CN1279611C - 高效硅基共振腔增强型探测器器件的制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种高效硅基共振腔增强型探测器器件的制作方法，包括如下工艺步骤：a)在SOI材料上顺序生长有源层和欧姆接触层；b)将生长有有源层的SOI硅片的背面进行减薄抛光；c)双面生长掩膜层，并进行背面光刻腐蚀至埋层二氧化硅层；d)然后在外延层上光刻腐蚀形成有有源层和欧姆接触层的台面，并制作上下电极；以及e)最后生长上下布拉格反射镜，形成共振腔探测器。

Description

高效硅基共振腔增强型探测器器件的制作方法
技术领域
本发明提出了一种制备高性能硅基共振腔(RCE)探测器设计思想和制作方法。特别涉及了利用SOI材料中埋层二氧化硅的自停止特性，背面腐蚀挖孔并制作高反射率下反射镜(DBR)的思想和制作方法。
背景技术
随着集成电路的发展，Si器件工艺已非常成熟，Si微电子芯片已经形成了巨大的产业规模，加之地球上Si材料的蕴藏极为丰富，Si单晶片的价格已相当低廉。然而由于硅的间接带结构和因晶格对称性高而导致的微弱的非线性光学效应，使其在光电子应用方面受到了很大的限制。如今，光子器件和光子集成芯片几乎都是以III-V族化合物半导体为基质材料而实现的，价格昂贵，又难于与微电子芯片实现单片集成，从市场需求来看，发展硅基光子学意义深远。
共振腔结构不但被广泛用于垂直腔面发射激光器(VCSEL VerticalCavity Surface Emitting Laser)器件，还被广泛用于共振腔增强型(RCEResonant Cavity Enhanced)(J.Vac.Sci.Technol.B8(2)，339(1990))光电探测器。由于光波在共振腔内的谐振增强作用，RCE探测器适合于薄有源层的高速器件，尤其适合于小吸收系数的硅基探测器。二氧化硅/硅(SiO2/Si)的折射率差别大，是制作具备高反射率共振腔反射镜(DBR)的首选材料。但由于生长的SiO2不存在单晶形态，也就无法通过CVD、MBE、MOCVD等技术在其上继续生长单晶材料，所以高反射率下DBR的制备是制作硅基共振腔结构的关键。本发明巧妙利用SOI材料中埋层二氧化硅的自停止特性，采用碱性腐蚀液对硅片背面进行腐蚀，从而解决了硅基共振腔结构中下DBR难于制备的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效硅基共振腔增强型探测器器件的制作方法，该方法制作工艺简单，价格便宜，且与Si集成工艺和SiGe BiCMOS兼容。弥补了Si1-xGex在长波长波段吸收系数低的不足，使得探测器具有高的量子效率和窄的线宽，具备波长选择性，可以应用于DWDM(DenseWavelength Division Multiplexing)光通讯系统。
本发明一种高效硅基共振腔增强型探测器器件的制作方法，共振腔探测器可以应用于滤波器或激光器，其特征在于，包括如下工艺步骤：
a)在SOI材料上顺序生长有源层和欧姆接触层；
b)将生长有有源层的SOI硅片的背面进行减薄抛光；
c)双面生长掩膜层，并进行背面光刻腐蚀至埋层二氧化硅层；
d)然后在外延层上光刻腐蚀形成有有源层和欧姆接触层的台面，并制作上下电极；以及
e)最后生长上下布拉格反射镜，形成共振腔探测器。
其中有源层为Ge量子点、SiGe量子阱、单晶硅以及键合上的III-V族材料，探测器的波长覆盖0.7～1.6μm。
其中掩膜层是二氧化硅、铬金、镍铂金等惰性金属，或者其组合。
其中所述的背面光刻腐蚀所使用的湿法腐蚀液是EPW，或者KOH、NaOH等碱性腐蚀液。
其中反射镜是SiO2/Si、SiOxNy/Si或者Al2O3/Si。
其中探测器是台面结构或者平面结构。
其中探测器是PIN，APD，HPT，MSM结构。
附图说明
为了说明本发明的技术内容，以下结合一具体实例及附图详细说明如后，其中：
图1给出了具备高反射率DBR的PIN结构的共振腔探测器结构示意图。
图2给出了可生长高反射率下DBR的背孔的制作过程。
具体实施方式
请参阅图1和图2，图中数字1为背孔内淀积的高反射率的SiO2/Si下反射镜(DBR)，2为上反射镜。3为SOI衬底中的埋层二氧化硅，可以作为碱性腐蚀液的自停止层。4为有源层，可以为Ge量子点、SiGe量子阱、单晶硅以及键合(bonding)上的III-V族材料。5为高掺杂的欧姆接触层。6为上下电极。7、8为SOI材料中的顶层硅和衬底硅。9为腐蚀背孔时的掩膜层。
本发明一种高效硅基共振腔增强型探测器器件的制作方法，包括如下工艺步骤：
a)在SOI材料上顺序生长有源层4和欧姆接触层5；其中有源层4为Ge量子点、SiGe量子阱、单晶硅以及键合上的III-V族材料，探测器的波长覆盖0.7～1.6μm；
b)将生长有有源层的SOI硅片的背面进行减薄抛光；
c)双面生长掩膜层9，并进行背面光刻腐蚀至埋层二氧化硅层3；其中掩膜层9是二氧化硅、铬金、镍铂金等惰性金属，或者其组合；其中所述的背面光刻腐蚀所使用的湿法腐蚀液是EPW，或者KOH、NaOH等碱性腐蚀液；
d)然后在外延层上光刻腐蚀形成有有源层4和欧姆接触层5的台面，并制作上下电极6；以及
e)最后生长上下布拉格反射镜2、1，形成共振腔探测器；其中反射镜是SiO2/Si、SiOxNy/Si或者Al2O3/Si；其中探测器是台面结构或者平面结构；其中探测器是PIN，APD，HPT，MSM结构。
其中该共振腔探测器可以应用于滤波器或激光器。
图2给出了可生长高反射率下DBR的背孔的制作过程。在SOI衬底上生长完有源层(Ge量子点、SiGe量子阱、单晶硅或者bonding上的III-V族材料)之后，背面减薄抛光，然后双面生长掩膜层9。背面光刻后，在水浴条件下，采用碱性腐蚀液进行过腐蚀。SOI材料中的埋层二氧化硅作为目停止层，得到如图2B所示的实验结果。
掩膜层可以为二氧化硅，其生长温度应大于300℃，也可以是铬金、镍铂金等惰性金属，还可以是其组合的双层掩模。碱性腐蚀液可以为KOH或者EPW(邻苯二酚∶乙二胺∶水＝37.5ml∶6g∶12ml)。加热方式也可以采用油浴。
在图2B所示的基础上，经光刻腐蚀后形成台面，台面和背孔上下对准。然后PECVD淀积二氧化硅、光刻腐蚀电极孔及入光孔、蒸镀金属电极、光刻腐蚀形成电极、生长上下DBR，带胶剥离露出电极，从而完成器件的制作。
对于背孔的腐蚀也可以置后。在图2A所示的基础上，在正面进行光刻腐蚀形成台面，然后PECVD淀积二氧化硅、光刻腐蚀电极孔及入光孔、蒸镀金属电极，经光刻腐蚀形成后电极。然后通过红外光刻在背面进行光刻并进行浅腐蚀。正面淀积DBR，带胶剥离露出电极，双面生长掩膜层9。然后背面光刻并进行深腐蚀形成背孔，腐蚀掩膜层，腐蚀背孔内的埋层二氧化硅，孔内生长下DBR，完成原型器件的制作。

