三n-InP层、n-1.1Q四元层、i-1.4Q四元层、InP选择化学停止层、p-InGaAs层、p-InP盖层、InGaAs接触层；

步骤2：在InGaAs接触层上生长一层氧化硅掩膜；

步骤3：采用光刻的方法，将氧化硅掩膜的两侧刻蚀掉，形成出保护UTC-PD区的氧化硅掩蔽条，然后在氧化硅掩蔽条的保护下，用反应离子刻蚀的方法，刻蚀掉氧化硅掩蔽条的两侧，刻蚀深度至第一n-1.2Q四元层或第一n-铟磷层或第二n-1.2Q四元层，得到深脊结构；

步骤4：采用自对准方法，湿法腐蚀掉部分深脊结构，腐蚀深度至InP选择化学停止层，形成入射窗口区；

步骤5：在深脊结构的两侧采用带胶剥离的方法制作N型金属欧姆接触，其长度至入射窗口区的边缘；

步骤6：采用湿法刻蚀的方法，将衬底上至N型金属欧姆接触外侧边缘以外的各层刻蚀掉；保留入射窗口区一侧的各层，在衬底上形成台面结构；

步骤7：在台面结构、远离入射窗口区的一端制作一斜台面；

步骤8：在深脊结构的上面经斜台面延伸至衬底上制作钛金行波电极结构的信号电极；在深脊结构两侧的N型金属欧姆接触上经斜台面延伸至衬底上制作钛金行波电极结构的接地电极；

步骤9：减薄解理，完成整个器件的制作。

其中所述的衬底为半绝缘磷化铟衬底。

其中步骤1所述的第一1.2Q四元层至InP选择化学停止层为倏逝波耦合波导结构，其中第一1.2Q四元层至第三n-InP层为光纤多模稀释波导层；n-1.1Q四元层和i-1.4Q四元层为光波匹配层。

其中所述i-1.4Q四元层至p-InGaAs层为单一载流子光电探测器结构，其中i-1.4Q四元层为收集层，p-InGaAs层为吸收层。

其中所述斜台面的材料为聚酰亚胺。

附图说明

为了进一步说明本发明的方法，下面结合附图和具体实施例对本发明具体说明如下，其中：

图1是一次外延及生长氧化硅掩模后的截面图；

图2是反应离子刻蚀方法刻蚀形成的深脊结构的截面图；

图3是自对准技术和湿法刻蚀方法形成的无源入射窗口区和N金属欧姆接触的三维示意图；

图4是绝缘台面刻蚀制作示意图；

图5是器件制作完成后的三维结构示意图。

具体实施方式

图1是在一半绝缘磷化铟衬底100面上采用金属有机气相沉积的方法一次外延后的截面示意图。采用金属有机化学气相淀积(MOCVD)方法在半绝缘InP衬底1上首先生长100nm厚的InP应力缓冲层1，它主要是调节晶格失配；其后在InP应力缓冲层1上依次生长5个周期的1.2Q四元层/InP层，5个周期的1.2Q四元层/InP层分别为第一1.2Q四元层2、第一铟磷层3、第二1.2Q四元层4、第二铟磷层5、第一n-1.2Q四元层6、第一n-铟磷层7、第二n-1.2Q四元层8、第二n-铟磷层9、第三n-1.2Q四元层10、第三n-InP层11，5个周期的1.2Q四元层/InP层厚度均为190nm/110nm，其中第一1.2Q四元层2至第二铟磷层5为未掺杂层，目的是为了降低光在该层中的传输损耗，而第一n-1.2Q四元层6至第三n-InP层11为n型重掺杂层，因为N欧姆接触层要在其上制作；然后在第三n-InP层11层上外延生长200nmn-1.1Q四元层12、400nmi-1.4Q四元层13InP选择化学停止层14，外延生长的第一1.2Q四元层2至InP选择化学停止层14组成倏逝波耦合波导结构，与光纤耦合时，可以提高光纤-波导耦合效率以及光纤对准容差，其中第一1.2Q四元层2至第三n-InP层11为光纤多模稀释波导，提高光纤波导的耦合效率和对准容差，从而提高了量子效率，其中的n-1.1Q四元层12和i-1.4Q四元层13为光波匹配层；然后在InP选择化学停止层14上继续依次外延生长250nm p-InGaAs层15，p-InGaAs层15与前面生长的i-1.4Q四元层13组成单一载流子光电探测器结构，其中的i-1.4Q四元层13为宽禁带耗尽收集区，p-InGaAs层15为p型渐变掺杂的吸收层，是单一载流子探测器的p型吸收区，其中250nmp-InGaAs层15由厚度依次为80nm、80nm、90nm的三层InGaAs组成，每层p型掺杂浓度依次为1×10¹⁷、5×10¹⁷、1×10¹⁸，利用前面生长的光波匹配层n-1.1Q四元层12和i-1.4Q四元层13中的模式拍频效应使第一1.2Q四元层2至第三n-InP层11组成的多模稀释波导中的光慢慢耦合到单一载流子探测器的p-InGaAs层15中去；然后是在p-InGaAs层15上外延生长400nm厚的p型InP盖层16和100nm厚的InGaAs接触层17，其中p-InP盖层同时起到电子阻挡层和光波导作用，可以阻止光波在p-InGaAs层15中产生的光生电子向InGaAs p型接触层17方向输运，还能将光波限制在p-InGaAs层15中，提高了内量子效率，其中100nm InGaAs接触层17采用p型重掺杂，因为该层用于形成p型欧姆接触；其后采用PECVD方法在350℃下在InGaAs接触层17上生长的氧化硅作为掩膜，形成一层氧化硅掩膜18；

