CN112366247B - 一种转移印刷集成的顶入射InGaAs探测器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种转移印刷集成的顶入射InGaAs探测器的制备方法，该方法通过在被集成的衬底上优先制备一层金属作为探测器的背反射层，同时该层金属也可作为探测器集成时的对准标记。本发明可以有效地提升集成的顶入射探测器的响应度：解决了传统顶入射探测器由于缺少光反射层导致探测效率低的问题，从而提升集成的探测器的工作性能。本发明有望推广至其他集成顶入射式III‑V族探测器的集成中，具有较好的通用性。
Description
技术领域
本发明属于光电集成器件领域。
背景技术
随着光电集成技术的不断革新，对有源光器件与无源光器件间的集成需求愈发强烈。其中将III-V族光探测器与硅光平台或者与CMOS等电路芯片的有效集成一直是研究的热点之一。利用外延层转移印制技术可以实现III-V组光探测器与另类衬底的集成，是满足该领域技术需求的有效解决途径。
InGaAs探测器是一种面向1310nm和1550nm光通讯领域应用的重要探测器。顶入射PIN探测器是最常见的探测器结构，在通讯领域应用中，探测器的光响应度及其-3dB带宽分别与吸收层厚度成正、反比。因此，在探测器的设计时，光响应度与带宽呈现一对矛盾。随着未来对探测器带宽要求逐步增加，顶入射式的吸收区材料厚度将进一步减小，因此其光响应度将受到严重的影响。相比于背入射式探测器结构，由于集成的顶入射探测器难以制备反射金属层，其光响应度受到进一步影响，探测器整体性能较差。因此急需一种保证吸收区材料厚度不变，却可以提升集成顶入射InGaAs探测器光响应度的制备方法。
发明内容
发明目的：为了解决上述背景技术中存在的问题，本发明提供了一种转移印刷集成的顶入射InGaAs探测器的制备方法。
技术方案：本发明提供了一种转移印刷集成的顶入射InGaAs探测器的制备方法，该方法包括如下步骤：
步骤1：在半绝缘InP衬底的预设的区域上依次沉积InGaAs牺牲层，InP腐蚀停止层，n型接触InGaAs层，n型InP层，i型InGaAs层，p型InP层及p型接触InGaAs层，从而在半绝缘InP衬底上形成外延薄膜；
步骤2：在半绝缘InP衬底的外延薄膜上依次采用光刻工艺，金属沉积和湿法腐蚀，从而制作得到带有P区台面，I区台面和N区台面的InGaAs探测器；并在半绝缘InP衬底的上预留十字对准标记；将此时的结构记为S1；
步骤3：在探测器的表面包裹一层SiNx薄膜，所述x为N离子和Si离子的比例；
步骤4：腐蚀InGaAs牺牲层，从而使得SiNx薄膜支撑InGaAs探测器；
步骤5：基于S1俯视图制作带有十字对准标记的聚二甲基硅氧烷的预聚物印章；
步骤6：制作表面与结构S1俯视图相同的带有预固化苯并环丁烯的硅衬底；
步骤7：将步骤5中的聚二甲基硅氧烷的预聚物印章通过十字对准标记缓慢压在SiNx薄膜的顶面，并迅速抬起，从而将探测器从半绝缘InP衬底粘起，并转移至印章表面；
步骤8：通过十字对准标记将探测器缓慢压在步骤6中硅衬底表面的相应位置，待探测器底部与目标衬底表面完全接触后，将聚二甲基硅氧烷的预聚物印章抬起，从而实现探测器上SiNx薄膜与聚二甲基硅氧烷的预聚物印章之间的分离和探测器向硅衬底的印制；
步骤9：将步骤8所得到的结构置于烘箱中烘烤，实现苯并环丁烯的完全固化，从而得到顶入射InGaAs探测器。
进一步的，所述步骤2具体为：
步骤2.1：采用紫外光刻在p型接触InGaAs层形成掩膜，基于光刻的图案，在掩膜上沉积一层金属，采用磷酸-双氧水腐蚀液腐蚀除金属区域以外的p型接触InGaAs层，再采用磷酸-盐酸腐蚀液腐蚀除金属区域以外的p型InP层；从而得到探测器的P区台面，并暴露出p型InP层下的i型InGaAs层；
步骤2.2：在暴露出的i型InGaAs层进行紫外光刻，并采用磷酸-双氧水腐蚀液腐蚀i型InGaAs层的未曝光区域，从而暴露出i型InGaAs层下的n型InP层，并采用磷酸-盐酸腐蚀液腐蚀n型InP层，从而得到探测器的I区台面，并暴露出n型InP层下的n型InGaAs层；
步骤2.3：在暴露出的n型InGaAs层进行紫外光刻，基于光刻的图案，在掩膜上沉积一层金属，并采用磷酸-双氧水腐蚀液腐蚀n型InGaAs层上除金属以外的区域，从而暴露出n型InGaAs层下的InP腐蚀停止层,再采用磷酸-盐酸腐蚀液腐蚀InP腐蚀停止层,最后采用磷酸-双氧水腐蚀液腐蚀部分InGaAs牺牲层，从而得到探测器的N区台面。
