JP2005093937A

JP2005093937A - 高速のエージ・カップル式フォトデテクタの改善方法

Info

Publication number: JP2005093937A
Application number: JP2003328746A
Authority: JP
Inventors: Chong-Long Ho; 何充隆; Gong-Cheng Lin; 林恭政; I-Ming Liu; 劉一鳴; Kaju Rin; 林佳儒; Yao-Shing Chen; 陳耀星; Bunsho Ka; 何文章; Shio Ryo; 廖枝旺
Original assignee: Chunghwa Telecom Co Ltd
Current assignee: Chunghwa Telecom Co Ltd
Priority date: 2003-09-19
Filing date: 2003-09-19
Publication date: 2005-04-07

Abstract

【課題】
光の漏斗効果をそのカップリン孔の真正面に集積し、光学的結合効率を向上し、入射光がフォトデテクタのインアクティブな区域に漏射せず、アクティブな吸収区域に結合集中でき、入射光の密度が低く、空間電荷の影響の軽微な高速の、エージ・カップル式フォトデテクタの改善方法の提供。
【解決手段】
光の漏斗効果をそのカップリン孔の真正面に集積させて、光の結合効果を増強させる光漏斗を湿式蝕刻で結晶学的に半導体のスロープを規定するか、または、乾式蝕刻で、レジスト・プロファイルで規定された、半導体スロープの上を平坦化した誘電体で被覆した。光漏斗の内部を部分的、或いは全面的に金属化することにより、鏡面の全反射効果を得た。光漏斗に入射した光波は光軸に沿って伝播し、鏡面の反射により集中、或いは内部で全反射する。
【選択図】図１(a)

Description

本発明は、エージ・カップル(edge coupled)式フォトデテクタの光学的結合を改善する方法に関するもので、特に通常、その結合開口がカップラーの出力のスポット・サイズ(モード・フィールド徑)よりかなり小さい、高速の半導体エージ・カップル式フォトデテクタに関するものである。

半導体フォトデテクタはファイバオプチック(fiberoptic)通信で伝送される情報を収受する場合、重要な役割を果たすものであり、必要とするデータ容量の増加に伴い、デテクタが高度な収受効率で、高速にデータを処理する能力が重要になってくる。

図１(a)に従来の層構造の半導体フォトデテクタを示す。この図によればP⁺タイプとN⁺タイプの半導体層(111と113)の間に低い⁻(low⁻)、或いは未ドープ(un-doped)の光吸収層112を挟んでいる。このフォトデテクタは通常、P⁺とN⁺タイプの半導体層の間に逆バイアスが印加され、キャリァが光吸収層において欠乏状態になり、欠乏区域で強力な電界を発生させて、光により発生するキャリァを集めるのである。

従来の表面結合(surface-coupled)式のフォトデテクタでは、入射する光114をデテクタのトップから受取り、その光を吸収するパスは、キャリァのトランシット・パス(transit path)と平行、かつ重畳している。キャリァのトランシット・パスを減らされれば動作速度が速くなるが(デテクタの帯幅がトランシット時間の制限を受ける場合)、吸収効率が低下する結果となり、デテクタの感度も落ちることになる。即ち、表面結合式フォトデテクタは最大の帯幅と最大のコンタム効率を同時に得られないのである。更に詳しくは、表面結合式フォトデテクタには、帯幅効率に最大積値があることである。例えば、InP基板の長波長表面結合式フォトデデクタのティピカルな帯幅効率積値は30GHzである。

一方、入射光線115をデテクタの稜辺から受取るエージ・カップル式フォトデテクタにおいては、その光吸収パス△Zとキャリァ・トランシット・パス△Xが互いに垂直であるため、2つのパスの長さは互いに関係なく、同調できるのである。理想的には、エージ・カップル式フォトデテクタは最大の帯幅と、最大のコンタム効率とを共に達成することができる。しかるに実際においては、キャリァのトランシット時間を短縮するため吸収層の厚み△Xを小さくすれば、外形(epi-structure)により規約されるカップリング孔はこれに伴い縮小するので、例えば光繊維のような、従来のウェーブ・ガイド装置を使用する光学的結合では難しくなる。例えば、30GHzデテクタの帯幅では△Xは、1μmより小さくしなければならず、一方、ティピカルなシングル・モードのファイバーのビームの直径は5μm以上もある。この故にフォトデテクタのカップリング孔を光繊維のモード・フィールド(mode field)徑に当てはめることはますます困難であり、その間の結合ロスという問題が生じる。

図１(a)に示すように、エージ・カップル式フォトデテクタのカップリング孔は本器の稜辺に位置するので、その有効なサイズは、半導体層構造の断面図に決定され、それは大体△X△Yの積にて代表される。光繊維をカップラーとして使用し、直接光115を高速のフォトデテクタの有効孔内に導入し、薄い吸収層111に吸収させれば、光学的スポット・サイズが十分に小さく、光の照準、特にデテクタ基板の垂直方向への照準が正確な場合に限り、高度な結合効率が得られる。このようなカップリング方式の問題、即ちウェーブ・ガイド構造のフォトデテクタで、有効なカップリング孔を拡大できるものとしては、特許文献１及び特許文献２の2つの案が開示されてあり、その概略図を図１(b)に示す。このようなウェーブ・ガイド式構造によれば、有効にカップリング孔(モード・フィールド徑)は大略、例えば、0．4μmから3μmに増大可能である故、デテクタの効率に顕著な向上が見られた。しかるに、エピ構造の金属厚みはティピカルに7μm以上あるために、余分な厚い被覆114と115を取付けるのに少なくとも従来のデテクタの構造(図１(a) )の2倍のエピタキシャル成長(epitaxial growth)の時間を必要とする。特許文献２で推薦するテーパー式吸収層のフォトデテクタでは、更に再成長のプロセスを必要とする故、2倍のエピタキシー・コストがいり、再生産性やリライアビリティのように紛争が惹起される。このような余分なコストや紛争は特許文献３、特許文献４、特許文献５と特許文献６に開示されたウェーブ・ガイド集積(waveguide-integrated) フォトデテクタで起こっている。その他直接結合式以外に、これらウェーブ・ガイド式やウェーブ・ガイド集積式フォトデテクタは間接的な、漸次消滅方式(evanescent)結合を採用し、それには吸収光を減衰させるため少なくとも20〜30μmのデテクタの長さが必要となり、余計なジャンクション・キャパシタンスを導入する結果となる。大きいジャンクション・キャパシタンスは結果として短いデバイスの帯幅となる。

