CN116154042B - 一种集成布拉格反射器的波导型光电探测器件的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于侧入射光电器件的分布式布拉格反射器制作方法，属于分布式布拉格反射器技术领域。制备操作步骤如下：（1）在基板上干法刻蚀深槽状的预留空间，（2）采用原子层沉积法在预留空间内沉积生长种子层，种子层材料为氧化硅或氮化硅；（3）采用等离子体增强化学气相沉积法，在种子层上生长薄膜层，薄膜层由至少分别交替三次的氧化硅薄膜或氮化硅薄膜构成；（4）采用电感耦合等离子体刻蚀去除多余的薄膜层，保留与水平设置的波导型探测器结构的有源区结构相对应的预留空间内垂直侧壁上的薄膜层，形成呈垂直状态的分布式布拉格反射器，再制备波导型探测器，制成集成布拉格反射器的波导型光电探测器件。本发明操作简单、低成本。
Description
技术领域
本发明属于分布式布拉格反射器技术领域，具体涉及一种应用于光电子器件芯片领域、可制备在侧壁结构的分布式布拉格反射器制备方法。
背景技术
分布式布拉格反射器是由两种不同折射率的材料交替排列组成的周期结构。现有的制备方法主要是借助磁控溅射镀膜（sputter）以及电子束蒸发镀膜（e-beam）进行制备。利用布拉格反射器对半导体光电器件进行响应度增强已经广泛应用于商用光电探测器，光电激光器的器件中。但是，目前通过磁控溅射镀膜制备的分布式布拉格反射器主要可以制备金属氧化物结构，但是由于磁控溅射为真空环境下的溅射镀膜，镀膜具备很强的方向性，只能在样品的水平表面进行制备（面入射器件），不能实现制作在结构侧面。电子束蒸发镀膜制备分布式布拉格反射器具有同样问题，都不能在本身的半导体结构侧壁进行薄膜定义，都不能实现在侧入射光电器件的有源区侧壁进行分布式布拉格反射器结构定义，两种方法都有很强的局限性，而且镀膜速率很慢，针对金属氧化物薄膜，他们的镀膜速率都在1A/s 的数量级，针对工业大规模应用成本相对较高，不利于批量生产。
等离子体增强化学的气相沉积法（PECVD）常用于半导体工艺中的掩模制备和钝化等工艺流程之中，作为半导体行业中非常流行的氮氧化物制备方法，具备很快的镀膜速率（300nm/min）,而且薄膜生长不具备方向性，可以在气体流通的地方都生长氮化硅，可以广泛应用于侧入射式光电探测器（WG-PD）或者侧出射激光器（EML）当中，能对侧入射光电器件的外量子效率进行极大地提升，但是目前没有产品把相关工艺应用于侧入射结构的增反薄膜制备之中。波导型光电探测器作为下一代光通信光接收端的核心器件，具备带宽高，响应度大的优良特性，基于三五族化合物半导体以及硅锗的波导型光电探测器可以对光通信波段的光信号实现光电转换过程，但是波导型光电探测器相关器件没有与分布式布拉格反射器进行结合过，应用于波导型探测器的分布式布拉格反射器可以进一步提升波导型光电探测器的响应度。
发明内容
为了实现简单高效在侧入射光电器件的有源区侧壁制备分布式布拉格反射器，本发明提供一种集成布拉格反射器的波导型光电探测器件的制作方法。
一种集成布拉格反射器的波导型光电探测器件的制备操作步骤如下：
（1）在基板上干法刻蚀深槽状的预留空间
所述基板包括依次连接的衬底1和有源层2；在所述有源层2上涂设光刻胶层，确定预留空间区域的位置；
采用电感耦合等离子体刻蚀方法深刻蚀预留空间区域，得到刻蚀深度至衬底1上部的预留空间3；
（2）制作种子层
采用原子层沉积法在有源层2上和预留空间3内沉积生长种子层4；所述种子层4材料为氧化硅或氮化硅；
（3）在种子层上生长薄膜层
采用等离子体增强化学气相沉积法，在种子层上生长薄膜层，所述薄膜层上分别交替生长氧化硅薄膜或氮化硅薄膜，且至少交替生长操作三次；每层薄膜的厚度为中心波长的四分之一除以折射率；
（4）制作集成布拉格反射器的波导型光电探测器件
采用电感耦合等离子体刻蚀机，刻蚀去除多余的薄膜层，保留与水平设置的波导型探测器结构7的有源区结构相对应的预留空间3内垂直侧壁上的薄膜层，形成呈垂直状态的分布式布拉格反射器；