进一步的，所述步骤3具体为：采用等离子体增强沉积法在探测器表面沉积一层SiNx薄膜，再依次通过紫外光刻及SF6气体干法刻蚀将探测器表面沉积的SiNx薄膜包裹在探测器表面。
进一步的，所述步骤4中采用FeCl3：6H2O固体与水组成的腐蚀液腐蚀InGaAs牺牲层；所述FeCl3：6H2O固体与水的比例为1克：3毫升。
进一步的，所述步骤6具体为：基于结构S1的俯视图对硅片进行紫外光刻形成光刻掩膜，将聚二甲基硅氧烷的预聚物与交联剂按比例进行充分搅拌混合，将搅拌均匀的聚二甲基硅氧烷涂覆在光刻掩膜上，并在室温环境下静置，从而实现印章高分子的充分固化，待印章固化完成后，将印章从硅片上剥离形成聚二甲基硅氧烷的预聚物印章。
进一步的，所述步骤5具体为：在硅片上依次进行紫外光刻和金属沉积，使得硅片表面金属图案与结构S1俯视图相同；将苯并环丁烯溶液与甲苯按比例混合稀释，在完成金属沉积的硅片表面旋涂稀释后的苯并环丁烯溶液，将旋涂后的硅片放入烤箱烘烤，实现甲苯的挥发，从而得到带有预固化苯并环丁烯的硅衬底。
进一步的，所述步骤1中采用分子束外延沉积法在半绝缘InP衬底的预设的区域上依次沉积InGaAs牺牲层，InP腐蚀停止层，n型接触InGaAs层，n型InP层，i型InGaAs层，p型InP层及p型接触InGaAs层。
有益效果：
(1)本发明采用了在目标衬底待集成探测器的位置预先沉积金属反射层的设计。入射光通过顶入射探测器吸收区后被该层金属反射再经吸收区2次吸收，探测器的光响应度可提升约20％，克服了传统集成的顶入射探测器难以制备反射层，光响应度低的问题。
(2)本发明采用了SiNx作为InGaAs探测器包裹层与支撑的材料，其机械强度高致密性好，足以保护包裹下的InGaAs器件有源区外延层，并且无需传统使用光刻胶保护层需要的后续去胶处理；
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明结构S1的示意图，其中(a)为主视图，(b)为俯视图；
图3为本发明结构S2的示意图，其中(a)为主视图，(b)为俯视图；
图4为本发明结构S3的示意图，其中(a)为主视图，(b)为俯视图；
图5为本发明结构S5的横截面示意图；
图6为本发明的顶入射InGaAs探测器的截面示意图。
具体实施方式
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
如图1所示本实施例提供了一种转移印刷集成的顶入射InGaAs探测器的制备方法，包含以下步骤：
步骤1：使用分子束外延(MBE)沉积方法在半绝缘磷化铟(InP)衬底上依次沉积：InGaAs牺牲层、InP腐蚀停止层、n型接触InGaAs层、n型InP层、i型InGaAs层、p型InP层及p型接触InGaAs层；本实施例中半绝缘磷化铟InP衬底的厚度为625μm，尺寸为3英寸；InGaAs牺牲层采用600nm的In0.53Ga0.47As牺牲层；InP腐蚀停止层为15nm；n型接触InGaAs层为100nm的In0.53Ga0.47As层；n型InP层为150nm；i型InGaAs层为500nm的500nm的；p型InP的厚度为150nm；p型接触InGaAs层为100nm的接触In0.53Ga0.47As层。
步骤2：通过对步骤(1)所制备的InGaAs/InP多层外延薄膜表面进行光刻工艺，并配以多次金属沉积、湿法腐蚀等形成探测器台面结构(P区台面，I区台面和N区台面)及十字对准图形，将此时的结构记为S1，该结构如图2的(a)(b)所示；
步骤3：在探测器的表面包裹一层SiNx,所述x为N离子和Si离子的比例，并将此时的结构记为S2，S2的结构如图3的(a)(b)所示；
步骤4：腐蚀InGaAs牺牲层，从而使得SiNx薄膜作为支撑的InGaAs探测器的结构，并将此时的结构记为S3,S3的结构如图4的(a)(b)所示；
步骤5：基于S1俯视图即图2中的(b),制作带有十字对准标记的聚二甲基硅氧烷的预聚物印章；
步骤6：制作表面与结构S1俯视图即图2中的(b)相同的带有预固化苯并环丁烯的硅衬底，将该硅衬底的结构记为S4；
