CN101958362A - 纳米波导结构半导体光探测器制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纳米波导结构半导体光探测器的制备方法，包括以下步骤：在半绝缘衬底上生长光探测器的外延材料，依次生长缓冲层，底部谐振腔反射镜，下隔离层，探测器吸收层，上隔离层，顶部谐振腔反射镜；在光探测器顶部欲作为反射镜的薄膜上实现具有特定几何图样的有限周期数目纳米波导结构；去除没有进行保护的区域，直到露出欧姆接触层表面；在欧姆接触层表面蒸发多层金属合金，同步完成垂直腔型光探测器的欧姆接触层；进行光探测器的隔离和介质钝化以及开孔互连，得到所需光探测器。其可作为光探测器谐振腔的宽带高反射率反射镜、偏振控制器或自聚焦透镜，解决工作在光通信用长波长波段的半导体光探测器中磷化铟基材料的制约。

Description

纳米波导结构半导体光探测器制备方法

技术领域：

本发明涉及一种应用新型有限周期数目纳米波导结构的半导体光探测器。特别涉及了光探测器中具有不同周期维度，不同几何形状的纳米微结构的制备方法。

背景技术：

随着加工工艺(例如：半导体外延生长技术、光刻技术、纳米压印技术等)的不断发展，具备优异的光电特性的有限周期数目纳米结构的制备瓶颈逐渐被攻克，这种新颖的功能性材料在传感、集成光学、全息处理等众多领域中起着日益重要的作用，可以充当高性能的互联波导、滤波器以及偏振分束器。

目前光通信技术的发展中遇到一个严重阻碍是绝大多数能够工作在通信用长波长波段的半导体光探测器的研制受到材料固有性质的制约，即由于磷化铟(InP)基衬底上外延生长的材料系的折射率差通常很小(约0.15)，因此很难实现高反射率的分布布拉格反射镜(DBR)，也就难以实现高品质的光学谐振腔。

发明内容：

本发明的目的是在半导体外延层上实现集成了有限周期数目纳米波导结构的光探测器，这种纳米波导结构的类型包括矩形条状有限周期数目纳米波导结构、单层网格状有限周期数目纳米波导结构、多层网格状有限周期数目纳米波导结构和有限周期数目纳米线阵列。它们可以作为光电探测器中谐振腔反射镜。

本发明提供一种具有纳米微结构波导的半导体光探测器的制备方法，包括以下步骤：

1)在半绝缘衬底上生长光探测器的外延材料，依次生长缓冲层，底部谐振腔反射镜，下隔离层，探测器吸收层，上隔离层，顶部谐振腔反射镜；

2)通过步骤1)，在光探测器顶镜外延层上加工具有特定几何图样的有限周期数目纳米波导结构；

3)刻蚀掉没有保护的区域，直到露出欧姆接触层表面；

4)利用光刻工艺，金属化工艺，剥离工艺，经过步骤3)后，再欧姆接触层表面蒸发多层金属合金，同步完成垂直腔型光探测器的欧姆接触层；

5)进行光探测器的隔离和介质钝化以及开孔互连，得到所需光探测器。

所述步骤1)中在半绝缘衬底上用金属有机物气相沉积(MOCVD)系统或分子束外延(MBE)系统生长垂直腔型光探测器的外延材料，下隔离层为n型掺杂，上隔离层为p型掺杂。

所述步骤2)中光探测器顶镜所具有的特定几何图样，即有限周期数目纳米波导结构，是通过光刻、纳米压印技术实现的。

所述步骤3)采用光刻胶保护纳米微结构图样，没有进行保护的区域采用湿法腐蚀技术除去指定区域的外延材料，直到露出欧姆接触层表面。

所述纳米波导结构为矩形条状、单层网格状或多层网格状有限周期数目纳米结构。

步骤1所述半绝缘衬底为掺杂或不掺杂的InP或砷化镓(GaAs)或硅(Si)材料，缓冲层与衬底材料相同，用于缓解异质外延之间的晶格失配，底部和顶部谐振腔反射镜由两种折射率不同的半导材料体交替生长构成的DBR堆栈。步骤2所述纳米微结构图形采用以模板为基础的纳米压印方式制造，以压印机将具特定图案的模子施加于渡有高分子光阻层的基板上，待降温后，移除模板，即可在光阻层形成所要图案。纳米微结构波导外围由低折射材料包围，波导周期长度小于入射激光波长。

