CN117855298A - 基于亚波长人工微结构的背入射高速光电探测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光电子设计技术领域，特别涉及一种基于亚波长人工微结构的背入射高速光电探测器，包括：由下至上依次形成的集成于衬底背面的偏振无关型超构透镜、磷化铟衬底层、N型外延层、形成在N型欧姆接触上的第一环形金属电极、本征吸收层、P型外延层、形成在P型接触上的第二环形金属电极、光栅氧化层和集成于衬底顶部的高对比亚波长光栅层。由此，解决了传统光电探测器响应度和带宽之间的矛盾。

Description

基于亚波长人工微结构的背入射高速光电探测器

技术领域

本发明涉及光电子设计技术领域，特别涉及一种基于亚波长人工微结构的背入射高速光电探测器。

背景技术

集成光电子技术开启了数字通讯时代的大门，数字通讯依赖于器件高速的传输速度，超高带宽及较低的干扰。随着数据的爆炸式增长，光电探测器作为信息传输和处理的核心组成部分，是集成光电子链路中不可或缺的一环。在移动通信系统不断向高频率和宽带化的方向发展的同时，这些系统对设备的性能提出了更高的要求。因此，高性能的光电探测器扮演着关键角色，需要具备多项卓越特性，包括高响应度、低暗电流和大带宽等。

台面型光电探测器具有饱和性能好，制作简单的优势。台面型光电探测器由入射光方向可分为顶入射和背入射两种，背入射结构中，当光从器件背面入射后，会被金属电极反射，可两次经过吸收区，在不引入复杂结构(如多层布拉格反射镜，Distributed BraggReflector,DBR)的情况下，可以提高响应度。同时背入射的感光区域位于底部，因此热量可更易发散至周围环境，具有较好的稳定性，抗干扰能力等优势。然而不论入射方向如何，传统的PIN光电探测器仍面临着响应度和带宽无法同时提升的限制。由于探测器本征区的厚度越薄，载流子的渡越时间越短，而渡越时间直接影响着器件的带宽。大带宽需要减小本征区厚度，而小的本征区厚度必然会导致吸收的光子变少，响应度降低。因此传统PIN光电探测器在响应度和带宽之间存在权衡关系。

为了打破权衡限制，研究人员尝试从小尺寸大带宽光电探测器的耦合效率入手，提出了在衬底背面制备微透镜提升耦合效率。微透镜阵列一般是三维结构，一般采用热熔回流法将光刻胶熔成球冠型。此方法中使用电感耦合等离子体刻蚀(ICP，InductivelyCouple Plasma)需严格控制选择刻蚀比为1，且透镜较厚，通常在十几微米的厚度，不易集成，且制造工艺复杂。

另一方面，现阶段的背入射光电探测器为了可以对光进行二次反射，使用顶部P电极充当反射镜，一般顶部P电极采用钛/铂/金(Ti/Pt/Au)，第一层的钛对形成欧姆接触至关重要，然而钛存在一定的吸收损耗，因此其材料反射率约在65.9％，同时钛厚度过薄或过厚都会使接触电阻率增大，因此具有较好欧姆接触的金属电极的反射率通常在30～60％之间，这也进一步限制了器件的高响应度。为了使顶部反射率增高，在面发射激光器中采用了较多的方法。最早是采用多层DBR结构进行高反结构，但对外延结构提出了较高的要求。由此，研究人员提出了四周包围低折射率的亚波长光栅，其厚度约几百纳米，在宽带具有高反射率。但高反射光栅下部的低折射率区域为空气间隙，这需要制备悬浮光栅，其缺乏结构支撑，机械稳定性较差，限制了进一步的半导体加工。

因此，亟待一种新型背入射光电探测器打破制约关系。

发明内容

本发明提供一种基于亚波长人工微结构的背入射高速光电探测器，以解决带宽和响应度的权衡问题。

本发明第一方面实施例提供一种基于亚波长人工微结构的背入射高速光电探测器，包括：由下至上依次形成的集成于衬底背面的偏振无关型超构透镜、磷化铟衬底层、N型外延层、形成在N型欧姆接触上的第一环形金属电极、本征吸收层、P型外延层、形成在P型接触上的第二环形金属电极、光栅氧化层和高对比亚波长光栅层(High Contrast Grating，HCG)。