アクティブなPnジャンクション範囲の定義によればエージ・カップル式フォトデテクタは2つのカテゴリーに分類できる。即ちジャンクション・メサ・型(junction-mesa type) (図１(a)参照)とSAD(selective-area-diffused) メサ・型(図１(c)参照)である。ジャンクション・メサ・型のPnジャンクションは層の成長時期に形成され、そのジャンクション区域は、フォトリソグラフイや蝕刻により規定される。SAD・メサ・型のPnジャンクションは限定された拡散法(localized diffusion process)により形成され、それにより、ジャンクション区域を規定される。欠乏した吸収区は内部に密閉されているので、一般にSADメサ型のフォトデテクタはジャンクション・メサ型のそれよりも、リライアブルであると考えられている。SADメサ型のフォトデテクタが遭遇するただ1つの問題を考慮してみよう。図１(c)に示すように、このフォトデテクタは高度のn型にドープされた広いバンドギャップの半導体層113と、低度にドープされたまたはドープされない、狭いバンドギャップの半導体吸収層112と、フォトデテクタのアクティブ区域を規定し、拡散法にて形成され、低度にドープ、またはドープされない広いバンドギャップの半導体区域111bで取巻かれ、高度のP型にドープされた、広いバンドギャップの半導体区域111aとを含んでいる。低度にドープされた。またはドープされない区域111cは、適宜な広さの△tをアクティブ区域の前方に残し、有効にアクティブ区域を外部の環境から保護している。これら境界外の拡算面により規定され、△tで伸出(濃いダッシュ線で区畫された境界)した部分にはバイアス電界が及ばないので、インアクティブな区域と見なされる。このような区域はただ、SADメサ型のフォトデテクタのみに存在する。光学的結合の際、ミスアラインメントは結合ロスを招致し、それは、ジャンクション・メサ型のフォトデテクタにとっても同様である。然かるに結合ロスの外、横のY方向でのミスミスアラインメントはSADメサ型のフォトデテクタのインアクティブ吸収区域での光の吸収を起こす。それら吸収されたフォトンの放棄したエネルギーは電子を価帯(valence band)に誘起し、結果として電子／ホールのペアが発生する。このインアクティブ吸収区域に発生した電子／ホールのペアは短時間内に再結合するか、またはバイアスされたアクティブ区域に徐々に拡散する。ここでこれらのペアはバイアス電界に加速され各々の電極に帰着する。このような動作の遅いキャリアは、バイアスされたアクティブ区域に発生し、漂移する動作の早いキャリアとは対照的に信号の遅滞(signal tailing)を起こして、デテクタ帯幅の低下となる。結果として、結合ロス意外にミスアラインメントに関連した問題、例えば、動作の遅いキャリアによる帯域の短縮や直線性の低下等を起こす。
米国特許第5,991,473号明細書米国特許第5,998,851号明細書米国特許第4,835,575号明細書米国特許第5,521,514号明細書米国特許第5,521,994号明細書米国特許第6,498,337号明細書

有効にカップルング孔を拡大して、光学的結合効率を向上させる、光の漏斗効果をそのカップリング孔の真正面に集積するエージ・カップル・フォトデテクタの提供を本発明の1つの目的とする。

より均一に光をフォトデテクタのアクティブな吸収区域に結合、集中させ得る、光漏斗をその真正面に集積させ、入射光の密度を低く、空間電荷の影響を小さくして、デテクタの直線性を向上できるエージ・カップル・フォトデテクタの提供を本発明のもう1つの目的とする。

光漏斗が大きい光スポット・サイズを持つか、または光結合のアラインメントの許容値を大きく取り得、入射光波がインアクティブな吸収区域に漏射しなく、漏斗状にアクティブ区域のみに入射し、遅いキャリアの発生がなく、デテクタが動作帯幅と直線性を犠牲にすることなく、高いコンタム効率で動作できる、光漏斗をそのカップリング孔の真正面に集積された、エージ・カップル・フォトデテクタの提供を本発明の更に1つの目的とする。