步骤7：将步骤5中的聚二甲基硅氧烷的预聚物印章通过十字对准标记缓慢压在SiNx薄膜的顶面，并迅速抬起，从而将探测器从半绝缘InP衬底粘起，并转移至印章表面；将此时的结构记为S5，S5如图5所示；
步骤8：通过十字对准标记将探测器缓慢压在硅衬底表面的相应位置，待探测器底部与目标衬底表面完全接触后，将聚二甲基硅氧烷的预聚物印章抬起，从而实现探测器上SiNx薄膜与聚二甲基硅氧烷的预聚物印章之间的分离和探测器向硅衬底的印制；
步骤9：将步骤8所得到的结构置于烘箱中烘烤(具体为：从室温20℃，以1℃/分钟的升温速度升至250℃，并保持1小时)，实现苯并环丁烯的完全固化，从而得到顶入射InGaAs探测器，该顶入射InGaAs探测器的结构如图6所示。
本实施例中，所述步骤2具体为：
步骤2.1：采用紫外光刻在p型接触InGaAs层形成掩膜，基于光刻的图案，在掩膜上沉积一层金属，采用磷酸-双氧水腐蚀液腐蚀除金属区域以外的p型接触InGaAs层，再采用磷酸-盐酸腐蚀液腐蚀除金属区域以外p型InP层；从而得到探测器的P区台面，并暴露出p型InP层下的i型InGaAs层；
步骤2.2：在暴露出的i型InGaAs层进行紫外光刻，并采用磷酸-双氧水腐蚀液腐蚀i型InGaAs层的未曝光区域，从而暴露出i型InGaAs层下的n型InP层，并采用磷酸-盐酸腐蚀液腐蚀n型InP层，从而得到探测器的I区台面，并暴露出n型InP层下的n型InGaA层；
步骤2.3：在暴露出的n型InGaAs层进行紫外光刻，基于光刻的图案，在掩膜上沉积一层金属，并采用磷酸-双氧水腐蚀液腐蚀n型InGaAs层上除金属以外的区域，从而暴露出n型InGaAs层下的InP腐蚀停止层,再采用磷酸-盐酸腐蚀液腐蚀InP腐蚀停止层,最后采用磷酸/双氧水腐蚀液腐蚀腐蚀部分InGaAs牺牲层，从而得到探测器的N区台面。
所述磷酸双氧水腐蚀液中磷酸：双氧水：水的比例为3:1:50；所述磷酸盐酸腐蚀液中磷酸：盐酸的比例为4:1。
本实施例中，所述步骤3具体为：采用等离子体增强沉积PECVD的方法在探测器表面沉积一层200nm SiNx薄膜，再依次通过紫外光刻及SF6气体干法刻蚀将探测器表面沉积的SiNx薄膜包裹在探测器表面，尺寸为40μm*40μm。
本实施例中，所述步骤4中将被SiNx包裹在探测器浸泡在FeCl3：6H2O固体与水组成的腐蚀液中，浸泡45min；所述FeCl3：6H2O固体与水的比例为1克：3毫升，从而完全腐蚀掉牺牲层。
本实施例中，所述步骤5具体为：基于结构S1的俯视图对硅片进行紫外光刻形成光刻掩膜，将聚二甲基硅氧烷的预聚物PDMS与交联剂按比例进行充分搅拌混合(聚二甲基硅氧烷的预聚物：交联剂为8:1)，将搅拌均匀的聚二甲基硅氧烷涂覆在光刻掩膜上，并在室温20℃环境下静置36小时从而实现印章高分子的充分固化，待印章固化完成后，将印章从硅片上剥离形成聚二甲基硅氧烷的预聚物印章。
本实施例中，所述步骤6具体为：在硅片上依次进行紫外光刻和金属沉积，使得硅片表面金属图案与结构S1俯视图相同；将苯并环丁烯BCB溶液与甲苯按比例混合稀释(苯并环丁烯(BCB)溶液与甲苯的比例为1：10)，在完成金属沉积的硅片表面以3000rpm转速旋涂稀释后的苯并环丁烯溶液，将旋涂后的硅片放入烤箱烘烤(在100℃环境温度的条件下，烘烤90s)，实现甲苯的挥发，从而得到带有预固化带有预固化的硅衬底。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (7)
1.一种转移印刷集成的顶入射InGaAs探测器的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1：在半绝缘InP衬底的预设的区域上依次沉积InGaAs牺牲层，InP腐蚀停止层，n型接触InGaAs层，n型InP层，i型InGaAs层，p型InP层及p型接触InGaAs层，从而在半绝缘InP衬底上形成外延薄膜；
步骤2：在半绝缘InP衬底的外延薄膜上依次采用光刻工艺，金属沉积和湿法腐蚀，从而制作得到带有P区台面，I区台面和N区台面的InGaAs探测器；并在半绝缘InP衬底上预留十字对准标记；将此时的结构记为S1；
步骤3：在探测器的表面包裹一层SiNx薄膜，所述x为N离子和Si离子的比例；
步骤4：腐蚀InGaAs牺牲层，从而使得SiNx薄膜支撑InGaAs探测器；
