CN1595616A - 40Gb/s波导型PIN光探测器管芯台面的化学腐蚀方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种40Gb/s波导型PIN光探测器管芯台面的化学腐蚀方法。它涉及一种光通信用40Gb/s光探测器关键部分——双联体管芯台面的制作。该光探测器的管芯台面，是由InP/InGaAs/InGaAsP(或InGaAs/InAlAs/InP)多层异质材料构成的、宽×长为(6－8)×(24－26)微米、高为(2.7－3.1)微米的斜台面结构。该台面结构，由采用特定配比的HBr－K2Cr2O7－H2O混合腐蚀液，通过两次(或多次)化学腐蚀而成，并经台阶仪精确测试，达到规定要求。该特定配比的混合腐蚀液，具有配置简单、对大多数III－V半导体化合物材料均能适用、腐蚀速率快、使用方便等诸多特点。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种40Gb/s波导型PIN光探测器管芯的工艺制作方法。尤其是涉及一种40Gb/s波导型PIN光探测器双联体台面管芯的化学腐蚀方法。
【背景技术】
随着光通信技术的不断发展，开始出现了40Gb/s光通信系统和光电子器件的报道，它代表了当今光通信技术发展的最高水平。
40Gb/s光通信设备中关键部件为40Gb/s光发送模块和40Gb/s光接收模块。而在40Gb/s光接收模块中，40Gb/s PIN型光探测器是必需的关键光电子器件。
PIN型光探测器有许多不同形式的结构。它包括：传统的正面进光的PIN探测器、金属-半导体-金属光探测器、具有反馈耦合腔加强的正面进光探测器、单行载流子探测器和侧面进光的波导型PIN光探测器(WG-PIN-PD)等。传统的正面进光的PIN探测器，受到光吸收层厚度、电阻-电容(RC)时间常数的限制；而侧面进光的波导型PIN光探测器，光入射方向和载流子运动方向互相垂直，因而可获得极高的光响应速度和几十GHz的带宽。这是传统的正面进光的光探测器远远不及的。
对超高速(40Gb/s)光信号探测器来说，最关键的技术指标是光响应速率和光量子效率。光响应速率主要取决于光作用区中产生的光生载流子的渡越时间和电阻-电容(RC)时间。这里，总电容C包括光探测器PN结电容Cj、杂散分布电容Ca和探测器等效输出总电容Co，电阻R为输出等效负载。根据半导体器件物理，光生载流子的渡越时间与光作用区厚度成反比；而PN结电容Cj与其结面积成正比。因此，光作用区厚度越窄、电阻-电容(RC)越小，则光响应速率越高。然而，对侧面进光的波导型光探测器来说，光作用区厚度越窄，光量子效率则越低。这样，其光响应速率和光量子效率在一定条件下是互为矛盾的。为此，在器件结构设计时，在满足主要性能指标——带宽的要求时，尽可能兼顾光响应度指标。
40Gb/s波导型PIN光探测器是一种台面器件。对带宽大于30GHz的管芯，其台面尺寸很小，一般宽×长为(6-8)×(24-26)微米。因此，制作小面积管芯台面，是一个非常关键的问题。小台面器件的制作有多种方法。其中常用的有基于物理碰撞-化学反应的离子刻蚀方法(RIE)和基于化学反应的液体腐蚀方法(Wet-E)。
离子刻蚀方法的优点是侧壁垂直高，但存在损伤问题。这种损伤，对小台面管芯来说，是非常有害的。它将导致应力或缺陷，从而使可靠性降低或性能失效。