そして、そのカップリング面の真正面に集積した誘電性の光漏斗がフォトデテクタの面の保護に役立てることを本発明の更に1つの目的とする。

上記の目的を達成するためには漏斗になるだけ、例えば、２酸化シリコンやポリマーのような誘電材料で作成することが望ましい。そして、それ自体が光軸と垂直な方向、即ち、以下Z方向と呼称する方向に光を拘束することである。光軸と本デバイスの基板両者と垂直な方向、即ち、以下X方向と呼称する方向での漏斗効能は湿式蝕刻で結晶学的に規定された半導体のスロープ、または、乾式蝕刻で抵抗輪郭の規定された半導体のスロープに始め、高度な反射性の金属膜、次に平坦化された誘電層で被覆する。漏斗のX方向の幅はこれで徐々に＋Z軸に沿って縮む光軸と垂直で、デバイスの基板と平行な方向、以下、Yと呼称する方向での漏斗効能はフォトリソグラフィと蝕刻とを利用して、＋Z軸に沿って徐々に縮む漏斗幅を規定する。その外観では、漏斗の頂面は、主としてデバイスの基板に平行し、その底面は十分にデバイスの基板を包む角度を有し、或いは、十分な曲線関数のテーパーリング(tapering)輪郭、例えば、抛物線のテーパー、またはS−ベンド(S-Bend)のCosineテーパーを持ち、そのデバイスの基板に垂直な両側面は、光軸を包む十分な角度を持ち、または、十分な曲線関数のテーパーリング輪郭、例えば抛物線のテーパー、またはS−ベンド(S-Bend)のCosineテーパーを有している。漏斗の出口はちょうどデテクタの光の入口になっている。漏斗の内部は一部か或いは全面的に金属化して、全反射の鏡面を形成している。漏斗に入射した光波は、金属の鏡面、または内部の全反射によりX方向に集中し、また同じく金属の鏡面、または内部の全反射によりY方向に引導される。

上記の諸目的を達成する外、本発明によれば、拡大されたカップリング孔のため、寛大なアラインメントの許容値で、高密度の、エージ・カップル・フォトデテクタのアレイが可能であるメリットがある。このようにアレイされたフォトダタクタは高度なデータ容量、例えばウルトラ・スピードの平行データ通信、または波長分割マルチプレキシング(WDM)系統への応用上、特別に有効である。フォトデテクタの各自が高度な受収効率で、高速な運用ができるため、このようなアレイは、毎秒幾１０、甚しくは幾百のジガビットの膨大な量のデータを処理することができるのである。

以下にこの発明に関する2つの具体的な実施例について詳細に説明しよう。この両実施例ではInP基板の集積光漏斗を有するエージ・カップル・フォトデテクタを提供する。但し、本発明では特にInP基板のフォトデテクタに限定せず、その他の化合物の半導体フォトデテクタにも適用することを強調する。

第１の実施例において、X方向での光漏斗作用は結晶学的に規定され、化学蝕刻によるInPのスロープを始め、高度な反射性を有する金属膜で蔽い、更に平坦化した誘電膜で被覆した。InPのスロープは結晶学的に規定された故、漏斗の形状は再修飾性がある。
図２(a)に示された始めのフォトデテクタの層構造は例えば、濃厚にドープされたn型のInP基板211、エピタキシィで成長したInP層212、エピタキシィで成長した低度な、または未ドープのInGaAsP吸収層213、エピタキシィで成長したInGaAsPの蔽覆層214、とエピタキシィで成長したInGaAsPの接触層215よりなるものである。特にInGaAsP吸収層213の吸収カットオフ波長(λg)は1．3μmか、またはそれより長く、InGaAsPの蔽覆層214のλgは層213のそれよりも短く、InGaAsPの接触層215のλgは層214のそれと同じか、または長いのである。このような層配置は、厚いInGaAsPの蔽覆層214での吸収の発生を防止し、また金属化した接触部と接触層215との間の低い接触抵抗を提供するためである。

この実施例でのプロセスは図２(b)の断面図に示された、アクティブ・メサ217の形成から始められる。フォトデテクタのアクティブ・メサ217はジャンクション・メサか、またはSAD・メサかで、これは以前に区別された通りである。ジャンクション・メサでは、被覆層214と接触層215は共に、エピタキシャル・プロセス中、未ドープで残されている。そして選択的に拡散プロセス中P型にドープされている。アクティブ・メサは乾式蝕刻、例えば、CH₄/H₂/O₂混合ガスを用いて垂直側の壁218を最大の光波伝送値に達するようにする。乾式蝕刻で接触層215、蔽覆層214、吸収層213を除去し、InP層212に到達するまで進行させる。その後、InP層212を化学蝕刻、例えばHCL基の溶液を用いて行う。(112)A結晶面に垂直の方向での最スローの蝕刻が約35゜の傾斜角θ₁で傾斜層212 aに移転される。前記の乾式蝕刻に使用される蝕刻用スマク216はSiOxやSiNxの誘電性膜、またはCrをオーバーレイドしたAuZn/AuやNiのハード・マスクのような接触用金属面でもよい。この実施例では後者を採用した。

メサを形成する乾式蝕刻において、InP層に対する軽微な過蝕刻は許されるものであり、厚さ0．1〜0．2μmのInGaAsP吸収層213を残して、H₃PO₄：H₂O₂：H₂O、または、H₂SO₄：H₂O₂：H₂O溶剤を使用して化学蝕刻をする。高度な蝕刻の選択性のため、化学蝕刻では最後の0．1〜0．2μmの厚さのInGaAsP吸収層を除去し、かつInP層212に到達したとき、一旦停止してInP層212の過度な蝕刻を防止するのである。

ここで注意すべきことは、InPのスロープを蝕刻する場合、スロープの高さ"d"を正確にコントロールし、平坦でスムースな底面220を得ることは蝕刻に対する反作用の制限と、InP層212とInP基板211間に存在するホモ界面のため、困難となる。ゆえにエピタキシャル成長の際、薄いInGaAsP(λg≧1.2μm)のエッチ・ストップ(etch-stop)層(-0.1μm)をInP層212とInP基板211間に挿入することが望ましい。InPの蝕刻用のHCL基蝕刻溶液はInPとInGaAsP(λg≧1.2μm)の間に高い蝕刻選択性を持っているので、スロープの蝕刻は一旦InGaAsPのエッチ・ストップ層に到達次第停止するのである。ゆえにInP層212の厚さはスロープの高さ"d"を規定し、底面220はエピタキシィ品質上の平坦性が保っているのである。スロープの角度に従って、この実施でのスロープのオプティマルな高度"d"は1hと2h間にあり、hとはメサの高度である。