可选地，所述偏振无关型超构透镜由多个不同半径的等高InP圆柱纳米柱构成，其中，所述多个不同半径的等高InP圆柱纳米柱在所述磷化铟衬底层上集成排列。

可选地，所述多个不同半径的等高InP圆柱纳米柱的相位分布满足：

其中，φ(x,y)为相位分布，x为偏振无关型超构透镜上每个纳米柱的横坐标，y为上每个纳米柱的纵坐标，λ为工作波长，f为透镜设计的理论焦距，φ₀为初始相位。

可选地，所述偏振无关型超构透镜的焦距为110um，半径为60um，数值孔径NA值为0.968。

可选地，所述光栅氧化层的初始外延材料为砷化铟铝，经过湿热氧化后变成氧化铝。

可选地，所述高对比亚波长光栅层包括一维氧化型高对比光栅、环形高对比光栅和二维氧化型高对比光栅。

可选地，所述高对比亚波长光栅层下方使用的间隔层材料为砷化铟铝，在氧化炉中被氧化形成低折射率氧化物间隔层。

本发明第二方面实施例提供一种基于亚波长人工微结构的背入射高速光电探测器的制备方法，包括以下步骤：

准备外延层晶圆，并对所述外延层晶圆进行清洗，其中，所述外延层晶圆包括顶部光栅区、氧化区P+区、吸收区、耗尽区和N+区；

电子束曝光后，对清洗后的外延层晶圆进行第一次ICP刻蚀，刻蚀到氧化物停止层，得到带有高对比亚波长光栅的第一器件；

在所述第一器件上光刻P台面和N台面，得到第二器件；

对所述氧化物停止层进行湿氧化工艺，将所述第二器件放在水蒸气和N₂气的混合气中加以60mbar的压力和525℃氧化1小时，水蒸气流过高对比亚波长光栅的间隙并氧化氧化物隔离层，在所述高对比亚波长光栅的下方产生低折射率的Al₂O₃；

在所述第二器件上光刻P电极图案和N电极图案，并利用磁控溅射设备溅射出P电极和N电机，得到第三器件；

减薄抛光所述第三器件，并将减薄抛光后的减薄抛光倒贴于蓝宝石基底上；

在所述蓝宝石基底的背面电子束曝光出偏振无关型超构透镜图案，并进行ICP刻蚀，以将所述偏振无关型超构透镜图案集成在预设衬底背面上，得到第四器件；

剥离所述第四器件的蓝宝石基底，得到背入射高速光电探测器。

本发明实施例提出的基于亚波长人工微结构的背入射高速光电探测器，利用集成在衬底背面及顶部的亚波长人工微结构，解决了传统光电探测器响应度和带宽之间的矛盾，具有高效高速性，同时，设计的微结构厚度均小于1um，具有体积小，易于集成，具有偏振无关性，工艺简单的特点，具有较高的实用价值。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例所提供的一种基于亚波长人工微结构的背入射高速光电探测器的结构示意图；

图2为本发明实施例所提供的单个InP纳米柱的结构图；

图3为本发明实施例所提供的偏振无关型超构透镜的俯视图；

图4为本发明实施例所提供的超构表面对入射光调控后的横纵向场分布示意图，其中，(a)为模拟归一化纵向强度分布图，(b)为焦点处的归一化横向分布场，(c)为焦点处的半峰全宽；

图5为本发明实施例所提供的高对比亚波长光栅层的结构示意图，其中，(a)为氧化型高对比光栅示意图，(b)为一维氧化型高对比光栅的俯视图，(c)为环形高对比光栅的俯视图；

图6为本发明实施例所提供的高对比亚波长光栅层在不同波长和不同占空比下的光栅反射率；

图7为本发明实施例所提供的高对比亚波长光栅层模拟的占空比为0.55情况下10个周期的HCG反射率；

图8为本发明实施例所提供的基于亚波长人工微结构的背入射高速光电探测器的制备方法的流程图。

附图标记说明：

1-偏振无关型超构透镜、2-磷化铟衬底层、3-N型外延层、4-第一环形金属电极、5-本征吸收层、6-P型外延层、7-第二环形金属电极、8-光栅氧化层、9-高对比亚波长光栅层和10-未被氧化的砷化铟铝层。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述本发明实施例的基于亚波长人工微结构的背入射高速光电探测器。