图2是反应离子刻蚀(RIE)形成的深脊结构19的截面图。首先在氧化硅掩膜18上采用光刻的方法，经涂胶、前烘、曝光、后烘、显影、然后采用HF缓冲溶液将氧化硅掩蔽条19两侧的氧化硅刻蚀掉，腐蚀出5μm宽的氧化硅掩蔽条19，形成出氧化硅图形保护UTC-PD区，然后在氧化硅掩蔽条19的保护下，采用反应离子刻蚀的方法，刻蚀掉氧化硅掩蔽条19两侧的外延层，刻蚀深度至第一n-1.2Q四元层6或第一n-铟磷层7或第二n-1.2Q四元层8，从而得到深脊结构20，反应离子刻蚀采用刻蚀反应气体为CH₄、Ar、H₂，反应均在0.067mbar的反应气压下进行，反应温度为室温，在每次刻蚀实验前，反应都用50W的射频功率下起辉的等离子体02清洗10分钟，以保证反应室清洁，保证试实验的可重复性，由于刻蚀深度不容易控制，采用的第一n-1.2Q四元层6或第一n-铟磷层7或第二n-1.2Q四元层8均可作为n型欧姆接触层，可降低工艺难度要求，与纯湿法刻蚀相比，采用反应离子刻蚀方法来刻脊，不但保证脊侧面的陡直度，并且易于控制侧向尺寸和形貌，但是反应离子刻蚀过程中，会在刻蚀表面产生聚合物积累，为了去除反应离子刻蚀在材料表面产生的聚合物，需要对芯片进行氧等离子清洗，又由于反应离子刻蚀会对深脊结构20的两侧产生损伤，可采用光栅Br腐蚀25s，腐蚀深度大约为80nm，从而去除干法刻蚀会对深脊结构20两侧产生损伤层；

图3是光自对准技术和湿法刻蚀方法形成的无源入射窗口和N型金属欧姆接触形成的三维示意图。首先采用稀释HF酸将氧化硅掩蔽条19腐蚀去掉，再采用自对准方法即涂上厚胶，进行曝光、反转，自对准后显影3-5s，将没曝光部分的脊露出来，依次采用选择湿法腐蚀液：HCl∶H₂O∶H₂O₂(3∶1∶1)、稀HCl和HCl∶H₂O∶H₂O₂(3∶1∶1)，依次腐蚀掉部分深脊结构20中的InGaAs接触层17、p-InP盖层16和p-InGaAs层15，腐蚀至InP选择化学停止层14，形成入射窗口区21，其中入射窗口区21的长度为20μm，宽度为5μm。利用自对准技术和选择湿法腐蚀液刻蚀形成的入射窗口区21为无源区，可以使入射光不直接导入吸收层p-InGaAs层15的吸收层中去，而是先耦合到第一1.2Q四元层2至第三n-InP层11的多模稀释波导中，然后通过n-1.1Q四元层12和i-1.4Q四元层13的匹配层慢慢耦合到p-InGaAs层15的吸收层中，使光生载流子沿着吸收区的长度均匀分布，从而提高了饱和光功率，其后在深脊结构20的两侧采用金属带胶剥离的方法制作