エッチング・プロセスに引続き、SiNxのような誘電体膜219をプラスマ・エンハンスド・ケミカル・ヴェポー・デポジィション(PECVD)で、メサの側壁上に沈積して、抗反射塗布とし、また、Ti/Auのような高度な反射性の金属膜221を蒸発法でスロープと底面上に沈積して、光波を拘束する反射鏡とすることが望ましい。図２(c)にこの例を示す。

ここで注意すべきことは、ウェハー表面の最大段階高度が2hから3hもあることである。以下に説明するように、漏斗体の形成は誘電体の平坦化プロセスによってなされる。これは誘電層の沈積、或いはスピン・オン・プロセスに続く研磨、及び全面的エッチ・バックにより完成される（エッチング・バック(etching-back)）。平坦化の程度(degree of planarization DOP)は下記の比で規定される。

上式のH_Mと Hmは各々、平坦化プロセス以前と以後のウェハー表面上の最大段階高度を指す。完全に平坦化された表面は、平坦化プロセスが100%のDOP値に達したことを意味するのである。実際上、DOPは段階高度(Hm)、段階幅(W)、段階輪郭と段階のピッチ(S)と関係がある。以下2つのDOPが95%以上の実際の例を挙げて説明する。両者共に図２(d)に示す平坦化したデバイスの表面が得られる。符号222は平坦化した誘電体を示す。

第1の例では例えば、ベンゾサイクロブテン(Benzocyclobutene BCB,DOW ケミカル社出品)のポリマー誘電体をウェハー表面にスピン・オンした後、加熱でキュアして固体化ものである。ポリマーをスピン・オン（ポリマー・スピン・オン・プロセス(polymer spin-on process)）で高いDOPを得るには、一般の法則では、Wをなるだけ小さくすることである。高速のエージ・カップル式フォトデテクタにおいては通常、そのアクティブ・メサ区域は小(<100μm²)であるので、この条件はたやすく満足させ得る。高いDOP値を達成するためには、スピン・オンとキュアリングの条件は厚さがウェハー表面上の最大段階2倍以上誘電体層を提供することである。即ち、少なくとも4 hより大きくなければならない。ポリマーの誘電体の流動性は結果として、スピン・オンした後の輪郭では、メサ・トップ上のポリマーは、それ以外のウェハー表面のよりもかなり薄くなることである。図２(d)に示すように、全面性のエッチ・バック・プロセス、例えば、CF₄/O₂混合ガスを使用するリアクティブ・イオン・エッチング(reactive ion etching RIE)によれば、アクティブ・メサのトップは、その外の半導体表面を露出しなくても、均一に露呈できるものである。この例での符号222は蝕刻されたポリマーの誘電膜であり、そのトップは実質上、アクティブ・メサのトップの接触金属体と同じレベルにある。ここで特筆すべきは、全面性のエッチ・バック・プロセス以前、もしDOWケミカル社出品のフォト・BCBのようなフォトセンシティブなポリマー材料を使う従来のフォトリソグラフィク・プロセスによるならば、ポリマー膜は図3に説明した、313a、313b、または313cのような希望する漏斗の図形に形成できるのである。

第2例では、誘電層は例えば、PECVDによるSiOxを全面的にウェハー表面に沈積したものである。高度な順応性を有する沈積本性のため、ウェハー表面のトポグラフィ(topography)は沈積した誘電層の表面に転移され、その最大段階高度は沈積以前のそれと同様、またはやや短くなる。従来のウェハー研磨、またはより精密なケミカル・メカニカル研磨により、誘電体表面は平坦な平面になるまで研磨されるのである。ティピカルには研磨技術を駆使して>99% DOPが達成せられる。よりフラットな誘電体面は、後続の全面性エッチ・バックでアクティブ・メサ・トップの露出を可能にする。第1の例でのように、CF₄/O₂混合ガスのSiOxを利用したRIEはこのようなエッチ・バック・プロセスを好適に実施でき、よりフラットな共同レベル上のSiOxで取巻かれた、アクティブ・メサのトップ上にある露出した接触用金属体の平面が作成されるのである。

接触用金属体216の表面平坦化と露出を完成した後、図２(e)に示したようにリモート・パッド (remote pad)用の接触用延長部223を従来のフォトリソグラフィ・プロセスで規定し、そしてメタル沈積に続くリフト・オフプロセスで形成するのである。漏斗の面積を規定するには(もし、面積が全面的エッチ・バック以前に規定されていなければ)、漏斗キャプ224も同様に従来のフォトリソグラフィとメタル・デポジツション／リフト・オフプロセスで形成する。望ましくはSiOxのような誘電絶縁膜225をその間に挿入して、漏斗キャップ224を接触用金属体216から電気的に隔離した方がよい。なんとなれば引続いて、金属体216、223、224をエチッング・マスクとして数μmのSiOxで形成された漏斗を底部の鏡面221まで蝕刻する。これらマスクの最頂部の膜はなるだけ硬い材料、例えばCrよりなる方がよい。そして、224の最低部の膜は高度な反射性の膜であり、高度な反射性の底部鏡面221と相まって、有効に光波を垂直(x-)方向に拘束できるようにしなければならない。このような漏斗を蝕刻した後のフォトデテクタのトップ・ヴュー(top view)を図3に示す。符号311は接触用延長部であり、312はアクティブ・メサ・エリアを規定し、そして313の全部は、側面方向(y-)に漏斗作用を提供する。注意すべきことは、アクティブ・メサは5角形に形成され、これにより光学的屈折で有効に吸収の長さが増加される。漏斗313aの稜辺314aは光軸と適宜な角度θaをなしている。"適宜"とは誘電体/空気の界面に到達する入射光の大部分が内部で全反射することを意味するのである。漏斗313bのテーパー・稜辺314bは適宜な関数△y(z)で光軸に接近するのである。適宜な接近する関数は抛物線テーパー、S−ベンドcosineテーパー、またはこれらに類似するものでもよい。漏斗313c末端面314cは光軸と適宜な角度θcをなしそして、漏斗の末端面に到達する光の大部分は内部の全反射により、アクティブ・メサに向って屈射するのである。参考として、SiOx／空気とBCB／空気間の界面のクリティカル角度は各々Sin^-1(1/1.46)=43.2゜とSin^-1(1/1.54)=40.5゜である。

