CN116759466A - 一种基于倒装键合的高功率改进型单载流子光电探测器 - Google Patents
一种基于倒装键合的高功率改进型单载流子光电探测器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于倒装键合的高功率改进型单载流子光电探测器，具体为：通过金属有机化学气相沉积在半绝缘InP衬底上生长InP和InGaAs晶圆的外延层结构，外延层结构依次为n接触层、漂移层、悬崖层、吸收层和p接触层；n接触层为重n型掺杂的InP，p接触层为重p型掺杂InGaAs；吸收层为40nm厚的耗尽吸收层和120nm厚的非耗尽吸收层，悬崖层为30nm厚，漂移层为250nm厚；在漂移层下方添加了一层50nm厚的p型掺杂电荷牺牲层。本发明实现了超宽带UTC‑PD，并通过使用倒装键合技术提高器件的散热性能实现高饱和输出功率。
Description
技术领域
本发明属于光电探测领域，尤其涉及一种基于倒装键合的高功率改进型单载流子光电探测器。
背景技术
微波光子学由于包括模拟光学链路，太赫兹通信、微波信号的光学产生等众多应用，受到广泛关注。在这些系统中，光到电的转换由光电二极管(photodiode，PD)实现，其性能很大程度上决定了系统的工作频率和性能。例如在模拟光子链路中，高速、大功率PD是实现高链路增益、低噪声系数和大无杂散动态范围的必要条件。传统的光电探测器是PIN类型的，其中光生电子和空穴作为双载流子进行输运。但由于空穴的迁移速率较低，PIN-PD的带宽受限，并且由于低的迁移速率加剧了载流子的堆积从而增强了空间电荷效应，使得射频输出功率也受到限制。相比于PIN-PD，单载流子光电探测器(uni-traveling carrier PD，UTC-PD)由于空穴在吸收区迅速弛豫，只有具有高迁移率的电子作为有源载流子，因此具有更大的带宽及更高的输出功率。
在UTC-PD结构中，由于吸收区(通常为InGaAs)和耗尽区(通常为InP)能带的不连续，电子在吸收区和耗尽区之间的异质结界面堆积，从而限制了器件的输出功率和线性度。这一问题可以通过将部分吸收层进行耗尽掺杂使得异质结界面上具有强的电场，从而减轻电子堆积，在不牺牲带宽的情况下提高了PD的响应度，即改进的UTC-PD(modified-UTC-PD，MUTC-PD)。在大电流时，会引起耗尽吸收层的场崩塌，而减小的电场进而影响电子的渡越，恶化器件的饱和性能。通过引入一个崖层可以进一步增强异质结界面处的电场而获得更高的饱和电流。此外，在吸收层中的电场会在电流时发生畸变，可以将漂移层进行轻n掺杂作为空间电荷补偿层。在该层中，电场被预畸变，从而在高光电流下获得平坦的电场。除了空间电荷效应，器件的散热能力也是限制饱和输出功率的一个重要因素。在多种散热技术中，倒装键合技术实现了最优的结果。
随着微波光子学系统的频带向更高的频率移动，对更高速的光电二极管的需求也日益增加。通过减小耗尽区的厚度，可以提高PD的带宽。但在高速PD中，即使在低偏置电压下，耗尽区也存在相对高的电场，使电子达到饱和速度，没有实现速度超调，降低了器件带宽。因此，实现大带宽高饱和输出的光电探测器需要对器件的层结构进行合理的设计，并且要实现好的散热。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种基于倒装键合的高功率改进型单载流子光电探测器。
本发明的一种基于倒装键合的高功率改进型单载流子光电探测器，通过金属有机化学气相沉积(metal-organic chemical vapor deposition，MOCVD)在半绝缘InP衬底上生长InP和InGaAs晶圆的外延层结构，外延层结构依次为n接触层、牺牲层、漂移层、悬崖层、吸收层和p接触层。
n接触层为5×1018cm-3的重n型掺杂的InP，p接触层为2×1019cm-3的重p型掺杂InGaAs，高的掺杂浓度可以与金属形成良好的欧姆接触，降低器件的电阻。
吸收层为40nm厚的耗尽吸收层和120nm厚的非耗尽吸收层，非耗尽吸收层为5×1017cm-3-2×1018cm-3的渐变掺杂的吸收层，非耗尽吸收层会产生一个内建电场促进光生电子的漂移运动。
在InP和InGaAs界面添加InGaAsP四元化合物层来平滑能带。
利用40nm厚的耗尽吸收层和30nm后的悬崖层来帮助光生载流子穿过异质结界面，减轻空间电荷效应。此外，对250nm的漂移层进行n掺杂用来预改变电场分布，实现大的高饱和输出。
为了解决高速光电探测器收集层电子速度饱和的问题，在漂移层下方添加了一层50nm厚的7×1017cm-3的p型掺杂电荷牺牲层，用来调节漂移区中的电场，使得光生电子以过冲速度进行输运，实现器件的大带宽。
