CN116884981B - 一种响应0.85微米雪崩二极管与平面透镜的集成结构及其制程 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种近红外(0.4微米～1.1微米)雪崩光电二极管(APD)探测器与平面透镜的集成结构及其制程，其工作波长对0.85微米波段的光响应灵敏。此APD探测器集成结构基于吸收‑电荷‑倍增分离雪崩二极管(SACM‑APD)的晶圆外延片集成纳米单元阵列的介质平面透镜，使正面入射光的功率通量集中到探测器的受光区域，表现出高透射率和聚焦能力，具有非衍射限制的聚焦和高传输效率，实现填充因子和光能利用率的增强。适用与互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容的制造技术和材料，具备在成本、功耗、轻薄和集成度上优势，广泛应用于光通信、光互联存储系统等光模块核心器件领域。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电子材料及雪崩光电二极管(SACM-APD)光电探测器集成技术领域，具体涉及近红外波段基于雪崩光电二极管(SACM-APD)晶圆外延生长兼容材料与平面透镜集成制备工艺。
背景技术
光子技术结合光的速度和带宽，具备抗干扰性和快速传播的特性。利用现有互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容技术上的投资、设施、经验来设计、制造、封装光器件和光电集成，在成本、功耗、集成度上突破现有光电技术的局限性，满足现代高速发展的信息产业对光电子技术的需求和融合发展的趋势。随着光纤通信技术进步，高性能的近红外探测器需要同时具有高的响应率、低的击穿电压温度系数与小的响应时间。不仅在光通和数据中心上有应用需求，还在激光雷达、生物传感、光量子计算等多个领域已经取得了大量的应用。雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode,APD)通过施加反向电压产生具有内部增益的光电二极管，较之于PIN光电二极管，具有更高的信噪比(SNR)、快速响应、低暗电流和高灵敏度的特点。
紧凑的基于0.85微米近红外波段单模APD光电探测器拥有高带宽、高增益的特点，在弱信号探测以及需要高速度、高灵敏度和高量子效率的长距探测方面有非常大的优势。评估单模APD探测器的暗电流、光响应、均一性、串扰等几个性能参数重要指标，随着模组器件的轻薄化，损失将增加，光耦合过程变得困难，导致APD量子效率(响应率、灵敏度)的降低。提高APD芯片表面有效面积的思路是提高APD检测效率的一个重要方面。目前最佳方法之一是在APD芯片表面使用微透镜，微透镜可以使入射光收敛到敏感表面，放大微弱的输入信号，大大提高APD的有效灵敏度，并可提供改进的信噪比，最大限度地提高其量子效率(响应率、灵敏度)提供有效途径。
由高透射率介质单元组成的平面微透镜已被证明具有非衍射限制的聚焦和高传输效率，表现出高透射率和聚焦能力以及大焦深。与传统非球面透镜、菲涅尔透镜相比，二维介质平面微透镜，依靠亚波长微纳结构实现等效折射率的改变，实现入射光场的梯度相位调节，从而在保证探测器光响应不变的前提下实现高效聚焦。适用与互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容的制造技术和材料，打破传统微透镜的占空比，具有更低噪声和更高的增益带宽，增加光能利用率，提高信号的响应度，灵敏度及探测率，实现衍射极限的光束纳米聚焦，大幅提高近红外APD的综合性能，这使其成为新一代硅光电倍增管光电探测器的最有前途的解决方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种响应0.85微米雪崩二极管(APD)与平面透镜的集成结构及其制备过程，该集成结构具有非衍射限制的聚焦和高传输效率，表现出高透射率和聚焦能力，具备成本低、功耗低、轻薄和集成度高等优势。
为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种响应0.85微米雪崩二极管(APD)与平面透镜的集成结构，包括：
吸收-电荷-倍增分离SACM-APD光电探测器；