图1为本发明实施例提出的基于亚波长人工微结构的背入射高速光电探测器的流程图。

如图1所示，该基于亚波长人工微结构的背入射高速光电探测器包括：偏振无关型超构透镜1、磷化铟衬底层2、N型外延层3、第一环形金属电极4、本征吸收层5、P型外延层6、第二环形金属电极7、光栅氧化层8和高对比亚波长光栅层9。该背入射高速光电探测器在底部及顶部分别集成亚波长微纳结构，增加光探测器的光耦合效率的同时增大入射光的反射率，可以协调响应度和带宽之间的矛盾，制备简单，容差高，效率高，易于集成。

其中，基于亚波长人工微结构的背入射高速光电探测器100由下至上依次形成的集成于衬底背面的偏振无关型超构透镜1、磷化铟衬底层2、N型外延层3、形成在N型欧姆接触上的第一环形金属电极4、本征吸收层5、P型外延层6、形成在P型接触上的第二环形金属电极7、光栅氧化层8和高对比亚波长光栅层9。偏振无关型超构透镜1和高对比亚波长光栅层9均为集成在器件上下方的磷化铟材料组成，整体共同构成背入射高速光电探测器100。光栅氧化层8的初始外延材料为与磷化铟晶格匹配的砷化铟铝(In_0.52Al_0.48As)，经过湿热氧化后变为折射率为1.78的氧化铝8。

在一些实施例中，如图2和3所示，底部亚波长结构偏振无关型超构透镜1为介质型超构表面，超构表面是一种基于亚波长结构的功能膜层器件，它主要由亚波长的单元结构与电磁波进行相互作用，通过改变微结构的几何参数、转角、排列方式、可以对光的偏振状态、相位、振幅及光谱信息等进行调控。本发明实施例提出偏振无关型超构透镜的焦距为110um，半径为60um，数值孔径NA值为0.968。该偏振无关型超构透镜由多个不同半径的等高InP圆柱纳米柱构成，通过改变相应半径，在在磷化铟衬底层平面上集成排列，构成超构透镜，单个超透镜具有几千个纳米柱单元。

需要说明的是，图2中的D为纳米柱的直径，P_x、P_y分别为x、y方向的周期，均为750nm，H为纳米柱的高度，为800nm。

在一些实施例中，从所需求的光场入手，采用传输相位原理对入射光场进行调控，多个不同半径的等高InP圆柱纳米柱具有聚焦相位分布的相位分布如下：

其中，φ(x,y)为相位分布，x为偏振无关型超构透镜上每个纳米柱的横坐标，y为上每个纳米柱的纵坐标，λ为工作波长，该实施例的工作波长为1550nm，f为透镜设计的理论焦距，φ₀为初始相位。

需要说明的是，该实施例中选取的相位库建立在经筛选的49种InP纳米圆形结构上，这些InP纳米圆形结构透过率均保持在90％以上，作为基本的构建元素，其相位分布已覆盖0～2π，可以对各级衍射进行调控。

如图4所示，展示了偏振无关型超构透镜表面对入射光调控后的横纵向场分布，(a)为模拟归一化纵向强度分布图，可以看出入射光经过汇聚在110um处形成一个较为清晰的焦斑，(b)为焦点处的归一化横向分布场，(c)为焦点处的半峰全宽(Full Width at HalfMaximum,FWHM)。

可以看出，光线汇聚在本征吸收层5，可以提升对器件对光的吸收能力，在不牺牲渡越时间带宽的情况下提升器件的响应度。根据米氏散射理论，表面微结构可以减少入射光的反射。设计的偏振无关型超构透镜1其单元纳米柱的尺寸在亚波长量级，小于入射光波长，因此微结构的等效折射率可以认为是渐变的，由此可以达到降低反射的目的。

需要说明的是，本实施例给出底部偏振无关型超构透镜1表面不唯一，且工作波段不限于1550nm，任何在探测器底部集成的的一维或二维亚波长结构或微透镜均可，本领域技术人员可根据实际情况进行选择，在此不具体说明。

在一些实施例中，针对顶部高反结构，为使入射光在顶部的二次反射，进一步加强吸收，设计了具有高反射率氧化型亚波长光栅(即高对比亚波长光栅层)，具体结构如图5(a)所示，与使用选择性蚀刻剂去除HCG下方的层产生空气间隔层不同，HCG下方使用的间隔层材料为砷化铟铝(In_0.52Al_0.48As)，在氧化炉中被氧化形成低折射率氧化物间隔层。该技术可以利用较为简易的氧化步骤获得具有高反能力的光栅，增加了HCG工艺设计的灵活性。如图5(b)和(c)所示，图中顶部光栅层可以是一维的(即一维氧化型高对比光栅)、环形的(即环形高对比光栅)以及二维形状，由于光栅四周均有低折射率材料包围(上层空气折射率为1，下层氧化层折射率为1.78，磷化铟光栅层折射率为3.17)，由此可获得集成于器件表面的高对比亚波长光栅，利用光栅的高反特性，可以在宽波段获得较高的反射率。