本发明通过设计和流片，制作出直径为4μm、6μm，8μm和10μm的器件，对应带宽分别达到了150GHz、129GHz、117GHz和105GHz。此外，在90、100、110、150和165GHz处分别实现了12.7dBm、11.3dBm、8.5dBm、-3dBm和-5.7dBm的射频输出功率。
本发明的一种基于倒装键合的高功率改进型单载流子光电探测器的制作方法，具体为：
首先利用干法刻蚀工艺刻蚀到n接触层，形成p台面的形状，然后利用同样的干法刻蚀工艺刻蚀到InP衬底层形成n台面，经过两步刻蚀工艺，得到改进型单载流子光电探测器UTC-PD的基本结构；在n接触层和p接触层上面分别沉积钛/铂/金/钛和金锗/镍/金作为n和p金属层；将背面的350μm的InP衬底减薄到130μm后抛光；在衬底背面沉积一层255nm的二氧化硅层作为抗反射层，之后将制作好的晶圆切割成1mm×1.3mm的芯片；利用FineTechpico系统将PD芯片与散热衬底进行倒装键合提升器件的饱和输出，最后得到改进型单载流子光电探测器MUTC-PD。
本发明的有益技术效果为：
本发明通过在UTC-PD的漂移层中插入p型掺杂的电荷牺牲层来控制漂移层中的电场分布，使电子达到超调速度(～4×107cm/s)，实现了超宽带UTC-PD。本发明通过使用倒装键合技术提高器件的散热性能实现高饱和输出功率。
附图说明
图1为本发明MUTC-PD的外延层结构。
图2为本发明MUTC-PD的外延层能带图。
图3为本发明MUTC-PD的光学显微镜图。
图4为本发明MUTC-PD的扫描电子显微镜图。
图5为金刚石衬底上8μm直径器件的暗电流。
图6为本发明器件射频性能测试结构。
图7为金刚石衬底上直径为4μm、6μm、8μm和10μm的器件频率响应图((a)4μm、(b)6μm、(c)8μm和(d)10μm)。
图8为不同器件的饱和输出功率汇总。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细说明。
本发明的一种基于倒装键合的高功率改进型单载流子光电探测器，通过金属有机化学气相沉积(metal-organic chemical vapor deposition，MOCVD)在半绝缘InP衬底上生长InP和InGaAs晶圆的外延层结构，外延层结构如图1所示，依次为n接触层、牺牲层、漂移层、悬崖层、吸收层和p接触层。外延层能带图如图2所示。
在外延层的两端，n接触层为5×1018cm-3的重n型掺杂的InP，p接触层为2×1019cm-3的重p型掺杂InGaAs，高的掺杂浓度可以与金属形成良好的欧姆接触，降低器件的电阻。
吸收层为40nm厚的耗尽吸收层和120nm厚的非耗尽吸收层，非耗尽吸收层为5×1017cm-3-2×1018cm-3的渐变掺杂的吸收层，非耗尽吸收层会产生一个内建电场促进光生电子的漂移运动。
利用40nm厚的耗尽吸收层和30nm后的悬崖层来帮助光生载流子穿过异质结界面，减轻空间电荷效应。此外，对250nm的漂移层进行n掺杂用来预改变电场分布，实现大的高饱和输出。
为了解决高速光电探测器收集层电子速度饱和的问题，在漂移层下方添加了一层50nm厚的7×1017cm-3的p型掺杂电荷牺牲层，用来调节漂移区中的电场，使得光生电子以过冲速度进行输运，实现器件的大带宽。
本发明通过设计和流片，制作出直径为4μm、6μm，8μm和10μm的器件，对应带宽分别达到了150GHz、129GHz、117GHz和105GHz。此外，在90、100、110、150和165GHz处分别实现了12.7dBm、11.3dBm、8.5dBm、-3dBm和-5.7dBm的射频输出功率。
本发明的一种基于倒装键合的高功率改进型单载流子光电探测器的制作方法，具体为：
首先利用干法刻蚀工艺刻蚀到n接触层，形成p台面的形状，该步骤定义了有源区的大小和位置。然后利用同样的干法刻蚀工艺刻蚀到InP衬底层形成n台面，经过两步刻蚀工艺，得到改进型单载流子光电探测器UTC-PD的基本结构。在n接触层和p接触层上面分别沉积钛/铂/金/钛和金锗/镍/金作为n和p金属层。有源区制作结束后，将背面的350μm的InP衬底减薄到130μm后抛光。在衬底背面沉积一层255nm的二氧化硅层作为抗反射层。之后将制作好的晶圆切割成1mm×1.3mm的芯片。为了提升器件的热耗散，利用FineTechpico系统将PD芯片与散热衬底进行倒装键合提升器件的饱和输出。分别用金刚石、氮化铝和硅作为散热衬底，上面具有精心设计的共面波导电极来调整PD的电容和电感。最后得到改进型单载流子光电探测器MUTC-PD光学显微镜图如图3所示，扫描电子显微镜图如图4所示。
测试：
首先对得到的器件进行直流测试。暗电流作为噪声的主要来源是一个重要的性能指标。在-3V的偏压下直径为8μm的器件的暗电流大约为200nA，如图5所示。其次，通过在给定的光功率情况下测试器件的输出电流，得到MUTC-PD在1.55μm波长处的光响应度为0.17A/W。器件的S参数通过频宽为DC-67GHz的矢量网络分析仪来测得。通过建立等效电路模型并拟合S参数，可以提取出器件的参数，从而得到RC限制带宽和载流子渡越时间限制带宽，金刚石衬底上PD的各项参数图表1所示。
