CN1812302B - 一种高效热调谐共振腔增强型探测器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种高效热调谐共振腔增强型探测器，其结构包括：一基片；一键合界面层，该键合界面层制作于基片之上；一第一反射镜，该第一反射镜制作于键合界面层之上，该第一反射镜由键合界面层的作用和基片牢固的粘合在一起；一外延层，该外延层制作于第一反射镜之上，该外延层构成共振腔的腔体部分；一第二反射镜，该第二反射镜制作于外延层之上；一保护层，该保护层制作在探测器有源区部分的表面和侧面；以及加热电极制作在保护层上，第一探测器电极和第二探测器电极制作在外延层上。
Description
技术领域
本发明涉及一种长波长可调谐共振腔增强型探测器的制作方法。特别涉及一种利用热光效应制作长波长(1.3～1.6μm波段)可调谐高效共振腔增强型探测器。
背景技术
随着信息时代的到来，全球通信业务量迅猛增长，通信网络的发展面临着前所未有的机遇和挑战。早在60年代光纤通讯就开始得到发展，单信道光纤通信已经不能满足通信量日益增长的需求，人们开始寻求在一根光纤中同时传输多个波长的光信号，这就是波分复用(WDM)技术，90年代中期掺铒光纤放大器的成熟更是促进了波分复用器件的商品化，发展到今天波分复用技术已演化到密集波分技术。
波分复用系统关键性器件之一：下载话路用的解复用接收器，商用上目前普遍采用解复用(滤波器)+光电探测器的分立组合方式。目前常用的解复用器主要包括：薄膜干涉滤波器，反射型衍射光栅，阵列波导光栅，波导光栅型解复用器件，光纤耦合型解复用器件。这种分立组合方式的解复用接收器存在诸多缺点，比如插入损耗，体积大，稳定性差等。而解复用与探测器集成于一身的谐振腔增强型(Resonant CavityEnhanced，RCE)探测器是一种首选的方案。谐振腔增强型探测器不但具备了解复用器所具有的波长选择性，而且由于谐振腔的增强作用在一定程度上解决了在传统光电探测器中存在的量子效率和响应速度之间相互制约的矛盾。与分立解复用接收器相比，共振腔的一个明显优势是集成度高。
在实际的光通讯网络应用中，按需分配容量、个性化业务和成本低廉等都是竞争的优势，因此业务提供者需要提供与此相适应的方案。基于光分插复用(OADM)技术的密集波分复用(DWDM)结构是城域光网络实现可扩容性、多业务性，以及提高系统灵活性的一种最为经济的方案。动态可配置的OADM更是极大的提高系统的灵活性。本专利阐述的发明可应用于这种OADM系统，根据需要，用户可以调节自己所使用的波长，其中波长调谐仅仅起到选通的作用，几十毫秒的响应速度就能够满足应用的需要，本发明阐述的热光调谐技术完全能够满足这个要求。
共振腔探测器的基本结构包括上下反射镜以及中间光吸收区。共振腔探测器的基本设计要求是下反射镜的反射率足够高(最好接近100％)，上反射镜的反射镜和下反射镜的反射率满足匹配关系R1＝R2e-2αd时效果最优，其中R1表示上反射镜的反射率，R2表示下反射镜的反射率，α表示吸收材料的光吸收系数，d为吸收区的厚度。目前市场上已经有比较成熟的980nm波段共振腔探测器，但是尚无成熟的长波长(1.3～1.6μm波段)共振腔探测器产品，其主要原因如下：对长波长光响应度高的材料主要有InP基系列外延材料，典型的例子有In0.53Ga0.47As，该材料和InP基片晶格匹配，吸收波长可以延伸到1.65μm，而且外延工艺成熟.但是下反射镜用的材料InP/InGaAsP，它们的折射率差很小，要达到99％的反射率，InP/InGaAsP介质膜的对数需要30对，甚至40对以上，难度大，成本高，不适合工业生产.一种解决方案是利用直接键合技术把InGaAs光吸收层键合到折射率差较大的GaAs/AlAs反射镜上，用GaAs/AlAs代替InP/InGaAsP.这种方法主要涉及两个难点，其一，直接键合工艺难度较高，不容易提高成品率，一般要求工作环境的清洁度在100级以上；其二，生长高反射率(99％以上)的反射镜尚也需要30对以上的GaAs/AlAs外延层.作为研究，上述方法都有相关文献报道：G.L.Christenson et al.IEEE Photonics Technol.Lett.Vol.9，pp.725，1997，以及N.Chitica et al.IEEE Photonics Technol.Lett.Vol.11，pp.584，1999。另一种解决方案是采用GaAs基GaInNAs材料作为光吸收材料，采用GaAs基GaAs/AlAs做反射镜材料。其优点是材料一次性外延完成，但是以现有的工艺技术外延响应波长达1.6μm的GaInNAs材料尚不成熟。因此，还需探索出一种新型工艺，以解决上述问题。