化学腐蚀方法几乎不存在损伤，但存在侧向腐蚀。然而，正是利用一般化学腐液非选择性腐蚀的特点，使之腐蚀侧面呈斜台形。这样便于制作PN结表面保护膜和金属电极。
对于由多层InP、InGaAs、InGaAs(或InP、InGaAs、InAlAs)构成的外延材料，选用何种腐蚀液，是一个至关重要的问题。从现有资料来看，一般腐蚀液仅对某种或某几种半导体材料进行腐蚀。其情形如表1所示。
表1常用的半导体化学物腐蚀液
| NH4OH∶H2O2∶H2O＝2∶1∶20 | √ | |||||
| HCl-H3PO4混合液 | √ | |||||
| HCl-HNO3-H2O混合液 | √ | √ |
注：表中‘√’表示能腐蚀；‘’表示不能腐蚀或很难腐蚀。
表1中说明，除Br：CH3OH混合液外，其它腐蚀液仅能对一种或两种化合物材料进行腐蚀；Br：CH3OH混合液虽然可对一般III-V族化学物半导体进行腐蚀，但试验表明，对腐蚀深度大于2.5微米的多层化学物半导体材料，由于腐蚀速度较慢，腐蚀时间较长(大于3分钟)，进行定域腐蚀的掩膜往往存在问题。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种光探测器管芯台面的化学腐蚀方法，该方法提供一种特定配比的化学腐蚀液，这种腐蚀液对InP、InGaAs、InGaAs(或InP、InGaAs、InAlAs)均能进行腐蚀，而且具有较好的抗腐蚀掩膜。
本发明光探测器管芯台面的化学腐蚀方法包括提供一种光探测器管芯台面的化学腐蚀方法，包括配置一种特定组成、化学配比的混合腐蚀液、掩膜制备和刻蚀及光探测器管芯台面的化学腐蚀，其特征在于：混合腐蚀液由化学分析纯的HBr、K2Cr2O7、H2O组成，其化学配比为：HBr∶K2Cr2O7∶H2O＝(99-102)cc.∶(3.7-3.9)g∶(119-122)cc.；掩膜由SiO2、SiNx和光刻胶EPG512或S1813复合膜构成；光探测器管芯台面的化学腐蚀包括定域化学腐蚀、清洁处理、吹干保存和加深腐蚀。
本发明提供的混合腐蚀液，可一次性地对InP、GaAs、InGaAs、InGaAsP、InAlAs、InAlGaAs进行腐蚀，免除了采用多种不同腐蚀液所带来的麻烦，简化了工艺，节约了时间，提高了工艺成品率。
【附图说明】
图1为光探测器管芯台面利用本发明化学腐蚀方法腐蚀后的示意图。
【具体实施方式】
本发明的光探测器管芯台面的化学腐蚀方法包括下列步骤：
1.提供一种特定组成和化学配比的腐蚀液
这种腐蚀液由HBr、K2Cr2O7及H2O组成。其化学配比为：
HBr∶K2Cr2O7∶H2O＝(99-102)cc.∶(3.7-3.9)g∶(119-122)cc.
这里要说明的是，上述三种物质，纯度必须达到或优于化学分析纯。否则，将造成腐蚀表面的污染，尤其要防止钠、钾、铜等离子的表面污染。因为这种污染将造成器件暗电流增大、光电特性不稳定。当温度升高时，这种不稳定(或I-V特性蠕变)将最终导致器件失效。
上述特定配比的混合腐蚀液的配置方法为：
a.准备好容量为500cc.干净的玻璃烧杯和500cc.深色玻璃磨口瓶。然后，在通风橱中进行：
b.根据需要，按照上述规定的化学配比，用天平称取适量的K2Cr2O7放入烧杯中。
c.按照上述规定的化学配比，用量筒量取适量的分析纯H2O放入有K2Cr2O7的烧杯中；并在(30-40)℃下加热，使K2Cr2O7完全溶解(可根据杯底有无沉淀物作出判断)。