図4に本実施例による、光漏斗で集積するエージ・カップル式フォトデテクタの立体概略図を示す。漏斗のトップ414を313aと定義する。カップリング面411から漏斗に入射した光波は、誘電体トンネル412aに沿って傳播し、遂にデテクタの孔413に到達する。2つの高度な反射性の鏡面414と415はX方向の鏡面の反射により、光を拘束し、2つの誘電体/空気の界面416は内部全反射によりY方向に光を拘束するのである。

望ましくは、デバイスがTi/Auのようなインターコネクト用の導線に使用できるメタル・ボンデイング・パッド(metal bonding pad)418があった方がいい。なんとなれば、金属延長部417は、数μm厚さの誘電定数Σrが4以下の誘電体膜412bの上に位置し、メタル・パッドに不顕著なパラシティク・キャパシタンス(parasitic capacitance)が発生するからである(例えばBCBのΣrは2．6)。故にフォトデテクタが伝導性の基板上に製作されているといえどもフォトデテクタはその本性たる高速動作能力を保有しているのである。同様に望ましくはウェハーのバックサイドも厚さが200μm以下までにすり減らされ、n-コンタクトの金属化プロセスのため研磨された方がよい。然るにn-コンタクトの金属化419はウェハーのバックサイドだけに限らない。高周波の探索(probing)の便宜上か、反絶縁性基板をベースにしたデバイスのために、n-コンタクトとの金属化は正面に沈積させてもよい。

第2の実施例では、X方向における光漏斗の形成はレジスト・プロファイル・デファインド(resist-profile-defined)、InPスロープの乾式蝕刻形成で、始め高反射性の金属膜でカバーした後、平坦化した誘電体膜でカバーする。InPスロープをレジスト・リフロー(resist reflow)と、乾式蝕刻で形成するため、漏斗の形状は高度のフレキシビリティを有する。

この実施例におけるフォトデテクタの開始層の構造を図５(a)に示す。この図の中には、濃厚にドープされたn型InP基板511と、エピタキシャル成長の InP層512と、エピタキシャル成長の低度にドープ、または未ドープのInGaAsP吸収層513と、エピタキシャル成長のInGaAsP蔽覆層514と、エピタキシャル成長のInGaAsP接触層515とを含んでいる。特に、InGaAsP吸収層513の吸収カットオフ波長(λg)は1.3μmまたは、それより長く、InGaAsP蔽覆層514のλgは層513のそれよりも短く、そしてInGaAsP接触層515のλgは層514のそれと同様、または長い。このような層の配置の目的は、厚いInGaAsP蔽覆層514での吸収の発生を防ぎ、接触用金属と接触層515との間の接触抵抗を低くするためである。

この実施例でのプロセスは、図５(d)の断面図に示されるようにアクテイブ・メサ518の形成から始まる。フォトデテクタのアクティブ・メサ518はジャンクション・メサか、またはSAD−メサでもよい。ジャンクション・メサの場合、蔽覆層514と接触層515は共に、エピタキシャル・プロセスの際、P型にドープされる。SAD−メサの場合、蔽覆層514と接触層515は共に、エピタキシャル・プロセスの際、ドープされないで、拡散プロセス中に選択的にP型にドープされるのである。アクテイブ・メサの形成は望ましくは、例えば、CH₄/H₂ 基、またはBCL₃基の混合ガスを使用した乾式蝕刻で垂直な側壁519をつくり、光波の伝送を最大にする。乾式蝕刻以前に準備するウェハーを図５(b)と５(c)に示す。アクティブ・メサの区域は蝕刻用マスク516に規定され、このマスクはSiNxのような誘電体、または、硬いCr膜でオーバレイド(overlaid)されたAuZn/Auのような接触用金属である。この実施例では前者を使用した。従来のフォトリソグラフィク・プロセスにより、誘電体マスクは抵抗片(resist strip)をY方向にかぶされる。抵抗片の幅W₁とその厚さt₁ は共に少なくとも、誘電体マスクのW₀とt₀の10倍が必要で、それで、サーマル・リフロー・プロセス(thermal reflow process)の後、スムースなレジスト・フロファイルを作出するのである。サーマル・リフロー・プロセスに使用されるフォトレジストは例えば、マイクロ・レジスト技術社出品のma-p1240、或いは、clariant社出品のAZ-P4620がある。パターンを露出し、現像した後のこれらのティピカルな厚みは5から10μmである。図５(c)に示すように、適当な熱処理は、レジスト・パターンのリフローを起こし、表面張力により決定される曲率を有する円滑な表面が形成される。