Claims (7)

1、一种高效硅基共振腔增强型探测器器件的制作方法，共振腔探测器可以应用于滤波器或激光器，其特征在于，包括如下工艺步骤：
a)在SOI材料上顺序生长有源层和欧姆接触层；
b)将生长有有源层的SOI硅片的背面进行减薄抛光；
c)双面生长掩膜层，并进行背面光刻腐蚀至埋层二氧化硅层；
d)然后在外延层上光刻腐蚀形成有有源层和欧姆接触层的台面，并制作上下电极；以及
e)最后生长上下布拉格反射镜，形成共振腔探测器。
2、根据权利要求1所述的高效硅基共振腔增强型探测器器件的制作方法，其特征在于，其中有源层为Ge量子点、SiGe量子阱、单晶硅以及键合上的III-V族材料，探测器的波长覆盖0.7～1.6μm。
3、根据权利要求1所述的高效硅基共振腔增强型探测器器件的制作方法，其特征在于，其中掩膜层是二氧化硅、铬金、镍铂金等惰性金属，或者其组合。
4、根据权利要求1所述的高效硅基共振腔增强型探测器器件的制作方法，其特征在于，其中所述的背面光刻腐蚀所使用的湿法腐蚀液是EPW，或者KOH、NaOH等碱性腐蚀液。
5、根据权利要求1所述的高效硅基共振腔增强型探测器器件的制作方法，其特征在于，其中反射镜是SiO2/Si、SiOxNy/Si或者Al2O3/Si。
6、根据权利要求1所述的高效硅基共振腔增强型探测器器件的制作方法，其特征在于，其中探测器是台面结构或者平面结构。
7、根据权利要求1所述的高效硅基共振腔增强型探测器器件的制作方法，其特征在于，其中探测器是PIN，APD，HPT，MSM结构。
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