d.按照上述规定的化学配比，用量筒量取适量的分析纯HBr缓慢倒入有H2O、K2Cr2O7的烧杯中。然后把配置好的混合腐蚀液，倒入干净的深色玻璃磨口瓶中，密盖保存待用。
需要指出的是，由于HBr有强烈的气味和一定的腐蚀性，混合液配置必须在通风良好的化学腐蚀间进行。
上述配比的混合腐蚀液对InP、GaAs、InGaAs、InGaAsP、InAlAs、InAlGaAs都能进行化学腐蚀，但腐蚀速率稍有不同。在(22-30)℃温度下，一般腐蚀速率在(0.5-5.0)微米/分范围。
2.掩膜制备和刻蚀
对HBr-K2Cr2O7-H2O混合腐蚀液，可供选择的抗腐蚀掩膜有SiO2、SiNx、正性光刻胶等；根据腐蚀深度要求和腐蚀时间，确定抗腐蚀掩膜的组成和厚度。对腐蚀深度要求(2.5-3.0)微米的掩膜，本发明规定：通过PECVD介质淀积设备，先制备(200-250)nm的SiO2，再制备(80-100)nm的SiNx；
刻蚀定域腐蚀窗口
定域腐蚀窗口，可通过光刻工艺和等离子刻蚀进行。即先光刻，用光刻胶作掩膜；再通过等离子刻蚀，除去SiO2和SiNx。
需要注意的是，SiO2和SiNx一定要刻蚀干净。
3.利用配置好的混合腐蚀液对40Gb/s波导型光探测器管芯台面进行化学腐蚀，具体方法如下：
a.定域化学腐蚀
准备好容量为100cc.干净的玻璃烧杯、去离子水、秒表、镊子和定性滤纸。
然后，在通风橱中，倒入适量的混合腐蚀液于烧杯中；
用镊子夹取已制备定域掩膜的外延片，放于滤纸上；
再用镊子夹好外延片放入混合腐蚀液中，并用秒表精确记录腐蚀时间。根据腐蚀深度和腐蚀速率，严格控制腐蚀时间和温度。
腐蚀时间一到，即用镊子把外延片从腐蚀液中取出，迅速放入瓶装去离子水中。
注意环境温度，一般应为(22-30)℃；
d.清洁处理
倒去已用过的瓶装去离子水，再用凉的去离子水冲洗多遍(6遍以上)，最后用热的去离子水进行冲洗3-5遍。
e.吹干保存
从热的去离子水取出腐蚀过的外延片，用干氮吹去水汽，并烘干待用。
f.加深腐蚀
由于化学腐蚀的重复性和均匀性难于控制。要想一次腐蚀达到40Gb/s波导型光探测器管芯所需高度，一般要多次深度测试和多次腐蚀；具体地说，每次腐蚀后，均应用微米级台阶仪测量其腐蚀深度。如腐蚀深度不足，可进一步进行腐蚀。其腐蚀方法如上所述。经过多次腐蚀后，即可得到如图1所示的光探测器管芯台面，其中：标号1是指光探测器管芯上台面；标号2是指光探测器管芯下台面；标号3是指光探测器管芯半绝缘衬底(InP)。
在化学腐蚀步骤中应该注意的事项包括：
a.化学腐蚀液配置和外延片腐蚀，都应在通风良好的通风橱中进行；
b.所有和外延片接触的用具、材料(如玻璃杯、镊子、定性滤纸等)都应干净。否则，应进行清洁处理。其处理方法是：用试管刷沾取专用肥皂水刷洗用具内外表面，用水冲洗；将水擦干，放于洗液中浸泡一小时以上；从洗液中取出后，用水冲洗，再用冷的去离子水冲洗，最后用热的去离子水煮泡、冲洗，烘干待用。
c.洗液配置方法
洗液配方：重铬酸钾50克，浓硫酸850cc.，水100cc.；
配置方法：先将称好的重铬酸钾加热溶于100cc.水中，然后将浓硫酸缓慢倒入其中，并用玻璃棒不断搅拌。注意，浓硫酸进入水中有放热反应，所以倒入浓硫酸应缓慢，操作者应戴抗硫酸腐蚀的硬橡皮手套。