采用上述方法的效益在于利用纳米微结构波导实现反射镜可以使探测器的综合性能，比如量子效率，抗串扰衰减得到改进，而且纳米微结构波导实现反射镜，需要的介质层数小于达到同样反射性能的DBR的层数，有效地解决了铟镓砷磷(InGaAsP)/InP系DBR反射率低、反射带宽窄以及制备困难的问题。为实现高性能长波长光探测器提供了新途径。

实现具有指定占空比、周期长度及厚度的矩形条状有限周期数目纳米结构或单层、多层网格状有限周期数目纳米波导结构或有限周期数目纳米线阵列结构。

利用目前成熟的半导体外延技术可以在纳米量级精度加工指定厚度的由多种材料构成的薄膜，利用光刻技术、纳米压印技术等半导体器件后工艺手段，可以加工出具有上述波导，本发明的优点在于相比多层(通常在20层左右)介质堆栈膜系构成的DBR，纳米波导所需外延生长的材料层数目更少，简化了外延生长工艺流程，且反射特性更加优越，应用于光通信用垂直腔型探测器中可以获得更高的量子效率。如：选择InP材料衬底，最外层为真空，设横电(TE)模电磁波从探测器顶部垂直入射，在InP衬底上外延生长4对InGaAsP/InP四分之一波长DBR堆栈后，由InGaAsP材料构成矩形条状波导周期结构，周期200nm，占空比70％，其余部分填充空气，波导结构厚度为0.1μm，反射镜在中心波长处的反射率大于99％时，在1.40至1.62μm范围内反射率高于99％，如将其作为垂直腔型光电探测器中的顶镜，可以使光电探测器的量子效率在1.55μm中心波长处高于80％，如果将顶镜替换成传统DBR结构，所用材料、层数、厚度皆不变，量子效率则降低至40％以下，如果需要提高量子效率至80％，则同样材料的DBR膜系层数需要超过60层。

目前，部分研究者提出将光子晶体引入垂直腔表面发射激光器(VCSEL)中，作为谐振腔的反射镜，能够使器件的结构更加紧凑，并通过精确设计光子晶体的结构，微腔模式体积达到了光波波长量级，极大地提高了自发发射因子。借鉴这种思想，本发明将光子晶体替换为纳米波导结构，并将其应用于具有垂直腔结构的光探测器中的反射镜中。

由于波导的尺寸小于入射光波，并且具有特定的图样，根据半导体介质表面等离子体极化效应，纳米波导可充当红外反射镜，它能够在光通信波段1.55μm附近，实现高反射率(超过99％)，宽反射带(超过200nm的波长范围内实现反射率超过95％)，而且所需要的波导材料层数小于实现同样性能的由四分之一波长薄膜堆栈叠加构成DBR，而DBR反射镜则是垂直腔型光探测器的重要组成部分。