常见的共振腔型可调谐探测器主要有两种，微机械可调谐探测器和热调谐探测器。如图1所示，一个基本的微机械可调谐探测器，其结构包括：下反射镜10，从理论上而言，下反射镜的反射率越高越好，一般高达99％以上；位于下反射镜之上的探测器有源区12，即光吸收区，对于光通讯1.3～1.6μm波段，有源区采用InP基的InGaAs材料，它和InP材料晶格匹配，外延工艺成熟，光吸收强；位置可控的上反射镜13，和下反射镜构成一对共振腔系统，上反射镜的反射率需要和下反射镜的反射率相匹配；以及微腔的机械调节控制部分14。当光线入射到共振腔时，由于共振腔的相干干涉作用，满足特定相位条件的光进入共振腔，而其他光被反射，从而具有波长选择作用，典型的共振腔的响应曲线如图2C所示。共振波长的位置和腔长息息相关，利用两电极之间的静电吸引作用控制腔长，从而达到调谐的目的。
正如上述所述，采用GaAs/AlAs多层介质膜做反射镜辅助以直接键合技术，技术难度比较大，工艺成本比较高。本发明揭示的是另外一种调谐技术：热调谐，它利用温度的升高改变材料的折射率，从而改变等效腔长。请参照图2A，在探测器台面周围设计有加热电极，加热电极和探测器的工作电极互相隔离。当在加热器上施加调谐电压后，引起探测器有源区的温度变化，引起折射率变化，从而达到调谐的目的。典型的调谐特性如图2D和图2E所示，当折射率变化0.04时，可以获得16nm的调谐范围，调谐范围和折射率变化成线性关系，调谐效率为4nm/0.01，而且在整个调谐范围内，探测器的量子效率浮动很小。相比而言，机械调谐的调谐范围较大，热调谐的范围较小，但机械调谐的工艺较复杂，而且稳定性比较差，而热调谐工艺简单，几乎不增加任何额外的工艺步骤。
本发明揭示了一种新型的长波长可调谐共振腔探测器的制作方法，在该器件结构中上下反射镜均采用SiO2/Si材料，5对SiO2/Si的反射率就可达99％，其材料可以采用PECVD(等离子体增强型气相沉积)系统生长，成本低廉，有效的解决了InP/InGaAsP反射镜价格昂贵的工艺难题，同时工艺简单，适合工业生产。
发明内容
本发明的目的在于揭示一种新型可调谐探测器的制作方法。这种新型可调谐探测器采用热调谐并辅助以sol-gel键合技术，上下反射镜采用SiO2/Si等介质膜材料，有源区采用成熟的InGaAs材料。SiO2/Si介质膜材料可以采用PECVD(等离子体增强型气相沉积)系统生长，成本低廉，而且5对SiO2/Si的反射率就可达99％，技术难度相对较小。利用sol-gel键合技术把反射镜键合到硅基片上，sol-gel键合的工艺要求低，成本低，从而可有效的降低其工艺难度，降低成本。
特别的，本发明的一个目的在于揭示了一种低成本可调谐长波长共振腔探测器的器件结构及其制作方法。在该器件结构中，下反射镜的反射率可以高达99.5％以上，而不会明显增加工艺成本。本发明提供的工艺难度相对较低，适合工业生产。
本发明一种高效热调谐共振腔增强型探测器，其特征在于，其结构包括：
一基片；
一键合界面层，该键合界面层制作于基片之上；
一第一反射镜，该第一反射镜制作于键合界面层之上，该第一反射镜由键合界面层的作用和基片牢固的粘合在一起；
一外延层，该外延层制作于第一反射镜之上，该外延层构成共振腔的腔体部分；
一第二反射镜，该第二反射镜制作于外延层之上；
一保护层，该保护层制作在探测器有源区部分的表面和侧面；以及
加热电极制作在保护层上，第一探测器电极和第二探测器电极制作在外延层上。
其中外延层的材料是IV族材料，III-V族，II-VI族材料或者有机物材料，对长波长波段1.3～1.6μm的光吸收性好。
其中键合界面层是键合介质退火后形成，该层对长波长波段1.3～1.6μm的光透过性好。
其中第一反射镜和第二反射镜所用的材料是介质膜SiO2/Si，Al2O3/Si，SiNxOy/Si，TiO2/Si。