在分布式布拉格反射器上方的有源层2上制备波导型探测器7，制备成集成布拉格反射器的波导型光电探测器件。
进一步的技术方案如下：
步骤（1）中，所述基板的厚度至少为100um，所述有源层2的厚度至少为1um；所述预留空间3为立方体，深度为5-25um，长度为20-100um，宽度为15-25um。
步骤（2）中，在温度300℃的条件下，循环生长种子层300-1000个循环，得到致密的氧化层或者氮化层。
步骤（3）中，等离子体增强化学气相沉积法的氮化硅生长条件：温度300℃、气压1000mtorr、浓度5%的硅烷的流量110sccm、氮气流量700sccm、射频功率20W，每层氮化硅的生长厚度为195nm。
步骤（3）中，等离子体增强化学气相沉积法的氧化硅生长条件：温度300℃、气压1000mtorr、5%硅烷的流量150sccm，笑气的流量710sccm，每层氧化硅的生长厚度为290nm。
步骤（4）中，电感耦合等离子体刻蚀条件：刻蚀气体为按体积比3：100由氧气和三氟碘甲烷组成的混合气体、刻蚀气流量105sccm、气压50mTorr、射频功率1500W。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1.本发明实现了简单、快速、低成本制作侧入射式器件的布拉格反射器。相比于传统应用于面入射或者背入射半导体器件中的分布式布拉格反射器，本发明的制备方法能应用于新型侧入射式的半导体器件，光在侧入射光电器件有源区传播的过程中，光本应该在器件尾端透射出去损耗掉，不过有了分布式布拉格反射器，光可以在有源区内部被反射90%以上，第二次经过有源区，被吸收层吸收两次，极大提升器件的量子效率。从实验结果上看，能对侧入射波导型光电探测器的响应度提升15.7%，极大提升了器件性能。从工艺角度看，相比于没有布拉格反射器的器件，仅仅在工艺上多了3步，而且耗时短，性能提升大，性价比非常高。
2.针对有源区面积为5um*10um的波导型探测器器件，没有布拉格反射器的波导型探测器结构响应度为0.57A/W，添加了布拉格反射器结构的相同探测器器件的响应度为0.66A/W，在不牺牲器件其他性能的前提下实现了响应度的提升。
3.通过PECVD生长的分布式布拉格反射器的多层膜结构膜厚均匀，致密性好，可以在波导型探测器工作波段提供良好的反射率，可以通过增强在波导型探测器内部的量子效率使光信号在波导型探测器结构中进行多次吸收，对波导型探测器响应度进行提升。
附图说明
图1为波导探测器基板结构示意图。
图2为在基板上刻蚀出深槽状的预留空间示意图。
图3为等离子体增强化学气相沉积法沉积种子层示意图。
图4为在种子层上生长薄膜层示意图。
图5为在分布式布拉格反射器与探测器芯片结合的示意图。
图6为图1的横截面二维图。
图7为图2的横截面二维图。
图8为通过原子层沉积法沉积种子层结构示意图。
图9为图3的横截面二维图。
图10为图4的横截面二维图。
图11为在种子层上分别交替生长五次氧化硅薄膜和氮化硅薄膜的薄膜层示意图。
图12为分布式布拉格反射器与探测器芯片结合的结构示意图。
上图中的序号含义：衬底1、有源层2、预留空间3、种子层4、氧化硅薄膜5、氮化硅薄膜6、波导型探测器结构7。
具体实施方式
为了验证本发明提出的制备分布式布拉格反射镜方法的可行性，采用本发明描述的方法在波导型光电探测器芯片上制备分布式布拉格反射器。
实施例1
一种集成布拉格反射器的波导型光电探测器件的器制备操作步骤如下：
（1）在基板上干法刻蚀深槽状的预留空间
参见图1和图6，制备探测器的基板包括依次连接的衬底1和有源层2。其中有源区2为InGaAs/InP材料体系的探测器外延结构。在有源层2上涂设光刻胶层，确定预留空间区域的位置。基板的厚度为100um，有源层2的厚度为10um。