该实施例给出的设计方案为氧化层厚度为150nm，光栅层厚度为460nm。氧化层厚度和光栅层厚度可做自行调整。图6给出了在不同波长和不同占空比下的光栅反射率情况，可以看出在占空比在0.5～0.7之间具有宽谱反射率。图7为模拟的占空比为0.55情况下10个周期的亚波长光栅反射率情况，可以看出该结构在1400nm～1660nm波段内具有90％以上的高反射率，高效的对入射光进行反射，在不增加本征吸收区厚度的情况下，增强光的吸收，提升器件响应度。

需要说明的是，该实施例中给出的高对比亚波长光栅HCG不唯一，任何具有高反特性的一维或二维光栅结构均可以，本领域技术人员可根据实际情况进行选择，在此不具体说明。

综上，根据本发明实施例提出的基于亚波长人工微结构的背入射高速光电探测器，具有以下有益效果：

针对底部超表面：

使用传输相位的思想，利用超构表面的设计，实现了集成在衬底背面的超构透镜，该设计方案具有高数值孔径，高聚焦效率，将入射光汇聚至吸收层，可以很大程度上解决台面型光电探测器中存在的响应度和带宽的制约问题，实现高速高响应度的光电探测器；具有偏振无关性，该器件可以满足任意偏振态光入射；采用InP基材料，可以直接集成在衬底背面，相对于现有的键合光栅，或键合型超表面结构，具有热导性好，器件不易损坏等优点；超透镜单元结构为全介质材料，损耗小，透过率均在90％以上；表面微结构可减少入射光的反射，无需二次沉积抗反膜；

针对顶部亚波长光栅：

相比于传统金属电极存在较大的光损耗，利用氧化型亚波长光栅使其在1400nm～1660nm波段具有90％以上的高反射率，在不牺牲渡越时间带宽的情况下，使更多光在吸收区内吸收；厚度仅为几百纳米，集成度高。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的基于亚波长人工微结构的背入射高速光电探测器的制备方法。

图8为本发明实施例所提供的一种基于亚波长人工微结构的背入射高速光电探测器的制备方法的流程示意图。

如图8所示，该基于亚波长人工微结构的背入射高速光电探测器的制备方法包括以下步骤：

在步骤S801中，准备外延层晶圆，并对外延层晶圆进行清洗，其中，外延层晶圆包括顶部光栅区、氧化区P+区、吸收区、耗尽区和N+区。

在步骤S802中，电子束曝光后，对清洗后的外延层晶圆进行第一次ICP刻蚀，刻蚀到氧化物停止层，得到带有高对比亚波长光栅的第一器件。

在步骤S803中，在第一器件上光刻P台面和N台面，得到第二器件。

在步骤S804中，对氧化物停止层进行湿氧化工艺，将第二器件放在水蒸气和N₂气的混合气中加以60mbar的压力和525℃氧化1小时，水蒸气流过高对比亚波长光栅的间隙并氧化氧化物隔离层，在高对比亚波长光栅的下方产生低折射率的Al₂O₃。