本发明一种高效热调谐共振腔增强型探测器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
a)在第一基片上生长外延层；
b)在外延层上生长第一反射镜；
c)在第二基片和第一反射镜的外延片上涂上粘合剂，面对面贴合在一起；
d)去除第一基片，在第二基片上留下带有反射镜的外延层；
e)然后在外延层上按照外延材料系对应的标准工艺制作探测器；以及
f)在器件上面生长第二反射镜。
其中第一、第二反射镜材料是SiO2/Si，Al2O3/Si，SiNxOy/Si。
其中在外延片上涂的粘合剂退火后形成的材料对1.3～1.6μm波段的光透过性好，并且稳定性好。
其中旋涂上粘合剂后进行下一步工艺之前需要先经过50～150℃、1～30小时低温烘烤，以提高键合强度，退火时需要在样品上施加0.1～3kg/cm2的压力。
其中步骤e)主要包括如下步骤：掩模、光刻和刻蚀，形成探测器的台面结构，接着生长绝缘层，并掩模光刻刻蚀，形成电极孔，然后生长电极，形成探测器的第一、第二电极，以及加热电极，最后生长第二反射镜，其中探测器的第一电极、第二电极和加热电极一次性制作形成。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1是常规的微机械可调谐探测器的器件结构示意图；
图2A是本发明揭示的热调谐探测器的照片(俯视图)；
图2B是本发明揭示的制作热调谐探测器用的电极掩膜版；
图2C是典型的共振腔探测器的光电响应曲线；
图2D-2E是本发明揭示的可调谐探测器的典型调谐特性；以及
图3A～3G是本发明的热调谐共振腔探测器的制作工艺流程图。
具体实施方法
请参阅图图3G，本发明一种高效热调谐共振腔增强型探测器，其结构包括：
一基片150；
一键合界面层104，该键合界面层104制作于基片150之上，该键合界面层104是键合介质退火后形成，该层对长波长波段1.3～1.6μm的光透过性好；
一第一反射镜102，该第一反射镜102制作于键合界面层104之上，该第一反射镜102由键合界面层104的作用和基片150牢固的粘合在一起；
一外延层101，该外延层101制作于第一反射镜102之上，该外延层101构成共振腔的腔体部分，该外延层101的材料是IV族材料，III-V族，II-VI族材料或者有机物材料，对长波长波段1.3～1.6μm的光吸收性好；
一第二反射镜114，该第二反射镜114制作于外延层101之上；该第一反射镜102和第二反射镜114所用的材料是SiO2/Si，Al2O3/Si，SiNxOy/Si；
一保护层110，该保护层110制作在探测器有源区部分的表面和侧面；以及
加热电极113制作在保护层110上，第一探测器电极111和第二探测器电极112制作在外延层101上。
请参阅图3A～3G，本发明一种高效热调谐共振腔增强型探测器的制作方法，包括如下步骤：
a)在第一基片100上生长外延层101(图3A)；
b)在外延层101上生长第一反射镜102(图3B)；
c)在第二基片150和第一反射镜102的外延片101上涂上粘合剂，面对面贴合在一起(图3C)；外延片101上涂的粘合剂退火后形成的材料对1.3～1.6μm波段的光透过性好，并且稳定性好；其中旋涂上粘合剂后进行下一步工艺之前需要先经过50～150℃、1～30小时低温烘烤，以提高键合强度，退火时需要在样品上施加0.1～3kg/cm2的压力；
d)去除第一基片100，在第二基片150上留下带有反射镜的外延层101(图3D)；
e)然后在外延层上按照外延材料系对应的标准工艺制作探测器，其中探测器的第一电极、第二电极和加热电极一次性制作完成，该步骤e)主要包括如下步骤：掩模、光刻和刻蚀，形成探测器的台面结构(图3E)，接着生长绝缘层，并掩模光刻刻蚀，形成电极孔，然后生长电极，形成探测器的第一、第二电极(图3F)，以及加热电极，最后生长第二反射镜(图3G)，其中探测器的第一电极、第二电极和加热电极一次性制作形成；以及
f)在器件上面生长第二反射镜114；第一、第二反射镜材料102、114是SiO2/Si，Al2O3/Si，SiNxOy/Si。
实施例
请参照图3G，图3G揭示了本发明的一种新型热调谐长波长探测器的结构示意图，图33A～3G揭示了该器件的工艺流程.本发明所揭示的制作工艺能够有效克服高反射率的反射镜外延成本高的难题，能够有效降低总成本.