参见图2和图7，采用电感耦合等离子体刻蚀方法深刻蚀预留空间区域，刻蚀温度为60℃、气压为8mTorr、溴化氢气体流量为15sccm、RF功率200W、电感耦合等离子体刻蚀功率800W，得到刻蚀深度至衬底1上部的预留空间3；预留空间3的深度15um、宽度15um、长度50um。
（2）制作种子层
参见图8，采用原子层沉积法在有源层2和预留空间3内沉积生长种子层4，种子层4材料为氮化硅，厚度为30nm。原子层沉积法的操作条件：温度300℃、循环生长300个循环。
（3）在种子层上生长薄膜层
参见图3和图9，采用等离子体增强化学气相沉积法，在种子层4上生长薄膜层。薄膜层上分别交替生长氮化硅薄膜6和氧化硅薄膜5，且交替生长操作三次；每层薄膜的厚度为中心波长的四分之一除以折射率。
氮化硅薄膜6的生长条件：温度300℃、气压1000mtorr、浓度5%的硅烷的流量110sccm、氮气流量700sccm、射频功率20W。每层氮化硅薄膜的厚度为195nm。
氧化硅薄膜5的生长条件：温度300℃、气压1000mtorr、浓度5%的硅烷的流量150sccm、笑气流量710sccm、射频功率20W。每层氧化硅薄膜的总厚度为290nm。
（4）制作集成布拉格反射器的波导型光电探测器件
参见图4和图10，采用电感耦合等离子体刻蚀机，刻蚀去除多余的薄膜层，保留与水平设置的波导型探测器结构7的有源区结构相对应的预留空间3内垂直侧壁上的薄膜层，形成呈垂直状态的由三层交替生长氮化硅薄膜6和氧化硅薄膜5构成的分布式布拉格反射器。刻蚀条件：刻蚀气体为按体积比3：100由氧气和三氟碘甲烷组成的混合气体、刻蚀气流量105sccm、气压50mTorr、射频功率1500W，保证只有预留空间3内垂直侧壁存在分布式布拉格反射器，见图10。
利用干法刻蚀对薄膜层结构进行刻蚀，将多余的氮化硅薄膜6和氧化硅薄膜5刻蚀掉。其中干法刻蚀需要调整氮化硅和氧化硅刻蚀选择比1:1。
参见图5，在分布式布拉格反射器上方的有源层2上制备波导型探测器7结构，制备成集成布拉格反射器的波导型光电探测器器件。
参见图5中的箭头所示，当集成分布式布拉格反射器的波导型光电探测器用于数据中心的光通讯接收模块中时，光发射器中的光信号通过光纤耦合进入到了波导型探测器7中，在波导型探测器7吸收层传播的光从侧面入射经过分布式布拉格反射器，实现将光在由氮化硅薄膜6和氧化硅薄膜5组成的吸收层多次反射，提升波导型探测器有源区吸收层内部的量子效率从而增加波导型探测器的响应度。
实施例2
一种集成布拉格反射器的波导型光电探测器件的制备操作步骤如下：
（1）在基板上干法刻蚀深槽状的预留空间
参见图1和图6，制备探测器的基板包括依次连接的衬底1和有源层2。其中有源区2为Si/Ge材料体系的探测器外延结构。在有源层2上涂设光刻胶层，确定预留空间区域的位置。基板的厚度为500um，有源层2的厚度为10um。
参见图2和图7，采用电感耦合等离子体刻蚀方法深刻蚀预留空间区域，刻蚀温度为60℃、气压为8mTorr、溴化氢气体流量为15sccm、RF功率200W、电感耦合等离子体刻蚀功率800W，得到刻蚀深度至衬底1上部的预留空间3；预留空间3的深度15um、宽度25um、长度100um。
（2）制作种子层
参见图8，采用原子层沉积法在有源层2和预留空间3内沉积生长种子层4，种子层4材料为氮化硅，厚度为50nm。原子层沉积法的操作条件：温度300℃、循环生长500个循环。
（3）在种子层上生长薄膜层
参见图11，采用等离子体增强化学气相沉积法，在种子层4上生长薄膜层。薄膜层上分别交替生长氧化硅薄膜5和氮化硅薄膜6，且交替生长操作五次；每层薄膜的厚度为中心波长的四分之一除以折射率。
氧化硅薄膜5的生长条件：温度300℃、气压1000mtorr、浓度5%的硅烷的流量150sccm、笑气流量710sccm、射频功率20W。每层氧化硅薄膜的总厚度为290nm。
氮化硅薄膜6的生长条件：温度300℃、气压1000mtorr、浓度5%的硅烷的流量110sccm、氮气流量700sccm、射频功率20W。每层氮化硅薄膜的厚度为195nm。
