專利名稱：基于異質(zhì)集成和垂直光耦合的硅基InGaAs PIN光電探測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種PIN結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器，尤其涉及一種基于異質(zhì)集成和垂直光耦合技術(shù)的采用硅基InGaAs材料的PIN結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器，屬于半導(dǎo)體器件領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
硅光子學(xué)在上世紀(jì)80年代末由Soref提出，近年來進(jìn)入了快速發(fā)展期。硅作為光集成的平臺(tái)，具有良好的透光性，并且由于硅和二氧化硅之間的折射率差比較高，可以實(shí)現(xiàn)具有亞微米尺寸截面和微米級(jí)彎曲半徑的波導(dǎo)，有利于實(shí)現(xiàn)光學(xué)器件的大規(guī)模集成。而且硅基光集成技術(shù)還與CMOS工藝兼容，通過應(yīng)用高品質(zhì)和大批量的CMOS技術(shù)將集成電路和光器件集成在同一個(gè)芯片上，大大降低了成本，同時(shí)擴(kuò)大了硅光子芯片的應(yīng)用領(lǐng)域。此外， 絕緣體上硅(SOI)也為硅基光集成技術(shù)提供了一個(gè)優(yōu)秀的平臺(tái)。然而，硅本身的材料性質(zhì)并不適合產(chǎn)生和探測(cè)近紅外波段的光。而鍺在外延生長過程中形成的缺陷數(shù)量大，導(dǎo)致鍺探測(cè)器暗電流比較高；在光波長大于1550nm時(shí)，鍺的吸收系數(shù)迅速降低，也限制了其在L-波段的使用。在產(chǎn)生和檢測(cè)近紅外波段的光方面，III-V族材料具有比硅、鍺材料更好的性能。有研究提出，可通過粘合性鍵合工藝將高品質(zhì)的III-V族光電探測(cè)器異質(zhì)集成在娃上,其中鍵合層使用一種divinyldisiloxanebenzocyclobutene (稱為DVS-BCB或BCB)材料。在這個(gè)工藝中，首先將未加工的III-V族裸片(外延層朝下)鍵合在加工過的SOI襯底上，接著通過機(jī)械研磨和化學(xué)腐蝕的方法把III-V族芯片的襯底去除，然后使用晶圓尺度的工藝技術(shù)制造III-V族器件，如光刻等，從而實(shí)現(xiàn)與III-V族器件下面的SOI波導(dǎo)高精度的對(duì)準(zhǔn)。將光從硅光波導(dǎo)耦合進(jìn)入探測(cè)器中可以采用兩種方法，即光柵耦合器輔助的垂直耦合方式或倏逝波耦合方式。本發(fā)明的發(fā)明人經(jīng)過深入研究分析發(fā)現(xiàn)，雖然后者將光的吸收路徑和電子空穴對(duì)的傳播路徑分開，從而避免了響應(yīng)率和受渡越時(shí)間限制的帶寬之間的相互制約，但通常需要非常薄的BCB鍵合層(通常< 200納米)以實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)和探測(cè)器之間的高效耦合，而在這樣薄的鍵合層厚度下，晶片表面圖形的平坦化程度，雜質(zhì)顆粒的數(shù)量都會(huì)對(duì)鍵合良率產(chǎn)生很大的影響；而在光柵耦合器輔助的垂直耦合方式中，BCB鍵合層厚度不要求達(dá)到那么薄，因此其鍵合工藝較為簡單，成功率較高，但是需要在高響應(yīng)率和高頻率響應(yīng)之間做平衡。鑒于此，本發(fā)明提出了一種基于異質(zhì)集成和垂直光耦合技術(shù)的硅基InGaAs光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)，為硅基InGaAs光電探測(cè)器的具體應(yīng)用提供合適的設(shè)計(jì)及優(yōu)化方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種基于異質(zhì)集成和垂直光耦合的硅基InGaAs PIN光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案—種基于異質(zhì)集成和垂直光稱合的娃基InGaAs PIN光電探測(cè)器,包括