目前光通信探测器中遇到的困难是大多数能够工作在1.55μm波段的半导体光探测器的研制受到材料固有性质的制约，例如InP基衬底上外延生长的材料系的折射率差通常很小(约0.15)，因此很难实现高反射率DBR。换言之，如果实现高反射率(R＞99％)，宽带(在1.55μm波长附近，满足高于R＞95％的波长范围在几十纳米)需要构成DBR的InP基薄膜层数超过数十层，而且对每一层薄膜的厚度都要进行严格控制(精度达到1nm)，这就对工艺提出了苛刻的要求，导致难以实现高品质的光学谐振腔。因此本发明提出的纳米波导结构代替垂直腔光探测器中的DBR，可以提高谐振性能，由于反射镜的反射率提高，根据垂直腔型光探测器量子效率计算公式发现，器件会具有更高的量子效率，同时得益于纳米波导结构在高反射率范围内存在平坦的反射谱，可使探测器的量子效率在预期波长范围内保持稳定，从而使光探测器能够容忍接收光信号的波长漂移，提高了器件的接收稳定性，同时也降低了工艺复杂度，因为达到满足探测器性能时所需的纳米波导的材料层数一般不超过10层。通过仔细调节波导的关键尺寸参数，如厚度，周期，占空比等，可以实现极高反射率的宽带反射性能，故本发明涉及的纳米波导可以在提升光探测器灵敏度，响应速度和结构紧凑化方面发挥重要应用作用。

最后，之所以没有与本发明类似方案，一方面是因为光电二极管(PIN)已经凭借其低廉成本，满足一般商用需要而取得广泛应用，并且不需要内部集成谐振腔，因此人们对光探测器的研究热情不高，同时也限制了研究思路，认为谐振结构对于探测器不是必需的，但本发明人发现垂直腔型探测器得益于新颖的垂直结构，特别是其中的谐振腔增强型探测器，有望进一步扩展探测器的响应度，集成度，从而在未来可能具有更广阔的应用领域，所以率先将纳米波导应用于此。另一方面，加工出具有特殊图样的纳米波导所需的工艺手段在目前还没有得到广泛应用，而我方有能力采用先进的半导体外延和光刻等工艺手段进行器件试制。如MOCVD、MBE技术进行半导体薄膜外延的加工精度可以控制在原子量级，采用掩膜技术，电子束刻蚀以及等感应耦合等离子体刻蚀技术可以制备精度在10nm量级的特殊波导图样，如矩形条状纳米波导，网格状纳米波导等。

附图说明

下面结合附图进一步阐明本发明实施例

图1是本发明采用矩形条状有限周期数目纳米波导结构作为反射镜或偏振控制器或自聚焦透镜的光电探测器的结构示意图。

图2是本发明采用单层网格状有限周期数目纳米波导结构作为反射镜或偏振控制器或自聚焦透镜的光电探测器的结构示意图。

图3是本发明采用多层网格状有限周期数目纳米波导结构作为反射镜或偏振控制器或自聚焦透镜的光电探测器的结构示意图。

图4是本发明采用有限周期数目纳米线阵列作为反射镜或偏振控制器或自聚焦透镜的光电探测器的结构示意图。

图5是本发明的光电探测器的再一实施例结构示意图。

其中：1、InGaAsP与空气交替构成的矩形条状有限周期数目纳米波导结构，2、InP/InGaAsP DBR顶镜，3、p型掺杂的InP上隔离层，4、InGaAs吸收层，5、n型掺杂的InP下隔离层，6、InP/InGaAsP DBR底镜，7、InGaAsP矩形条状有限周期数目纳米波导结构的俯视图，8、InGaAsP与空气交替构成的单层网格状有限周期数目纳米波导结构，9、InGaAsP与空气交替构成的单层网格状有限周期数目纳米波导结构的俯视图，10InGaAsP与空气交替构成的多层网格状有限周期数目纳米波导结构，11、InGaAsP与空气交替构成的多层网格状有限周期数目纳米波导结构中的某一层网格状有限周期数目纳米波导结构俯视图，12、InGaAsP与空气交替构成的多层网格状有限周期数目纳米波导结构中的某一层网格状有限周期数目纳米波导结构俯视图，13、被空气包围的InGaAsP有限周期数目纳米线阵列，14、被空气包围的InGaAsP有限周期数目纳米线阵列俯视图，15、具体实施例中的InP基光探测器中的2对DBR底镜，16、17、19、20、具体实施例InP基光探测器中具有不同掺杂浓度的下隔离层，18具体实施例中InP基光探测器的吸收层