其中，所述SACM-APD光电探测器包括n区电极，衬底，缓冲层，吸收层，电荷层，倍增层，受光层，钝化隔离层，p区电极；
与所述SACM-APD光电探测器集成的介质平面透镜层；
其中，所述介质平面透镜层包括平面透镜的单元阵列区、平面透镜的基底垫层，所述平面透镜的单元阵列区设置在所述平面透镜的基底垫层上形成一平面透镜的单元阵列区域，所述平面透镜的基底垫层设置于SACM-APD探测器的受光区域，由所述单元阵列区域、基底垫层构成所述介质平面透镜层。
根据本发明提供的一种响应0.85微米雪崩二极管(APD)与平面透镜的集成结构，所述平面透镜基底垫层为二氧化硅(SiO2)硬掩模基底垫层。
根据本发明提供的一种响应0.85微米雪崩二极管(APD)与平面透镜的集成结构，所述平面透镜的单元阵列区由多个相同周期不同直径的纳米圆柱单元阵列组成，将多个所述纳米圆柱单元阵列按照预定顺序分布到对应相位的平面位置，形成所述单元阵列区域。
根据本发明提供的一种响应0.85微米雪崩二极管(APD)与平面透镜的集成结构，当入射光通过光纤正面入射到所述平面透镜使入射光聚焦到SACM-APD光电探测器的受光区上，其工作波段范围0.4-1.1微米，设计波长对0.85微米响应度灵敏。
一种响应0.85微米雪崩二极管(APD)与平面透镜的集成结构的制备过程，其特征在于，包括以下步骤：
提供一吸收-电荷-倍增分离雪崩二极管(SACM-APD)的晶圆外延片，在外延片表面对准标记刻蚀切出台阶；
在SACM-APD光电探测器边缘沉积钝化隔离层，与吸收层顶部表面保持水平；
在p区受光区域顶部表面按标记沉积平面介质硬掩模硅基非金属的材料二氧化硅钝化层，形成平面透镜的基底垫层，并减薄平整厚度至K；
把SACM-APD探测器衬底减薄到M的厚度；
制备电子束光刻对准标记；
将SACM-APD探测器衬底沉积Ti/Au得到n区电极层；
在SACM-APD探测器受光区按标记沉积Ti/Au得到p区电极层；
进行对准曝光、显影得到平面透镜的阵列单元区图形，平面透镜的阵列单元区直径为N；
表面旋涂光刻胶，电子束光刻出阵列单元图形图案，形成平面透镜单元阵列区域；
完成其余后端器件工艺流程，制备出响应0.85微米波长SACM-APD探测器集成结构。
根据本发明提供的一种响应0.85微米雪崩二极管(APD)与平面透镜的集成结构的制备过程，K为0.9微米，M为100微米，N为210微米。
由此可见，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的一种二维结构组件阵列的超薄平面透镜的集成结构，通过亚波长的二维结构阵列可以对光相位调制，依靠亚波长微纳结构等效折射率的改变，对入射光场的梯度相位调节，对特定0.85微米波长的光在0-2π的相位突变，在探测器受光处实现高效聚焦，聚焦光斑更小且没有杂散光，从而在保证探测器光响应不变的前提下，提高光吸收率。
2、本发明通过改变二维介质材料的厚度，可以改变其带隙，从而调节材料的探测范围，还可以通过进一步减小吸收层厚度来提高器件响应速度。
3、本发明将光聚焦在小区域应该允许创建更小的电子空穴产生区域，这有利于雪崩的产生和信号形成的均匀性。其中，该方法是完全可扩展的，且可很容易地与其它光电探测器阵列集成。
4、本发明基于Si/Ge近红外SACM-APD晶圆外延兼容技术工艺制备，于此制备出具有高灵敏度的近红外SACM-APD探测器，轻薄平面化，在成本、集成度上突破现有光电技术的局限性。
5、本发明的平面透镜结构组件的几何单元为纳米圆柱，整个单模平面透镜由这些相同周期不同直径的纳米圆柱单元阵列组成，纳米圆柱具有高的纵横比和渐变梯度折射率分布。
6、本发明通过光纤将正面入射光通过平面透镜入射到光电二极管(SACM-APD)的受光面，聚焦到SACM-APD探测器的吸收层上，其工作波段范围0.4-1.1微米，设计波长对0.85微米响应度灵敏；介质平面透镜核心结构为相同周期不同直径的圆柱单元阵列，将圆柱组件单元按一定顺序分布到对应相位的平面位置，其特征具有高的纵横比和梯度渐变折射率；纳米圆柱单元的直径大小与相位的变换关系通过光学数值计算仿真得到，材料为具有高透射率的硅基非金属的介质材料二氧化硅(SiO2)。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明一种响应0.85微米雪崩二极管(APD)与平面透镜的集成结构实施例的剖视图。