SOI襯底，所述SOI襯底包括底層襯底、位于底層襯底之上的埋氧層以及位于埋氧層之上的頂層硅；制作于所述SOI襯底頂層硅中的垂直耦合光柵；覆蓋于所述垂直耦合光柵上的BCB鍵合層；位于所述BCB鍵合層之上的抗反射層；位于所述抗反射層之上的第一導(dǎo)電型磷化銦層；位于所述第一導(dǎo)電型磷化銦層之上的本征銦鎵砷層；以及位于所述本征銦鎵砷層之上的第二導(dǎo)電型磷化銦層；
其中，所述垂直耦合光柵通過刻蝕所述SOI襯底的頂層硅制成，其刻蝕深度為70-1 IOnm ;光柵周期為600_680nm ;所述抗反射層的折射率介于BCB鍵合層與第一導(dǎo)電型磷化銦層的折射率之間。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述垂直耦合光柵的刻蝕深度為70nm;光柵周期為630nmo作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述垂直耦合光柵的刻蝕深度為90nm;光柵周期為650nmo作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述垂直耦合光柵的填充因子為O. 4-0. 7，其中，填充因子是指光柵齒寬與光柵周期的比值。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述抗反射層采用折射率介于BCB鍵合層與第一導(dǎo)電型磷化銦層之間的材料，如SiN、SiON ;其厚度優(yōu)選為O. 18-0. 22 μ m。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，當(dāng)所述SOI襯底的埋氧層厚度為2 μ m時(shí)，所述BCB鍵合層的厚度為 I. 5 μ m、2 μ m、2. 5 μ m 或 3 μ m。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述第一導(dǎo)電型磷化銦層為N型磷化銦層；所述第二導(dǎo)電型磷化銦層為P型磷化銦層。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明的硅基InGaAs PIN光電探測(cè)器采用粘合性鍵合工藝將PIN結(jié)構(gòu)的InP/InGaAs/InP疊堆材料層粘合于刻蝕在SOI襯底上的二階光柵上，使通過SOI波導(dǎo)的光與InP/InGaAs/InP材料層實(shí)現(xiàn)垂直耦合，為硅基InGaAs光電探測(cè)器的具體應(yīng)用提供合適的設(shè)計(jì)及優(yōu)化方案。發(fā)明人采用基于本征模擴(kuò)展方法的二維全矢量仿真工具對(duì)器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)地研究分析，基于各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和參數(shù)分析，對(duì)垂直耦合光柵的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了垂直耦合光柵的刻蝕深度、光柵周期、填充因子的優(yōu)選參數(shù)范圍，從而提高了器件中光柵的向上衍射效率；通過對(duì)粘合性鍵合技術(shù)與光向上衍射效率的研究，提出了在BCB鍵合層與其上的PIN結(jié)構(gòu)之間增加抗反射層的設(shè)計(jì)，并提供了 BCB鍵合層的優(yōu)選厚度和抗反射層的選材要求，優(yōu)化了器件結(jié)構(gòu)，從而減小BCB鍵合層厚度對(duì)光向上衍射效率的影響，提高了工藝容差。