本发明所提供的光探测器管芯台面的化学腐蚀方法具有以下有益效果：
a.本发明可应用于其它三元化学物半导体台面型光电子器件管芯的制作，尤其适用于InP、GaAs、InGaAs、InGaAsP、InAlAs、InAlGaAs等材料构成的台面型光电子器件的制作。
b.本发明的腐蚀液，可一次性地对InP、GaAs、InGaAs、InGaAsP、InAlAs、InAlGaAs进行腐蚀，免除了采用多种不同腐蚀液所带来的麻烦，简化了工艺，节约了时间，提高了工艺成品率。
c.本发明的腐蚀液，可以获得腐蚀台面的斜面形状，有利于获得较好的斜面介质膜钝化保护。
d.采用反应离子刻蚀和化学腐蚀相结合的方法，既可以获得较深的台面形状，又可以免除反应离子刻蚀带来的晶格损伤。
Claims (8)
1.一种光探测器管芯台面的化学腐蚀方法，包括配置一种特定组成、化学配比的混合腐蚀液、掩膜制备和刻蚀及光探测器管芯台面的化学腐蚀，其特征在于：混合腐蚀液由化学分析纯的HBr、K2Cr2O7、H2O组成，其化学配比为：HBr∶K2Cr2O7∶H2O＝(99-102)cc.∶(3.7-3.9)g∶(119-122)cc.；掩膜由SiO2、SiNx和光刻胶EPG512或S1813复合膜构成；光探测器管芯台面的化学腐蚀包括定域化学腐蚀、清洁处理、吹干保存和加深腐蚀。
2.如权利要求1所述的光探测器管芯台面的化学腐蚀方法，其特征在于：配置所述混合腐蚀液的步骤包括，a.准备好容量为500cc.干净的玻璃烧杯和500cc.深色玻璃磨口瓶；然后，在通风橱中进行：b.根据需要，按照所述规定的化学配比，用天平称取适量的K2Cr2O7放入烧杯中；c.按照上所述规定的化学配比，用量筒量取适量的分析纯H2O放入有K2Cr2O7的烧杯中；并在(30-40)℃下加热，使K2Cr2O7完全溶解；d.按照上述规定的化学配比，用量筒量取适量的分析纯HBr缓慢倒入有H2O、K2Cr2O7的烧杯中；然后把配置好的混合腐蚀液，倒入干净的深色玻璃磨口瓶中，密盖保存待用。
3.如权利要求2所述的光探测器管芯台面的化学腐蚀方法，其特征在于：配置所述混合腐蚀液是在通风良好的化学腐蚀间进行。
4.如权利要求1或2所述的光探测器管芯台面的化学腐蚀方法，其特征在于：在室温(22℃-30℃)下，所述混合腐蚀液可对InP、InGaAs、InGaAsP、InAlAs、InAlGaAs、GaAs进行化学腐蚀，但对不同组分，其腐蚀速率不等，一般在(05-4.0)微米/分范围。
5.如权利要求1所述的光探测器管芯台面的化学腐蚀方法，其特征在于：掩膜中的SiO2、SiNx厚度分别为(200-250)nm和(80-120)nm。
6.如权利要求1或5所述的光探测器管芯台面的化学腐蚀方法，其特征在于：掩膜制备和刻蚀包括刻蚀定域腐蚀窗口，通过光刻工艺和等离子刻蚀进行，即先光刻，用光刻胶作掩膜；再通过等离子刻蚀，除去SiO2和SiNx。
7.如权利要求1所述的光探测器管芯台面的化学腐蚀方法，其特征在于：所述加深腐蚀是根据光探测器管芯台面的材料和表面状态、腐蚀液浓度、温度等不同，进行多次深度测试和多次化学腐蚀。
8.如权利要求7所述的光探测器管芯台面的化学腐蚀方法，其特征在于：多次化学腐蚀后的光探测器管芯台面呈斜台形，以便于制作表面保护膜和金属电极。
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