图2是本发明一种响应0.85微米雪崩二极管(APD)与平面透镜的集成结构实施例的俯视图。
图3是本发明一种响应0.85微米雪崩二极管(APD)与平面透镜的集成结构实施例中透镜单元阵列相位分布俯视图。
图4是本发明一种响应0.85微米雪崩二极管(APD)与平面透镜的集成结构实施例中关于设计波长为0.85微米相位(Phase)与单元半径(Radius)线性关系图。
图5是本发明一种响应0.85微米雪崩二极管(APD)与平面透镜的集成结构实施例中纳米圆柱单元的结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
首先，本实施例属于雪崩光电二极管(SACM-APD)光电探测器集成技术领域，涉及用于响应红外0.85微米波段雪崩二极管(SACM-APD)探测器的平面透镜结构及其基于雪崩光电二极管(SACM-APD)晶圆外延生长兼容材料平面透镜集成工艺方法，可应用于光通信系统，光互联系统，光信息存储和激光雷达技术等半导体光电子材料及光模块核心器件领域。
其次，本实施例探测器外延技术外延出的介质钝化层上直接制备介质平面透镜，将功率通量集中到受光区域，满足所需要的相位分布和平面的光强分布，表现出高透射率和聚焦能力以及大焦深，从而抑制探测器的暗电流，降低噪声功率，提升光增益和光响应度。
一种响应0.85微米雪崩二极管(APD)与平面透镜的集成结构实施例：
参见图1至图5，本实施例提供的一种响应0.85微米雪崩二极管(APD)与平面透镜的集成结构，包括：
吸收-电荷-倍增分离SACM-APD光电探测器；
其中，SACM-APD光电探测器包括n区电极301，衬底101，缓冲层102，吸收层103，电荷层104，倍增层105，受光层106，钝化隔离层200，p区电极302；
与SACM-APD光电探测器集成的介质平面透镜层；
其中，介质平面透镜层包括单元阵列区、基底垫层401，平面透镜的单元阵列区设置在基底垫层401上形成单元阵列区域400，基底垫层401设置于SACM-APD探测器的受光区域106，由单元阵列区域400、基底垫层401构成介质平面透镜层。
在本实施例中，平面透镜基底垫层为二氧化硅(SiO2)硬掩模基底垫层。
在本实施例中，平面透镜的单元阵列区由多个相同周期不同直径的纳米圆柱单元阵列组成，将多个纳米圆柱单元阵列按照预定顺序分布到对应相位的平面位置，形成单元阵列区域。
在本实施例中，当入射光通过光纤正面入射到平面透镜使入射光聚焦到SACM-APD光电探测器的受光区上，其工作波段范围0.4-1.1微米，设计波长对0.85微米响应度灵敏。
具体的，本实施例的平面透镜为贴片式近红外SACM-APD光电探测器单模集成平面元透镜，本实施例APD光电探测器采用吸收-电荷-倍增层分离(SACM)结构，如图1所示，本实施例的平面透镜与APD的集成结构包括n区衬底层、缓冲区、本征吸收区、p区电荷掺杂区、雪崩倍增区、p区受光区、边缘钝化层、p区金属电极、n区金属电极、介质平面透镜的单元阵列区域400、二氧化硅(SiO2)介质基底垫层401。
通过光纤将正面入射光500通过平面透镜入射到光电二极管(APD)的受光面，聚焦到APD探测器的吸收层103上，灵敏度工作波段范围0.4-1.1微米，设计波长对0.85微米响应度灵敏，受光面200微米，焦斑大小为亚波长。平面透镜结构组件的几何单元为纳米圆柱，整个单模平面透镜由这些相同周期不同直径的纳米圆柱单元阵列组成，纳米圆柱具有高的纵横比和渐变梯度折射率分布，如图5所示。材料为高透过率硅基二氧化硅(SiO2)，实现对特定光波长0.85微米的在0-2π范围的相位突变。根据光学数值计算得到对纳米圆柱的高度，直径，周期等参数数值，对于整个受光表面，设计周期越多每个圆柱单元结构尺寸所占面积比例越小，得到的相位越精确。相位与半径的对应关系，如图4所示。
本实施例的平面透镜上焦距为0.9微米，将这些平面纳米组件单元按一定顺序分布到对应相位的平面位置，如图3所示。通过介质平面透镜对入射光500进行变换操作，整体结构的能量汇聚，构造圆对称光束，实现聚焦功能。