的N型Au/Ge/Ni欧姆接触层22，其长度至入射窗口区21的边缘，合金温度为410度，时间30s；

图4是绝缘台面刻蚀制作示意图，采用湿法刻蚀的方法，将衬底100上至N型金属欧姆接触外侧边缘以外的各层刻蚀掉，保留入射窗口区20一侧的各层，在衬底100上形成台面结构23，其中的湿法腐蚀液可采用腐蚀速度较快的非选择性腐蚀液溴水实现，腐蚀形成正台形的斜面，有利于电极传输线从半绝缘衬底向脊波导，爬坡过渡，减小高度落差的问题，且衬底100上台面结构23以外的半绝缘磷化铟衬底层将作为行波电极微波传输线输入、输出部分绝缘介质；

图5是器件制作完成后的三维结构示意图，首先在远离入射窗口区20的一端制作一斜台面24，采用聚酰亚胺制作斜台面24：首先涂聚酰亚胺，先90度下烘20分钟，再在115度下烘20分钟，其后光刻出图形，然后固化，固化条件为梯度加热：160℃(90min)-260℃(90min)-360℃(60min)，之后降温，且固化过程中需要用氮气保护，使用聚酰亚胺制作斜台面24，其一可以提供P型电极与器件之间的绝缘电隔离，其二是可以起到保护脊和有源区的作用，同时还有利于减小器件电容，提高带宽；在深脊结构20的上面经斜台面24延伸至衬底100上制作钛金行波电极结构25的信号电极；在深脊结构20两侧的N型金属欧姆接触22上经斜台面24延伸至衬底100上制作钛金行波电极结构25的接地电极；先在整个样片上蒸发金属TiAu，厚度为其中Ti厚度为

Au厚度为然后通过光刻显影，采用湿法腐蚀TiAu来制作行波电极结构25，由于金属电极从台面结构23到半绝缘衬底100上，高度落差很大，大约有3μm，中间经过聚酰亚胺制作的斜台面24可以使衬底100上的行波电极缓慢爬升到台面结构上，采用爬坡过渡，可以解决高度落差的问题。

综上所述，本发明的制作方法为：

1)在一衬底100上采用金属有机气相沉积的方法依次生长铟磷应力缓冲层1、第一1.2Q四元层2、第一铟磷层3、第二1.2Q四元层4、第二铟磷层5、第一n-1.2Q四元层6、第一n-铟磷层7、第二n-1.2Q四元层8、第二n-铟磷层9、第三n-1.2Q四元层10、第三n-InP层11、n-1.1Q四元层12、i-1.4Q四元层13、InP选择化学停止层14、p-InGaAs层15、p-InP盖层16、InGaAs接触层17；生长多模稀释光纤波导层，光匹配层和280nmp型InGaAsP吸收层。

2)生长一层氧化硅掩模18，湿法刻蚀出氧化硅图形保护PD区的氧化硅掩蔽条19，反应离子刻蚀(RIE)刻蚀至第一n-1.2Q四元层6或第一n-铟磷层7或第二n-1.2Q四元层8，形成的深脊结构20。

3)刻蚀入射窗口区，采用自对准技术和湿法化学腐蚀方法腐蚀掉部分深脊结构20，腐蚀深度至InP选择化学停止层14，形成入射窗口区21；

4)带胶剥离的方法制作N型金属Au/Ge/Ni欧姆接触，在深脊结构20的两侧采用带胶剥离的方法制作N型金属欧姆接触22，其长度至入射窗口区21的边缘；

5)制作绝缘台面结构，采用湿法刻蚀的方法，将衬底100上至N型金属欧姆接触外侧边缘以外的各层刻蚀掉；保留入射窗口区20一侧的各层，在衬底100上形成台面结构23，则衬底100上台面结构以外的半绝缘磷化铟层将作为行波电极微波传输线输入、输出部分绝缘介质；