图3A～3G揭示了图3G所给出的热调谐探测器的工艺流程示意图。首先在第一基片100上生长探测器的外延层101(图3A)。在一个最佳实施例中，第一基片是InP基片，其外延结构如下：
表1：外延层的结构示意图
| 8 | InP 100nm本征 | 用于键合 |
| 7 | In<sub>0.756</sub>Ga<sub>0.244</sub>As<sub>0.536</sub>P<sub>0.464</sub>800nmP+掺杂 | p电极层 |
| 6 | In<sub>0.756</sub>Ga<sub>0.244</sub>As<sub>0.536</sub>P<sub>0.464</sub>300nm本征 | 间隔层 |
| 5 | In<sub>0.53</sub>Ga<sub>0.47</sub>As 20nm本征 | 光吸收区 |
| 4 | In<sub>0.756</sub>Ga<sub>0.244</sub>As<sub>0.536</sub>P<sub>0.464</sub>105nm本征 | 间隔层 |
| 3 | In<sub>0.53</sub>Ga<sub>0.47</sub>As 20nm本征 | 光吸收区 |
| 2 | In<sub>0.756</sub>Ga<sub>0.244</sub>As<sub>0.536</sub>P<sub>0.464</sub>1110nm本征 | 间隔层 |
| 1 | In<sub>0.756</sub>Ga<sub>0.244</sub>As<sub>0.536</sub>P<sub>0.464</sub>300nmN+掺杂 | n电极层 |
| 0 | InP缓冲层及InP基片 |
外延完成后，接着在外延层上用PECVD或者电子束蒸发的方法生长SiO2/Si下反射镜102(图3B)，在另一个最佳实施例中，反射镜材料采用Al2O3/Si。然后对反射镜102和第二基片150进行化学清洗，烘干后旋涂上硅乳胶(sol-gel)103、151，贴合在一起(图3C)。硅乳胶的配制参见“C.J.Brinker，K.D.Keefer，D.W.Schaefer and C.S.Ashley，“Sol-gel transition in simple silicates，”J.Non-Crystalline Solids，vol.48，pp.47-64，1982”，或者使用其他类似产品.接着进行热处理，先低温50～150℃烘烤1～30小时，再慢速升温到350℃并保持1～20个小时，进一步提高键合强度.退火时一般需要施加一定的压力，以获得厚度均匀强度较高的键合界面.之后，用化学腐蚀或者配合使用机械减薄的办法去除第一基片100(图3D).在第二基片150上留下生长有高反射率的反射镜的外延层101.在一个最佳实施例中，第一基片100是InP基片，第二基片150是硅基片，去除InP基片的方法是采用HCl∶H3PO4＝1∶1腐蚀液(室温)，腐蚀速率大约为2～3.2μm/min。
使用硅乳胶键合的方法，工艺要求低，键合之前无需对反射镜进行抛光处理，而且用PECVD或者电子束蒸发的方法生长反射镜，比起使用外延设备(如分子束外延设备MBE或者金属有机物气相外延设备MOCVD)生长厚度较大的反射镜而言，其难度和成本都有大幅度降低，从而解决了长波长(尤其是1.55μm波段)共振腔探测器难以制作的难题。接着在外延层按照常规工艺制作热调谐探测器，其步骤和常规普通结构的探测器一样，所不同的是最后光刻电极时用的光刻掩模有所不同，简要步骤描述如下：