本实施例的SACM-APD光电探测器利用p-n结在高反向偏压下产生雪崩效应进行工作，具有较高内增益、光探测灵敏度、动态范围和探测率的性能，主要用于光通信、数据中心、光调制器和其他超快速光检测。APD光电探测器灵敏度的大小由光响应度和噪声功率共同决定。传统雪崩倍增增益会导致源自增益波动的过度噪声，这使得微弱信号常常被自身噪声信号淹没。暗电流在一定程度上反映了探测器的噪声水平，器件内增益越大，暗电流越大，探测器的噪声功率越大，制约其探测灵敏度的进一步提升。抑制探测器的暗电流是降低探测器噪声功率的一种有效方法，通常使用曲面表面和光子捕获方案来提高量子效率或通过减小检测器体积来降低噪声水平来解决。除了通过抑制暗电流来提高APD红外探测器的灵敏度以外，提高响应度也是提高探测器灵敏度的一种有效方法。过低暗电流和噪声功率，光增益也就小，光响应度也减低，APD器件不合理的器件结构设计和关键工艺参数控制不当，如器件结构本征吸收层103的厚度越大，响应时间越长，也会影响器件的光电性能。
应用于光纤通信技术的探测器朝着高度集成化的方向发展，暗电流，噪声等与APD芯片表面有效的感光面积成正比，暗电流以线性方式随着感光面积的减小而减小。微透镜与红外光电探测器单片集成，可以将功率通量集中到减小的光敏区域，从而提高性能。虽然感光面积的减少可以抑制暗电流，但有效填充因子将下降，光耦合损失将增加，光吸收率会降低。平面透镜基于探测器的聚焦要求，可提高填充因子和光能利用率，目前普遍使用平凸微透镜，菲涅尔结构透镜等微透镜实现近红外的增强，平凸微透镜依靠厚度差造成的相位差来实现聚焦，尺寸一般很大，平面菲涅尔透镜的结构复杂且效率低，不适合小尺寸APD的光学聚焦，且难与晶圆加工相结合，以保证较高光学耦合效率。集成一种在不增大暗电流与响应时间的情况下，平衡响应度与响应速度，在小尺寸下保证器件较高的光耦合效率，获得综合性能良好的高灵敏度红外探测器，同时具有近红外响应增强效果的技术，可以大幅提高器件性能，对近红外APD光电探测器而言具有极大的实用价值。
因此，本实施例提出了一种二维结构组件阵列的超薄平面透镜的集成结构，通过亚波长的二维结构阵列可以对光相位调制，依靠亚波长微纳结构等效折射率的改变，对入射光场的梯度相位调节，对特定0.85微米波长的光在0-2π的相位突变，在探测器受光处实现高效聚焦，聚焦光斑更小且没有杂散光，从而在保证探测器光响应不变的前提下，提高光吸收率。通过改变二维介质材料的厚度，可以改变其带隙，从而调节材料的探测范围，还可以通过进一步减小吸收层103厚度来提高器件响应速度。将光聚焦在小区域应该允许创建更小的电子空穴产生区域，这有利于雪崩的产生和信号形成的均匀性。
一种响应0.85微米雪崩二极管(APD)与平面透镜的集成结构的制备过程实施例：
一种响应0.85微米雪崩二极管(APD)与平面透镜的集成结构的制备过程，包括以下步骤：
步骤S1，提供一吸收-电荷-倍增分离雪崩二极管(SACM-APD)的晶圆外延片，在外延片表面对准标记刻蚀切出台阶；
步骤S2，在SACM-APD光电探测器边缘沉积钝化隔离层200，与吸收层103顶部表面保持水平；
步骤S3，在p区受光区域106顶部表面按标记沉积平面介质硬掩模硅基非金属的材料二氧化硅钝化层，形成平面透镜的基底垫层401，并减薄平整厚度至K；
步骤S4，把SACM-APD探测器衬底减薄到M的厚度；
步骤S5，制备电子束光刻对准标记；
步骤S6，将SACM-APD探测器衬底沉积Ti/Au得到n区电极层301；
步骤S7，在SACM-APD探测器受光区按标记沉积Ti/Au得到p区电极层302；
步骤S8，进行对准曝光、显影得到平面透镜的阵列单元区图形，平面透镜的阵列单元区直径为N；
步骤S9，表面旋涂光刻胶，电子束光刻出阵列单元图形图案，形成透镜单元阵列区域；
步骤S10，完成其余后端器件工艺流程，制备出响应0.85微米波长SACM-APD探测器集成结构。
在本实施例中，其余后端器件工艺流程包括引线键合、划片分出单模、裂片以及封装。
其中，K为0.9微米，M为100微米，N为210微米。
在实际应用中，本实施例提供的制作方法包括前序工艺以及后端工艺：
前序主要工艺包括晶圆外延片：对准光刻切出台阶→氧化淀积形成边缘钝化层→二氧化硅(SiO2)介质层沉积→减薄→合金化→刻蚀等。
后端主要工艺包括：引线键合→划片分出单模→裂片→封装等。