（4）制作集成布拉格反射器的波导型光电探测器件
参见图12，采用电感耦合等离子体刻蚀机，刻蚀去除多余的薄膜层，保留与水平设置的波导型探测器结构7的有源区结构相对应的预留空间3内垂直侧壁上的薄膜层，形成呈垂直状态的由五层交替生长氧化硅薄膜5和氮化硅薄膜6构成的分布式布拉格反射器。刻蚀条件：刻蚀气体为按体积比3：100由氧气和三氟碘甲烷组成的混合气体、刻蚀气流量105sccm、气压50mTorr、射频功率1500W，保证只有预留空间3内垂直侧壁存在分布式布拉格反射器。
利用干法刻蚀对多层膜结构进行刻蚀，将多余的氧化硅薄膜5和氮化硅薄膜6刻蚀掉。其中干法刻蚀需要调整氮化硅与氧化硅刻蚀选择比1:1。
在分布式布拉格反射器上方的有源层2上制备波导型探测器7结构，制备成集成布拉格反射器的波导型光电探测器器件。
光从侧面入射经过分布式布拉格反射器，实现将光在由氮化硅薄膜6和氧化硅薄膜5组成的吸收层多次反射，提升波导型探测器7有源区吸收层内部的量子效率从而增加波导型探测器7的响应度。
Claims (6)
1.一种集成布拉格反射器的波导型光电探测器件的制作方法，其特征在于操作步骤如下：
（1）在基板上干法刻蚀深槽状的预留空间
所述基板包括依次连接的衬底（1）和有源层（2）；在所述有源层（2）上涂设光刻胶层，确定预留空间区域的位置；
采用电感耦合等离子体刻蚀方法深刻蚀预留空间区域，得到刻蚀深度至衬底（1）上部的预留空间（3）；
（2）制作种子层
采用原子层沉积法在有源层（2）上和预留空间（3）内沉积生长种子层（4）；所述种子层（4）材料为氧化硅或氮化硅；
（3）在种子层上生长薄膜层
采用等离子体增强化学气相沉积法，在种子层上生长薄膜层，所述薄膜层上分别交替生长氧化硅薄膜或氮化硅薄膜，且至少交替生长操作三次；每层薄膜的厚度为中心波长的四分之一除以折射率；
（4）制作集成布拉格反射器的波导型光电探测器件
采用电感耦合等离子体刻蚀机，刻蚀去除多余的薄膜层，保留与水平设置的波导型探测器结构（7）的有源区结构相对应的预留空间（3）内垂直侧壁上的薄膜层，形成呈垂直状态的分布式布拉格反射器，在分布式布拉格反射器上方的有源层（2）上制备波导型探测器（7），制备成集成布拉格反射器的波导型光电探测器件。
2.根据权利要求1中一种集成布拉格反射器的波导型光电探测器件的制作方法，其特征在于：步骤（1）中，所述基板的厚度至少为100um，所述有源层（2）的厚度至少为1um；所述预留空间（3）为立方体，深度为5-25um，长度为20-100um，宽度为15-25um。
3.根据权利要求1中一种集成布拉格反射器的波导型光电探测器件的制作方法，其特征在于：步骤（2）中，在温度300℃的条件下，循环生长种子层（4）300-1000个循环，得到致密的氧化层或者氮化层。
4.根据权利要求1中一种集成布拉格反射器的波导型光电探测器件的制作方法，其特征在于：步骤（3）中，等离子体增强化学气相沉积法的氮化硅生长条件：温度300℃、气压1000mtorr、5%硅烷的流量110sccm、氮气流量700sccm、射频功率20W，每层氮化硅的生长厚度为195nm。
5.根据权利要求1中一种集成布拉格反射器的波导型光电探测器件的制作方法，其特征在于：步骤（3）中，等离子体增强化学气相沉积法的氧化硅生长条件：温度300℃、气压1000mtorr、5%硅烷的流量150sccm，笑气的流量710sccm，每层氧化硅的生长厚度为290nm。
6.根据权利要求1中一种集成布拉格反射器的波导型光电探测器件的制作方法，其特征在于：步骤（4）中，电感耦合等离子体刻蚀条件：刻蚀气体为按体积比3：100由氧气和三氟碘甲烷组成的混合气体、刻蚀气流量105sccm、气压50mTorr、射频功率1500W。
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