在步骤S805中，在第二器件上光刻P电极图案和N电极图案，并利用磁控溅射设备溅射出P电极和N电机，得到第三器件。

需要说明的是，为了方便后续使用，需要在此步骤之后，利用SiO2对第三器进行钝化填平，开电极窗口后，溅射共面波导线引出P电极和N电极，电镀加厚。

在步骤S806中，减薄抛光第三器件，并将减薄抛光后的减薄抛光倒贴于蓝宝石基底上。

在步骤S807中，在蓝宝石基底的背面电子束曝光出偏振无关型超构透镜图案，并进行ICP刻蚀，以将偏振无关型超构透镜图案集成在预设衬底背面上，得到第四器件。

在步骤S808中，剥离第四器件的蓝宝石基底，得到背入射高速光电探测器。

根据本发明实施例提出的基于亚波长人工微结构的背入射高速光电探测器的制备方法，具有以下有益效果：

针对底部超表面：

使用传输相位的思想，利用超构表面的设计，实现了集成在衬底背面的超构透镜，该设计方案具有高数值孔径，高聚焦效率，将入射光汇聚至吸收层，可以很大程度上解决台面型光电探测器中存在的响应度和带宽的制约问题，实现高速高响应度的光电探测器；具有偏振无关性，该器件可以满足任意偏振态光入射；采用InP基材料，可以直接集成在衬底背面，相对于现有的键合光栅，或键合型超表面结构，具有热导性好，器件不易损坏等优点；超透镜单元结构为全介质材料，损耗小，透过率均在90％以上；表面微结构可减少入射光的反射，无需二次沉积抗反膜；

针对顶部亚波长光栅：

相比于传统金属电极存在较大的光损耗，利用氧化型亚波长光栅使其在1400nm～1660nm波段具有90％以上的高反射率，在不牺牲渡越时间带宽的情况下，使更多光在吸收区内吸收；厚度仅为几百纳米，集成度高。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

Claims (8)

1.一种基于亚波长人工微结构的背入射高速光电探测器，其特征在于，包括：由下至上依次形成的集成于衬底背面的偏振无关型超构透镜、磷化铟衬底层、N型外延层、形成在N型欧姆接触上的第一环形金属电极、本征吸收层、P型外延层、形成在P型接触上的第二环形金属电极、光栅氧化层和高对比亚波长光栅层。

2.根据权利要求1所述的基于亚波长人工微结构的背入射高速光电探测器，其特征在于，所述偏振无关型超构透镜由多个不同半径的等高InP圆柱纳米柱构成，其中，所述多个不同半径的等高InP圆柱纳米柱在所述磷化铟衬底层上集成排列。

3.根据权利要求2所述的基于亚波长人工微结构的背入射高速光电探测器，其特征在于，所述多个不同半径的等高InP圆柱纳米柱的相位分布满足：

其中，φ(x,y)为相位分布，x为偏振无关型超构透镜上每个纳米柱的横坐标，y为上每个纳米柱的纵坐标，λ为工作波长，f为透镜设计的理论焦距，φ₀为初始相位。

4.根据权利要求2所述的基于亚波长人工微结构的背入射高速光电探测器，其特征在于，所述偏振无关型超构透镜的焦距为110um，半径为60um，数值孔径NA值为0.968。

5.根据权利要求1所述的基于亚波长人工微结构的背入射高速光电探测器，其特征在于，所述光栅氧化层的初始外延材料为砷化铟铝，经过湿热氧化后变成氧化铝。

6.根据权利要求1所述的基于亚波长人工微结构的背入射高速光电探测器，其特征在于，所述高对比亚波长光栅层包括一维氧化型高对比光栅、环形高对比光栅和二维氧化型高对比光栅。

7.根据权利要求6所述的基于亚波长人工微结构的背入射高速光电探测器，其特征在于，所述高对比亚波长光栅层下方使用的间隔层材料为砷化铟铝，在氧化炉中被氧化形成低折射率氧化物间隔层。

8.一种基于亚波长人工微结构的背入射高速光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

准备外延层晶圆，并对所述外延层晶圆进行清洗，其中，所述外延层晶圆包括顶部光栅区、氧化区P+区、吸收区、耗尽区和N+区；

电子束曝光后，对清洗后的外延层晶圆进行第一次ICP刻蚀，刻蚀到氧化物停止层，得到带有高对比亚波长光栅的第一器件；

在所述第一器件上光刻P台面和N台面，得到第二器件；

对所述氧化物停止层进行湿氧化工艺，将所述第二器件放在水蒸气和N₂气的混合气中加以60mbar的压力和525℃氧化1小时，水蒸气流过高对比亚波长光栅的间隙并氧化氧化物隔离层，在所述高对比亚波长光栅的下方产生低折射率的Al₂O₃；

在所述第二器件上光刻P电极图案和N电极图案，并利用磁控溅射设备溅射出P电极和N电机，得到第三器件；

减薄抛光所述第三器件，并将减薄抛光后的减薄抛光倒贴于蓝宝石基底上；

在所述蓝宝石基底的背面电子束曝光出偏振无关型超构透镜图案，并进行ICP刻蚀，以将所述偏振无关型超构透镜图案集成在预设衬底背面上，得到第四器件；

剥离所述第四器件的蓝宝石基底，得到背入射高速光电探测器。