この実施例では、乾式蝕刻に使用するCH₄/H₂ 基、またはBCL₃基の混合ガスは調和されて、レジストと半導体の間の蝕刻選択度が3：1より小となる。即ち、１部の半導体の蝕刻に対して、同一の期間内に、３部以上のフォトレジストが除去されることはない。蝕刻により、抵抗層517、接触層515、蔽覆層514、吸収層513が除去されて、図５(d)に示すように、コーナー点Aに達するまでプロセスは進行するのである。A点に到達したということは、蝕刻マスク516下の部分513aを除いて、吸収層の全部が除去されたことを意味する。その外、フォトデテクタのカップリング孔はここで露出する。蝕刻はInP層512にもう少し侵入しても、顕著なカップリング・ロスを引起さない。蝕刻で円滑なレジスト・プロファイル517aは下方の半導体層に転移される。この転移された512aの曲率は、蝕刻の選択性と方向性に大いに左右されるものである。

第1の実施例でのInPの湿式蝕刻で漏斗の底部を形成することと、スロープの高度の正確なコントロールが困難だということと違って、この実施例での漏斗の底部は乾式蝕刻により形成される。故に漏斗の高度Dは再生的にコントロールでき、漏斗の底部も、円満に光を導入できる良質の表面が得られる。これは即ち、第1の実施例のように、InP層512とInP基板間に挿入される薄いInGaAsPのエッチ・ストップ層が不要になることである。この実施例での漏斗の高さDは、第1の実施例と同じように2h〜3hにコントロールされる。但し、適切な設計で、この実施例での漏斗の高さは10h、またはもっと高くできて、これによりカップリング孔も大いに拡大されるのである。

蝕刻に引続き、望ましくはPECVDでSiNx等の誘電膜520をメサの側壁上に沈積して抗反射用の塗膜となし、Ti/Auのような、高度の反射性を有する金属膜521を蒸発プロセスで漏斗の底面に沈積して、光波を拘束するための反射鏡とする。これを図5 (e)に示す。

これでウェハーの表面は最大の段階高(漏斗の高さ) 2h〜3hを持つことになる。引続いて、誘電体の平坦化プロセスで漏斗の本体を形成する。これは誘電層の沈積や、スピン・オン・プロセスに続く研磨と全面性のエッチ・バック・プロセスで完成できる。図5(f)に示すように、DOPが95%より大きい2つの実際上の例を以下に説明しよう。2つの例とも平坦化されたデバイスが得られ、図5(f)の222は平坦化された誘電体である。

第1の実施例において、ポリマーの誘電体、例えばDOWケミカル社出品のベンゾオサイクロブテン(BCB)をウェハー表面上にスピンした後、サーマル・キュア(thermal cure)で硬化させるのである（サーマル・キュアリング(thermal curing)）。ポリマーをスピン・オンして高いDOPを得る通常の法則は、Wをできるだけ小さくすることである。高速のエージ・カップル式フォトデテクタにおいては、通常アクティブ・メサ区域が小さいので、上述の条件は容易に達成できる。高いDOP値を得るには、スピン・オンとキュアリングでウエハーの表面上に最大の段階の2倍より大きい誘電層の厚さを作ることである。これは即ち、少なくとも4hより大きくなければならない。ポリマー誘電体の流動性は、スピン・オン後のメサ・トップ上のポリマーの輪郭をそれ以外のウェハー表面の輪郭よりも、かなり小さくなるようにする。例えば CF₄/O₂の混合ガスを利用したRIEの全面性エッチ・バック・プロセスでは、アクティブ・メサのトップはその他の半導体の表面を露出しないで、図5(f)のように均一に露呈できる。この例での522は蝕刻されたポリマーの誘電膜を指し、そのトップは実質上、アクティブ・メサのトップ上の接触用金属とレベルを共にしている。ここに特記したいことは、全面性のエッチ・バック・プロセス以前、図3で説明したように、もしポリマーの材料がDOWケミカル社のフォトBCBのようにフォトセンシティブであるなら、従来のフォトロリソグラフィク・プロセスで、ポリマーの膜を希望する313a、313b、または313cのような漏斗の形状に図形化できる。

第2の実施例において、PECVDで沈積するSiOxような誘電膜をウェハー表面全体に沈積する。高度に順応性のある沈積特性のため、ウェハー表面のトポグラフィは、沈積した誘電膜の表面に転後される。その最大段階の高さは沈積前のそれと同様か、またはやや低いのである。従来のウェハー研磨、またはより精密なケミカル・メカニカル研磨にて、誘電体表面は、フラットな平面になるまで研磨される。研磨の手法により、DOPは>99%までティピカルに達成できる。このようなかなりフラットな誘電体平面は、後続の全面性エッチ・バックで均一にアクティブ・メサのトップを露出することを可能にする。第1の例のように、SiOxにCF₄/O₂の混合ガスを使ったRIEで、好適に全面性のエッチ・バック・プロセスを実施でき、アクティブ・メサのトップを均一に露出、かつ、SiOxで共同レベルに取巻かれた、かなりフラットな平面が作成される。

表面が平坦化され、接触層515aが露出された後、P−コンタクトとその延長部523は従来のフォトリソグラフィ・プロセスで規定され、金属沈積とそれに続くリフト・オフ・プロセスで形成される(図5（g）参照)。漏斗の面積の規定(もし、全面的エッチ・バック以前に規定されなかった場合)では、漏斗のキャプ525は同じく、従来のフォトリソグラフィと金属の沈積／リフト・オフ・プロセスで形成される。望ましくは、SiOxのような誘電絶縁膜524をその間に挿入して、漏斗キャップ525をP−コンタクト金属体523から電気的に隔離した方がよい。なんとなれば引続いて、金属体523と525をエッチング・マスクとして数μmの SiOxで形成された漏斗面を底部の鏡面521まで蝕刻する。これらマスクの最頂部の膜はなるだけ硬い材料、例えばCrからなる方がよい。そして525の最低部の膜は高度な反射性の膜であり、高度な反射性の底部鏡面521と相まって、有効に光波を垂直(x-)方向に拘束できるようにしなければならない。漏斗を蝕刻した後のこれらの例でフォトデテクタのトップ・ヴューは図3の如くである。符号311は接触用延長部であり、312はアクティブ・メサ・エリアを規定し、そして313の全部は、側面方向(y-)に漏斗作用を提供する。漏斗313aの直線稜辺314aは光軸と適宜な角度θaをなし、誘電体／空気の界面に到達する入射光の大部分は、内部で全反射する。漏斗313bのテーパー稜辺314 bは適宜な関数△y(z)で光軸に接近するのである。適宜な接近する関数は抛物線テーパー、S−ベンドCosine テーパー、またはこれらに類似するものでもよい。漏斗313cの末端面314cは光軸と適宜な角度θcをなし、そして、漏斗の末端面に到達する光の大部分は内部の全反射により、アクティブ・メサに向って屈射するのである。