圖I為本發(fā)明的基于異質(zhì)集成和垂直光稱合的娃基InGaAs PIN光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為實(shí)施例中在不同刻蝕深度下，光向上衍射的效率與光柵周期之間的關(guān)系圖。圖3為實(shí)施例中在不同的填充因子下，光向上衍射的效率與波長之間的關(guān)系圖。圖4為實(shí)施例中未引入SiN抗反射層和引入抗反射層后BCB鍵合層厚度與光向上衍射效率的關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)，為了示出的方便附圖并未按照比例繪制。本實(shí)施例提供一種基于異質(zhì)集成和垂直光稱合的娃基InGaAs PIN光電探測(cè)器,如圖I所示，包括
SOI襯底，所述SOI襯底包括底層襯底10、位于底層襯底10之上的埋氧層(Β0Χ，buriedoxide) 11以及位于埋氧層11之上的頂層娃12 ；制作于所述SOI襯底頂層硅12中的垂直耦合光柵，所述垂直耦合光柵通過刻蝕所述SOI襯底的頂層硅12制成，圖I中h為刻蝕深度，T為光柵周期，d為光柵齒寬；覆蓋于所述垂直稱合光柵上的BCB鍵合層20 ；位于所述BCB鍵合層20之上的抗反射層30 ；位于所述抗反射層30之上的第一導(dǎo)電型磷化銦層(N-InP) 41 ；位于所述第一導(dǎo)電型磷化銦層(N-InP)41之上的本征銦鎵砷層(I-InGaAs)42 ；以及位于所述本征銦鎵砷層(I_InGaAs)42之上的第二導(dǎo)電型磷化銦層(P-InP)43。發(fā)明人設(shè)計(jì)該器件結(jié)構(gòu)時(shí)，采用基于本征模擴(kuò)展方法的二維全矢量仿真工具，通過以下研究及分析，提出了器件中關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)選范圍首先計(jì)算了在不同光柵周期T下垂直耦合光柵向上衍射光的效率與光柵刻蝕深度h之間的關(guān)系，如圖2所示。向上衍射光的效率是指在n-InP層收集到的功率除以輸入的總功率。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看到對(duì)I. 55 μ m波長的光，向上衍射光的最大效率隨著蝕刻深度從30增加至70納米而增加。這是因?yàn)槲g刻深度的增加，光柵強(qiáng)度得到加強(qiáng)，在一個(gè)給定長度的垂直耦合光柵中，光更多的從光柵中衍射出來，而不是穿過它。但是，隨著蝕刻深度進(jìn)一步提高，由于刻蝕深度增加導(dǎo)致折射率變化增大，最終導(dǎo)致光反射增強(qiáng)，而降低了向上衍射光的效率。正是由于光反射造成圖2中向上衍射光的效率的巨大下滑。從圖中可以看到光柵刻蝕深度在70-1 IOnm范圍內(nèi)，光柵周期在600_680nm范圍內(nèi)光向上衍射的效率都在70%以上。其中，向上衍射光的效率在蝕刻深度分別為70nm和90nm，周期分別為630nm和650nm時(shí)最大?？紤]到刻蝕深度為70納米的光柵常用于光纖-波導(dǎo)稱合器，可將刻蝕深度優(yōu)選為70nm，使光纖-波導(dǎo)耦合器和光纖-探測(cè)器耦合器可以同時(shí)采用一步刻蝕工藝制作，而不需要多步刻蝕。除了對(duì)光柵耦合器的刻蝕深度和周期進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)在不同的填充因子下，向上衍射光的效率和波長之間的關(guān)系也進(jìn)行了計(jì)算(如圖3所示)。其中，填充因子是指光柵齒寬與光柵周期的比值。由于光柵的刻蝕部分降低了平均折射率，更小的填充因子導(dǎo)致反射峰峰值變大，反射帶寬增寬。因此，光波長在1.55 μ m時(shí)向上衍射光的效率隨填充因子由O. 2增大至O. 6時(shí)而增大。然而，當(dāng)進(jìn)一步增大填充因子時(shí)，I. 55 μ m波長處的向上衍射光的效率開始降低。這是由于當(dāng)填充因子進(jìn)一步增加時(shí)光柵強(qiáng)度降低，從而導(dǎo)致更多的光穿過光柵而未被衍射。此外，雖然填充因子在O. 5和O. 6時(shí)的峰值衍射效率相差無幾，但在填充因子為O. 6時(shí)帶寬更寬，有利于實(shí)現(xiàn)寬帶光譜響應(yīng)。