6)采用聚酰亚胺制作斜台面结构，在台面结构23、远离入射窗口区20的一端采用聚酰亚胺制作一斜台面24；

7)制作Ti/Au行波电极结构，在深脊结构20的上面经斜台面24延伸至衬底100上制作钛金行波电极结构25的信号电极；在深脊结构20两侧的N型金属欧姆接触22上经斜台面24延伸至衬底100上制作钛金行波电极结构25的接地电极；

8)减薄解理；

9)在无源入射窗口一端镀光学增透膜。

本发明的优点在于：

1、采用行波电极结构，光电探测器的3dB电学带宽没有RC限制，可以实现40GHz或更高的带宽。电极结构经过模拟计算，有效的降低的器件的微波传输损耗和反射损耗。

2、它集成了多模稀释光纤波导大大提高了光纤波导的耦合效率和对准容差，从而提高了量子效率；利用光匹配层中的模式拍频效应使光慢慢耦合到吸收层中，使光生载流子沿着吸收层长度均匀分布，从而提高了饱和光功率。

3、它集成了单一载流子光电探测器，单一载流子光电探测器采用p型InGaAs光吸收层和n型宽禁带耗尽收集层，由于耗尽区中只有一种载流子即具有高迁移率的电子，减小了空间电荷效应，提高了饱和功率。另外，电子具有比空穴高的饱和速度，提高的响应速度。因此可以实现高速高饱和输出。

4、器件制作只需要一次外延、工艺简单可行，制作成本低。

Claims (5)

1.一种倏逝波耦合型单一载流子行波光电探测器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在一衬底上采用金属有机气相沉积的方法依次生长铟磷应力缓冲层、第一1.2Q四元层、第一铟磷层、第二1.2Q四元层、第二铟磷层、第一n-1.2Q四元层、第一n-铟磷层、第二n-1.2Q四元层、第二n-铟磷层、第三n-1.2Q四元层、第三n-InP层、n-1.1Q四元层、i-1.4Q四元层、InP选择化学停止层、p-InGaAs层、p-InP盖层、InGaAs接触层；

步骤2：在InGaAs接触层上生长一层氧化硅掩膜；

步骤3：采用光刻的方法，将氧化硅掩膜两侧的氧化硅刻蚀掉，形成出保护单一载流子光电探测区的氧化硅掩蔽条，然后在氧化硅掩蔽条的保护下，用反应离子刻蚀的方法，刻蚀掉氧化硅掩蔽条的两侧，刻蚀深度至第一n-1.2Q四元层或第一n-铟磷层或第二n-1.2Q四元层，得到深脊结构；

步骤4：采用自对准方法，湿法腐蚀掉部分深脊结构，腐蚀深度至InP选择化学停止层，形成入射窗口区；

步骤5：在深脊结构的两侧采用带胶剥离的方法制作N型金属欧姆接触，其长度至入射窗口区的边缘；

步骤6：采用湿法刻蚀的方法，将衬底上至N型金属欧姆接触外侧边缘以外的各层刻蚀掉；保留入射窗口区一侧的各层，在衬底上形成台面结构；

步骤7：在台面结构、远离入射窗口区的一端制作一斜台面；

步骤8：在深脊结构的上面经斜台面延伸至衬底上制作钛金行波电极结构的信号电极；在深脊结构两侧的N型金属欧姆接触上经斜台面延伸至衬底上制作钛金行波电极结构的接地电极；

步骤9：减薄解理，完成整个器件的制作。

2.根据权利要求1所述的倏逝波耦合型单一载流子行波光电探测器的制作方法，其特征在于，其中所述的衬底为半绝缘磷化铟衬底。

3.根据权利要求1所述的倏逝波耦合型单一载流子行波光电探测器的制作方法，其特征在于，其中步骤1所述的第一1.2Q四元层至InP选择化学停止层为倏逝波耦合波导结构，其中第一1.2Q四元层至第三n-InP层为光纤多模稀释波导层；n-1.1Q四元层和i-1.4Q四元层为光波匹配层。

4.根据权利要求1所述的倏逝波耦合型单一载流子行波光电探测器的制作方法，其特征在于，其中所述i-1.4Q四元层至p-InGaAs层为单一载流子光电探测器结构，其中i-1.4Q四元层为耗尽收集层，p-InGaAs层为p型吸收层。

5.根据权利要求1所述的倏逝波耦合型单一载流子行波光电探测器的制作方法，其特征在于，其中所述斜台面的材料为聚酰亚胺。

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