表1金刚石衬底上器件提取的参数
| 器件参数 | 4μm | 6μm | 8μm | 10μm |
| 结电容 | 16 fF | 21 fF | 25.5fF | 33fF |
| 结电阻 | 16Ω | 11Ω | 10Ω | 9Ω |
| 共面波导电容 | 12.6fF | 12.6fF | 12.6fF | 12.6fF |
| 共面波导电感 | 150pH | 150pH | 150pH | 150pH |
器件理想的电容由公式(1)可以计算，4μm，6μm，8μm和10μm器件的理想电容分别为3.4fF,7.7fF,13.7fF,and 21.4fF。通过与提取的器件参数比较，可得我们器件的寄生电容大致为12.5fF。
随后，我们利用图6结构测试了包括器件带宽，饱和输出功率在内的射频相应。两个激光器产生的连续光经过一个3-dB耦合器产生100％调制深度的拍频信号，两路光的偏振态分别由两个偏振控制器调控。拍频信号的频率通过改变器件一路激光器的输出波长来控制，信号的功率则由掺饵光纤放大器和可调光衰减器来控制。最后信号光通过一个光斑直径为4μm的透镜光纤入射到器件中进行探测。
在-3V的偏压和6mA的光电流条件下进行了带宽测试，图7给出了测试得到的金刚石衬底上器件的带宽。直径为4μm、6μm，8μm和10μm的器件分别得到了150GHz、129GHz、117GHz和105GHz的带宽。
最后我们测试了器件的饱和输出性能，图8给出了不同散热衬底，不同大小器件的饱和射频输出功率。
综上，利用倒装键合技术，本发明提供了一种带宽高达150GHz的高饱和输出光电探测器。
Claims (3)
1.一种基于倒装键合的高功率改进型单载流子光电探测器，其特征在于，通过金属有机化学气相沉积在半绝缘InP衬底上生长外延层结构，外延层结构依次为n接触层、牺牲层、漂移层、悬崖层、吸收层和p接触层；
n接触层为5×1018cm-3的重n型掺杂的InP，p接触层为2×1019cm-3的重p型掺杂InGaAs；
吸收层为40nm厚的耗尽吸收层和120nm厚的非耗尽吸收层，非耗尽吸收层为5×1017cm-3-2×1018cm-3的渐变掺杂的吸收层；
悬崖层为30nm厚，漂移层为250nm厚；
在漂移层下方添加了一层50nm厚的7×1017cm-3的p型掺杂电荷牺牲层。
2.根据权利要求1所述的一种基于倒装键合的高功率改进型单载流子光电探测器，其特征在于，所述光电探测器制作直径为4μm、6μm、8μm和10μm，对应带宽分别达到了150GHz、129GHz、117GHz和105GHz。
3.根据权利要求1所述的一种基于倒装键合的高功率改进型单载流子光电探测器的制作方法，其特征在于，具体为：
首先利用干法刻蚀工艺刻蚀到n接触层，形成p台面的形状，然后利用同样的干法刻蚀工艺刻蚀到InP衬底层形成n台面，经过两步刻蚀工艺，得到改进型单载流子光电探测器UTC-PD的基本结构；在n接触层和p接触层上面分别沉积钛/铂/金/钛和金锗/镍/金作为n和p金属层；将背面的350μm的InP衬底减薄到130μm后抛光；在衬底背面沉积一层255nm的二氧化硅层作为抗反射层，之后将制作好的晶圆切割成1mm×1.3mm的芯片；利用FineTechpico系统将PD芯片与散热衬底进行倒装键合提升器件的饱和输出，最后得到改进型单载流子光电探测器MUTC-PD。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN117913160A (zh) * | 2024-03-20 | 2024-04-19 | 度亘核芯光电技术(苏州)有限公司 | 双崖层调控高速单行载流子光电探测器 |
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2023
- 2023-06-16 CN CN202310715948.4A patent/CN116759466A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117913160A (zh) * | 2024-03-20 | 2024-04-19 | 度亘核芯光电技术(苏州)有限公司 | 双崖层调控高速单行载流子光电探测器 |
| CN117913160B (zh) * | 2024-03-20 | 2024-05-31 | 度亘核芯光电技术(苏州)有限公司 | 双崖层调控高速单行载流子光电探测器 |
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