通过光刻、沉积、刻蚀等工艺在外延层上制备出集成APD探测器的平面透镜，该方法具体包括以下步骤：
1.在晶圆外延表面对准标记刻蚀切出台阶；
2.常规工艺沉积边缘钝化层，与吸收层103顶部表面平；
3.在吸收外延层受光区顶部表面沉积平面介质硬掩模(Hard Mask)硅基非金属的材料二氧化硅(SiO2)钝化层，形成平面透镜的基底垫层401，减薄平整厚度至0.9微米；
4.把衬底减薄到约100微米的厚度；
5.制备电子束光刻对准标记；
6.n区衬底沉积Ti/Au得到n区电极；
7.在硅基非金属的材料二氧化硅(SiO2)透镜基底垫层401掩膜区域沉积Ti/Au得到p区电极；
8.进行对准曝光、显影等工艺得到平面透镜的单元阵列区域400的分布图形，平面透镜的单元阵列区域400直径为210微米，以保证完全覆盖APD受光区，使入射光500通过平面透镜进入光敏受光区；
9.表面旋涂光刻胶，电子束光刻出平面透镜的单元阵列区域400的分布图形图案，其中，单元的圆柱高度0.475微米，圆柱之间的中心间距即周期0.39微米；
10.完成其余后端器件工艺，制备出设计响应波长0.85微米单模APD探测器集成的平面透镜。
综上所述，本实施例提供一种近红外(0.4微米～1.1微米)基于雪崩光电二极管(SACM-APD)探测器晶圆外延技术的介质平面透镜的集成及其制备工艺，其工作波长对0.85微米波段的光响应灵敏，在0.4-1.1微米波长范围内具有响应度，其峰值约为0.85微米。
平面透镜的基本物理结构包括基底垫层401和单元阵列区域400，硅基(SiO2)材料。
与平面透镜集成的制备工艺是基于SACM-APD外延片兼容技术，集成平面透镜区的阵列单元光刻工序排在电极层工艺之后，简单工序：SACM-APD外延片→沉积平面透镜层工艺→电极层工艺→光刻平面透镜的阵列单元工艺。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
Claims (3)
1.一种响应0.85微米雪崩二极管与平面透镜的集成结构，其特征在于，包括：
吸收-电荷-倍增分离SACM-APD光电探测器；
其中，所述SACM-APD光电探测器包括n区电极，衬底，缓冲层，吸收层，电荷层，倍增层，受光层，钝化隔离层，p区电极；
与所述SACM-APD光电探测器集成的介质平面透镜层；
其中，所述介质平面透镜层包括平面透镜的单元阵列区、平面透镜的基底垫层，所述平面透镜的单元阵列区设置在所述平面透镜的基底垫层上，所述平面透镜的基底垫层设置于SACM-APD探测器的受光区域；
其中，所述平面透镜基底垫层为二氧化硅（SiO2）硬掩模基底垫层；
其中，所述平面透镜的单元阵列由多个相同周期不同直径的纳米圆柱单元阵列组成，将多个所述纳米圆柱单元阵列按照预定顺序分布到对应相位的平面位置，形成所述单元阵列区；
所述响应0.85微米雪崩二极管（APD）与平面透镜的集成结构的制备过程包括以下步骤：
提供一吸收-电荷-倍增分离雪崩二极管（SACM-APD）的晶圆外延片，在外延片表面对准标记刻蚀切出台阶；其中，所述晶圆外延片包括自下而上依次设置的衬底，缓冲层，吸收层，电荷层，倍增层，受光层；
在所述晶圆外延片边缘沉积钝化隔离层，与吸收层顶部表面保持水平；
在p区受光区域顶部表面按标记沉积平面介质硬掩模硅基非金属的材料二氧化硅钝化层，形成平面透镜的基底垫层，并减薄平整厚度至K；
把所述晶圆外延片衬底减薄到M的厚度；
制备电子束光刻对准标记；
将所述晶圆外延片衬底沉积Ti/Au得到n区电极层；
在所述晶圆外延片受光区按标记沉积Ti/Au得到p区电极层；
进行对准曝光、显影得到平面透镜的阵列单元区图形，平面透镜的阵列单元区直径为N；
表面旋涂光刻胶，电子束光刻光刻出阵列单元图形图案，形成透镜单元阵列区域；
完成其余后端器件工艺流程，制备出响应0.85微米波长SACM-APD探测器集成结构。
2.根据权利要求1所述的集成结构，其特征在于：
当入射光通过光纤正面入射到所述平面透镜使入射光聚焦到SACM-APD光电探测器的受光区上，其工作波段范围0.4-1.1微米，设计波长对0.85微米响应度灵敏。
3.根据权利要求1所述的集成结构，其特征在于：
K为0.9微米，M为100微米，N为210微米。
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