一次掩膜及刻蚀后，在外延层上形成台面结构，并生长绝缘层110，如图3E所示。刻蚀台面一般采用干法刻蚀技术，其优点是侧向钻蚀(undercut)小。在一个最佳实施例中，外延结构如表1所示，刻蚀台面可以直接采用Br2∶H2O＝1∶1腐蚀液，这种腐蚀液的侧向钻蚀较小。根据器件功能，探测器的有源区部分101主要包括探测器的p电极(对应于表1中的第7层)，本征吸收区(对应于表1中的第3层和第5层)和n电极区(对应于表1中的第1层)，刻蚀台面时必须停在p电极层，也就是表1中的第7层，以形成良好的欧姆接触。接着刻蚀出电极孔，并利用带胶剥离技术生长电极，剥离后形成电极111、112和113，如图3F所示。在一个最佳实施例中，电极采用Ti/Pt/Au(24/62/284nm)，它的优点是粘附性好，稳定性好，并且上下电极一次性生长完成。在一个最佳实施例中，器件形状如图2A(俯视图)所示，光刻电极时采用的光刻掩模版如图2B所示。然后，带胶生长上反射镜114，剥离后形成的器件结构如图3G所示。在本实施例中，上反射镜采用SiO2/Si材料，使用电子束蒸发的方法生长。自此，完成探测器的器件制作，解离、压焊后，在电极113上施加调谐电压，在电极111和112之间收集光电流。光线垂直入射。
尽管本发明是通过各个实施例描述的，这不应该就认为它是本发明的所有内容或内涵。阅读完上面本发明的详细阐述后，毫无疑问，业内人士能够对本发明的那些技术进行各种各样的替换和修正。因此，可将本申请案底权利要求解释成涵盖在本发明原始精神与领域下的所有改变与修正。
Claims (3)
1.一种高效热调谐共振腔增强型探测器，其特征在于，其结构包括：
一基片；
一键合界面层，该键合界面层制作于基片之上，该键合界面层是键合介质退火后形成，该层对长波长波段1.3～1.6μm的光透过性好；
一第一反射镜，该第一反射镜制作于键合界面层之上，该第一反射镜由键合界面层的作用和基片牢固的粘合在一起，该第一反射镜所用的材料是介质膜SiO2/Si，Al2O3/Si，SiNxOy/Si，TiO2/Si；
一外延层，该外延层制作于第一反射镜之上，该外延层构成共振腔的腔体部分，该外延层的材料是IV族材料，III-V族，II-VI族材料或者有机物材料，对长波长波段1.3-1.6μm的光吸收性好；
一第二反射镜，该第二反射镜制作于外延层之上，该第二反射镜所用的材料是介质膜SiO2/Si，Al2O3/Si，SiNxOy/Si，TiO2/Si；
一保护层，该保护层制作在探测器有源区部分的表面和侧面；以及
加热电极制作在保护层上，第一探测器电极和第二探测器电极制作在外延层上。
2.一种高效热调谐共振腔增强型探测器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
a)在第一基片上生长外延层；
b)在外延层上生长第一反射镜；
c)在第二基片和第一反射镜的外延片上涂上粘合剂，面对面贴合在一起；其中在外延片上涂的粘合剂退火后形成的材料对1.3-1.6μm波段的光透过性好，并且稳定性好；
d)去除第一基片，在第二基片上留下带有反射镜的外延层；
e)然后在外延层上按照外延材料系对应的标准工艺制作探测器，该制作探测器的步骤包括：掩模、光刻和刻蚀，形成探测器的台面结构，接着生长绝缘层，并掩模光刻刻蚀，形成电极孔，然后生长电极，形成探测器的第一、第二电极，以及加热电极，最后生长第二反射镜，其中探测器的第一电极、第二电极和加热电极一次性制作形成；以及
f)在器件上面生长第二反射镜；
其中该第一、第二反射镜材料是SiO2/Si，Al2O3/Si，SiNxOy/Si。
3.根据权利要求2所述的高效热调谐共振腔增强型探测器的制作方法，其特征在于，其中旋涂上粘合剂后进行下一步工艺之前需要先经过50-150℃、1-30小时低温烘烤，以提高键合强度，退火时需要在样品上施加0.1-3kg/cm2的压力。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20100512 Termination date: 20110127 |