図6に本実施例による光漏斗で集積するエージ・カップル式フォトデテクタの立体概略図を示す。漏斗のトップ614を313aと定義する。カップリング面611から漏斗に入射した光波は、テーパーした誘電体ウェーブ・ガイド612aに沿って伝播し、遂にデテクタの孔613に到達する。2つの高度な反射性の鏡面614と615は、鏡面の反射により、誘電体ウェーブガイドの中でX方向に光を拘束し、2つの誘電体／空気の界面616は、内部の全反射により、誘電体ウェーブガイドの中で、Y方向に光を拘束するのである。望ましくは、デバイスがTi/Auのような、インターユネット用の導線に使用できる、メタル・ボンディング・パッド619があった方がよい。なんとなれば、P−コンタクトとその延長部617は数μm厚さの誘電定数εrが４以下の誘電膜612bの上に位置し、メタル・パッドに不顕著なパラシティク・キャパシタンスが発生するからである。 (例えば、BCBのεrは2.6)。故にフォトデテクタが伝導性の基板上に製作されているといえども、フォトデテクタはその本性たる高速動作能力を保有しているのである。同様に望ましくは、ウェハーのバックサイドも厚さが200μm以下までにすり減らされ、n−コンタクトの金属化プロセスのため研磨された方がよい。然るにnコンタクトの金属化619はウェハーのバックサイドだけに限らない。高周波の探索の便宜上か、半絶縁性基板をベースにしたデバイスのために、nコンタクトの金属化は正面に沈積させてもよい。

以上2つの実施例で本発明を説明したが、これら実施例だけにより本発明を狭義に解釈すべきではない。この方面の技術に普通の知識を有する者なら、本発明の内容に若干の変更や修飾を加えることも可能である。然るに若しその構想が、本発明の特許請求項の精神範囲外に逸脱できるものでなければ、みな本発明に包含されるものとすべきである。

ジャンクション・メサ型のエージ・カップル式フォトデテクタの概略図である。ウェーブガイド・フォトデテクタの概略図である。選択性区域拡散メサ型(selective area-diffused-mesa type)のエージ・カップル式フォトデテクタの概略図である。本発明による光漏斗で集積するエージ・カップル式フォトデテクタの第１実施例におけるプロセスを示す断面図である。本発明による光漏斗で集積するエージ・カップル式フォトデテクタの第１実施例におけるプロセスを示す断面図である。本発明による光漏斗で集積するエージ・カップル式フォトデテクタの第１実施例におけるプロセスを示す断面図である。本発明による光漏斗で集積するエージ・カップル式フォトデテクタの第１実施例におけるプロセスを示す断面図である。本発明による光漏斗で集積するエージ・カップル式フォトデテクタの第１実施例におけるプロセスを示す断面図である。各々形の違う漏斗を載せたデバイスのトップ・ヴューの例図である。各々形の違う漏斗を載せたデバイスのトップ・ヴューの例図である。各々形の違う漏斗を載せたデバイスのトップ・ヴューの例図である。本発明による、第1実施例の光漏斗で集積するエージ・カップル式フォトデテクタの概略図である。本発明による光漏斗で集積するエージ・カップル式フォトデテクタの第２実施例におけるプロセスを示す断面図である。本発明による光漏斗で集積するエージ・カップル式フォトデテクタの第２実施例におけるプロセスを示す断面図である。本発明による光漏斗で集積するエージ・カップル式フォトデテクタの第２実施例におけるプロセスを示す断面図である。本発明による光漏斗で集積するエージ・カップル式フォトデテクタの第２実施例におけるプロセスを示す断面図である。本発明による光漏斗で集積するエージ・カップル式フォトデテクタの第２実施例におけるプロセスを示す断面図である。本発明による光漏斗で集積するエージ・カップル式フォトデテクタの第２実施例におけるプロセスを示す断面図である。本発明による光漏斗で集積するエージ・カップル式フォトデテクタの第２実施例におけるプロセスを示す断面図である。本発明による、第2実施例の光漏斗で集積するエージ・カップル式フォトデテクタの概略図である。