具体实施方式：

一种采用有限周期数目纳米波导结构的半导体光探测器的设计与实现方法，在垂直腔型光探测器外延材料上利用半导体外延生长技术、刻蚀技术和纳米压印技术，实现具有所需占空比、周期长度和厚度的矩形条状有限周期数目纳米波导结构或单层、多层网格状有限周期数目纳米波导结构或有限周期数目纳米线阵列结构。

依据上述方法，生产材料和制作器件过程如下，以InP基光探测器为例，本发明实施流程如下，首先进行器件外延生长，即在InP衬底上依次外延生长InP缓冲层；构成探测器DBR底镜的四分之一波长薄膜堆栈；p型掺杂InP底电极接触层；本征InP隔离层；本征InGaAs吸收层，本征型InP隔离层；n型掺杂的InP顶电极接触层；构成探测器DBR顶镜的四分之一波长薄膜堆栈；用于形成具有特殊图案的有限周期数目纳米结构的InP半导体材料层。

具体地说，首先是在InP衬底上生长0.5μm厚的n掺杂的InP缓冲层，然后是由2对InGaAsP/InP四分之一波长薄膜堆栈构成的器件底镜(图5中用15标示)。在底镜上外延光探测器的下隔离层，它由300nm和1000nm厚的具有不同掺杂浓度的n掺杂InP层构成(图5中分别用16和17标示)，器件的吸收层由168nm的InGaAs材料构成(图5中用18标示)。吸收区上的上隔离层由1000特意掺杂的p型InP层构成(图5中分别用19和20标示)。然后是400nm的高p掺杂的InP接触层。其上外延出2对InGaAsP/InP四分之一波长堆栈(图5中用21标示)，最后对外延出的器件顶层反射镜薄膜采用刻蚀或纳米压印技术进行后工艺处理，加工出具有特殊图案的有限周期数目纳米波导结构，对于纳米线阵列还可以采用外延自组织技术生长(图5中用22标示)；采用磁控溅射系统在外延出的p型、n型掺杂的InP材料电极接触层上镀探测器电极。入射光由器件顶部正入射。

其中衬底还可以采用GaAs，Si等材料的衬底，根据不同参数要求，具有有限周期数目纳米微结构的光探测器外延材料的各层材料可以选用与上述实施例不同的材料，但基本结构不变。

Claims (7)

1.一种纳米波导结构半导体光探测器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在半绝缘衬底上生长光探测器的外延材料，依次生长缓冲层，底部谐振腔反射镜，下隔离层，探测器吸收层，上隔离层，顶部谐振腔反射镜；

2)在步骤1)中形成的外延材料结构上，在光探测器顶镜上实现具有特定几何图样的有限周期数目纳米结构；

3)去除非图形区域，直到露出欧姆接触层表面；

4)利用光刻工艺，金属化工艺，剥离工艺，在经过步骤3)后的欧姆接触层表面蒸发多层金属合金，同步完成垂直腔型光探测器的欧姆接触层；

5)进行光探测器的隔离和介质钝化以及开孔互连，得到所需光探测器。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中在半绝缘衬底上用金属有机物气相沉积系统或分子束外延系统生长垂直腔型光探测器的外延材料，所述下隔离层为n型掺杂，上隔离层为p型掺杂。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中光探测器顶镜上特定几何图样的有限周期数目纳米结构通过光刻工艺，纳米压印技术实现。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)采用光刻胶保护纳米波导微结构图形区域，余下的区域采用湿法腐蚀技术腐蚀掉指定区域的外延材料，直到露出欧姆接触层表面。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳米波导结构为矩形条状有限周期数目纳米结构。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳米波导结构为单层网格状有限周期数目纳米结构。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳米波导结构为多层网格状有限周期数目纳米结构。

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