步骤5：基于S1俯视图制作带有十字对准标记的聚二甲基硅氧烷的预聚物印章；
步骤6：制作表面与结构S1俯视图相同的带有预固化苯并环丁烯的硅衬底；
步骤7：将步骤5中的聚二甲基硅氧烷的预聚物印章通过十字对准标记缓慢压在SiNx薄膜的顶面，并迅速抬起，从而将探测器从半绝缘InP衬底粘起，并转移至印章表面；
步骤8：通过十字对准标记将探测器缓慢压在步骤6中硅衬底表面的相应位置，待探测器底部与目标衬底表面完全接触后，将聚二甲基硅氧烷的预聚物印章抬起，从而实现探测器上SiNx薄膜与聚二甲基硅氧烷的预聚物印章之间的分离和探测器向硅衬底的印制；
步骤9：将步骤8所得到的结构置于烘箱中烘烤，实现苯并环丁烯的完全固化，从而得到顶入射InGaAs探测器。
2.根据权利要求1所述的一种转移印刷集成的顶入射InGaAs探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤2具体为：
步骤2.1：采用紫外光刻在p型接触InGaAs层形成掩膜，基于光刻的图案，在掩膜上沉积一层金属，采用磷酸-双氧水腐蚀液腐蚀除金属区域以外的p型接触InGaAs层，再采用磷酸-盐酸腐蚀液腐蚀除金属区域以外的p型InP层；从而得到探测器的P区台面，并暴露出p型InP层下的i型InGaAs层；
步骤2.2：在暴露出的i型InGaAs层进行紫外光刻，并采用磷酸-双氧水腐蚀液腐蚀i型InGaAs层的未曝光区域，从而暴露出i型InGaAs层下的n型InP层，并采用磷酸-盐酸腐蚀液腐蚀n型InP层，从而得到探测器的I区台面，并暴露出n型InP层下的n型InGaAs层；
步骤2.3：在暴露出的n型InGaAs层进行紫外光刻，基于光刻的图案，在掩膜上沉积一层金属，并采用磷酸-双氧水腐蚀液腐蚀n型InGaAs层上除金属以外的区域，从而暴露出n型InGaAs层下的InP腐蚀停止层,再采用磷酸-盐酸腐蚀液腐蚀InP腐蚀停止层,最后采用磷酸-双氧水腐蚀液腐蚀部分InGaAs牺牲层，从而得到探测器的N区台面。
3.根据权利要求1所述的一种转移印刷集成的顶入射InGaAs探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤3具体为：采用等离子体增强沉积法在探测器表面沉积一层SiNx薄膜，再依次通过紫外光刻及SF6气体干法刻蚀将探测器表面沉积的SiNx薄膜包裹在探测器表面。
4.根据权利要求1所述的一种转移印刷集成的顶入射InGaAs探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤4中采用FeCl3：6H2O固体与水组成的腐蚀液腐蚀InGaAs牺牲层；所述FeCl3：6H2O固体与水的比例为1克：3毫升。
5.根据权利要求1所述的一种转移印刷集成的顶入射InGaAs探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤5具体为：基于结构S1的俯视图对硅片进行紫外光刻形成光刻掩膜，将聚二甲基硅氧烷的预聚物与交联剂按比例进行充分搅拌混合，将搅拌均匀的聚二甲基硅氧烷涂覆在光刻掩膜上，并在室温环境下静置，从而实现印章高分子的充分固化，待印章固化完成后，将印章从硅片上剥离形成聚二甲基硅氧烷的预聚物印章。
6.根据权利要求1所述的一种转移印刷集成的顶入射InGaAs探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤6具体为：在硅片上依次进行紫外光刻和金属沉积，使得硅片表面金属图案与结构S1俯视图相同；将苯并环丁烯溶液与甲苯按比例混合稀释，在完成金属沉积的硅片表面旋涂稀释后的苯并环丁烯溶液，将旋涂后的硅片放入烤箱烘烤，实现甲苯的挥发，从而得到带有预固化苯并环丁烯的硅衬底。
7.根据权利要求1所述的一种转移印刷集成的顶入射InGaAs探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤1中采用分子束外延沉积法在半绝缘InP衬底的预设的区域上依次沉积InGaAs牺牲层，InP腐蚀停止层，n型接触InGaAs层，n型InP层，i型InGaAs层，p型InP层及p型接触InGaAs层。
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