符号の説明

従来の技術：
111、113：P⁺とn⁺型半導体層 112：未ドープの光吸収層
114：入射光 115：直接カップリングされた光
112：薄い吸収層 114、115：厚い蔽覆層
111a：P型ドープの広いバンドギャップの半導体区域
111b：低い、または未ドープの広いバンドギャップの半導体区域
111c：低い、または未ドープ区域
第1実施例：
211：n型InP基板 212：InP層
213：InGaAsP吸収層 214：InGaAsP蔽覆層
215：InGaAsP接触層 217：アクティブ・メサ
218：垂直な側壁 112A：結晶面
212a：傾斜層 216：蝕刻マスク
220：底面 219：誘電膜
221：高度な反射性金属膜 222：平坦化した誘電体
313a、313b、313c：漏斗の形 216：接触用金属体
223：接触延長部 224：漏斗キャップ
225：誘電絶縁膜 311：接触用金属体
312：アクティブ・メサ区域 314a：漏斗313aの直線稜辺
314b：漏斗313bのテーパー稜辺 314c：漏斗313cの末端面
414：漏斗の頂部 411：カップリング面
414、415：高度な反射鏡 416：誘電体／空気界面
418：メタル・ボンディング・パッド 417：金属延長部
412b：誘電膜 419：n−コンタクト金属体
第２実施例：
511：n型InP基板 512：InP層
513：InGaAsP吸収層 514：InGaAsP蔽覆層
515：InGaAsP接触層 518：アクティブ・メサ
519：垂直な側壁 516：蝕刻マスク
517a：レジスト層 513a：蝕刻マスク516下の部分
521：反射金属膜 523：P−コンタクトの延長部
525：漏斗キャップ 524：誘電絶縁膜
614：漏斗の頂部 611：カップリング面
612a：誘電体ウェーブガイド 613：デテクタ孔
614、615：高度な反射面 616：誘電体/空気界面
619：メタル・ボディナグ・パッド 617：P−コンタクトの延長部
612b：誘電膜

Claims

化合物半導体基板を台座とする、高速のエージ・カップル式フォトデテクタの性能を改善する方法であって、
a)蝕刻により、前記フォトデテクタにカップリング面を形成するプロセスと、
b)前記カップリング面に1つの吸収層と、その上の複数層の稜辺を設けるプロセスと、
c)前記カップリング面の真正面と下方に、化学蝕刻により結晶学的に規定された半導体傾斜面を形成するプロセスと、
d)前記カップリング面を抗反射性の誘電膜で塗布するプロセスと、
e)前記半導体傾斜面を高度な反射性のある金属膜と、厚い誘電層で被覆し、引続き、前記傾斜面を平坦化するプロセスと、
f)前記厚い誘電層と、その傾斜した底面と、その平坦化した頂面とで、垂直方向に光学的漏斗効能を付与するプロセスと、
g)前記平坦化された誘電層のトップ・ヴューを適当な漏斗状に形成し、側面方向に光学的漏斗効能を発揮せしめるプロセスとを含むことを特徴とする、高速のエージ・カップル式フォトデテクタの改善方法。
前記カップリング面は、更に前記吸収層の下部に諸層の稜辺を含み、光学上のガイドとなることを特徴とする、請求項1記載の高速のエージ・カップル式フォトデテクタの改善方法。
前記半導体の傾斜面の上升角度は45゜以下であることを特徴とする、請求項1記載の高速のエージ・カップル式フォトデテクタの改善方法。
前記厚い誘電層の平坦化プロセスは、ポリマー・スピン・オンプロセスに引続き、サーマル・キュアリングと全面性のエッチング・バックで均一に前記フォトデテクタの頂部を露出することを特徴とする、請求項1記載の高速のエージ・カップル式フォトデテクタの改善方法。
前記厚い誘電層の平坦化プロセスは一致した沈積プロセスに引続き、誘電体の研磨と全面性のエッチング・バックで均一に前記フォトデテクタの頂部を露出することを特徴とする、請求項1記載の高速のエージ・カップル式フォトデテクタの改善方法。
前記平坦化した誘電層の頂部は、高度な反射性のある金属膜で蔽われているか、または蔽われていないことを特徴とする、請求項1記載の高速のエージ・カップル式フォトデテクタの改善方法。
化合物半導体基板を台座とする、高速のエージ・カップル式フォトデテクタの性能を改善する方法であって、
a)蝕刻により、前記フォトデテクタにカップリング面を形成するプロセスと、
b)前記カップリング面に1つの吸収層と、その上の複数層の稜辺を設けるプロセスと、
c)前記カップリング面の真正面と下方に、乾式蝕刻による、規定された抵抗輪郭を持った、半導体の傾斜面を形成するプロセスと、
d)前記半導体の傾斜面に、十分な屈曲作用のあるテーパーリング輪郭を持たせるように形成するプロセスと、
e)前記カップリング面を抗反射性の誘電膜で塗布するプロセスと、
f)前記半導体傾斜面を高度な反射性のある金属膜と、厚い誘電層で被覆し、引続き、前記傾斜面を平坦化するプロセスと、
g)前記厚い誘電層と、そのテーパーした底部と、その平坦化した頂面とで、垂直方向に光学的漏斗効能を付与するプロセスと、
h)前記平坦化された誘電層のトップ・ヴューを適当な漏斗状に形成し、側面方向に光学的漏斗効能を発揮せしめるプロセスとを含むことを特徴とする、高速のエージ・カップル式フォトデテクタの改善方法。
前記カップリング面は、更に前記吸収層の下部に諸層の稜辺を含み、光学上のガイドとなることを特徴とする、請求項７記載の高速のエージ・カップル式フォトデテクタの改善方法。
前記厚い誘電層の平坦化プロセスは、ポリマー・スピン・オンプロセスに引続き、サーマル・キュアリングと全面性のエッチング・バックで均一に前記フォトデテクタの頂部を露出することを特徴とする、請求項７記載の高速のエージ・カップル式フォトデテクタの改善方法。
前記厚い誘電層の平坦化プロセスは一致した沈積プロセスに引続き、誘電体の研磨と全面性のエッチング・バックで均一に前記フォトデテクタの頂部を露出することを特徴とする、請求項７記載の高速のエージ・カップル式フォトデテクタの改善方法。
前記平坦化した誘電層の頂部は、高度な反射性のある金属膜で蔽われているか、または蔽われていないことを特徴とする、請求項７記載の高速のエージ・カップル式フォトデテクタの改善方法。