從圖中可以看到光柵填充因子在O. 4-0.7范圍內(nèi)光向上衍射的效率較高。發(fā)明人進(jìn)行研究還發(fā)現(xiàn)，除了光柵的上述參數(shù)，BCB鍵合層和埋氧層的厚度也會(huì)影響光的向上衍射效率。由于光在BCB鍵合層/磷化銦界面、Si02/Si襯底界面的反射，形成了一個(gè)諧振腔。光柵向上衍射的光與從Si02/Si襯底界面反射的光形成相長干涉，同時(shí)光柵向下衍射的光和從BCB鍵合層/磷化銦界面反射的光形成相消干涉，在同時(shí)滿足這兩種條件的情況下，光向上衍射的效率最大。由于通常使用埋氧層為2μπ ι的SOI晶片以避免光泄漏到硅襯底，因此計(jì)算了當(dāng)BOX層厚度固定為2 μ m時(shí)，I. 55 μ m波長的光向上衍射的效率與BCB鍵合層厚度之間的關(guān)系，如圖4所示。結(jié)果表明光向上衍射的效率隨BCB鍵合層厚度的變化從50 %變化至80 %。當(dāng)BCB鍵合的厚度為I. 5 μ m，2 μ m，2. 5 μ m，3 μ m等時(shí)，光向上衍射的效率最大。從這個(gè)圖中，也可以發(fā)現(xiàn)光向上衍射的效率對(duì)BCB鍵合層的厚度比較敏感，然而BCB鍵合層厚度的精確控制對(duì)一般的鍵合工藝來說比較復(fù)雜。出于這個(gè)原因，為了降低光向上衍射效率對(duì)BCB鍵合層的厚度的敏感度，在BCB鍵合層和磷化銦層之間增加了一層抗反射層?？狗瓷鋵拥倪x擇應(yīng)該使其折射率介于兩種材料(BCB和InP)的折射率之間，當(dāng)抗反射層的折射率等于BCB折射率和InP折射率乘積的平方根(n anti - reflection = λ/ η InP * BCB )，厚度等于1/4波長時(shí)，能夠完全消除對(duì)該波長光的反射。考慮到BCB鍵合層的折射率(η = I. 54)和InP的折射率(η = 3. 20)，可以優(yōu)選SiN (η=2. O)，一種在光電子工藝中經(jīng)常使用的材料，作為抗反射層。對(duì)氮化硅抗反射層的厚度進(jìn)行了優(yōu)化(氮化硅抗反射層厚度優(yōu)化范圍在O. 18-0. 22 μ m)，氮化硅抗反射層的厚度等于O. 2 μ m時(shí)，光向上衍射的效率的變化范圍減少到10%，如圖4所示，即光向上衍射的效率對(duì)BCB鍵合層厚度的敏感度明顯降低。從工藝角度來看，SiN可在鍵合前沉積在磷化銦材料的表面層上，且多余的氮化硅也可以很容易采用熱磷酸選擇性刻蝕掉。本發(fā)明中涉及的其他技術(shù)屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉的范疇，在此不再贅述。上述實(shí)施例僅用以說明而非限制本發(fā)明的技術(shù)方案。任何不脫離本發(fā)明精神和范圍的技術(shù)方案均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的專利申請(qǐng)范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.ー種基于異質(zhì)集成和垂直光稱合的娃基InGaAs PIN光電探測(cè)器,其特征在于,包括 SOI襯底，所述SOI襯底包括底層襯底、位于底層襯底之上的埋氧層以及位于埋氧層之上的頂層硅； 制作于所述SOI襯底頂層娃中的垂直稱合光柵； 覆蓋于所述垂直耦合光柵上的BCB鍵合層； 位于所述BCB鍵合層之上的抗反射層； 位于所述抗反射層之上的第一導(dǎo)電型磷化銦層； 位于所述第一導(dǎo)電型磷化銦層之上的本征銦鎵砷層； 以及位于所述本征銦鎵砷層之上的第二導(dǎo)電型磷化銦層； 其中，所述垂直耦合光柵通過刻蝕所述SOI襯底的頂層硅制成，其刻蝕深度為70-110nm ;光柵周期為600_680nm ;所述抗反射層的折射率介于BCB鍵合層與第一導(dǎo)電型磷化銦層的折射率之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述ー種基于異質(zhì)集成和垂直光稱合的娃基InGaAsPIN光電探測(cè)器，其特征在于所述垂直耦合光柵的刻蝕深度為70nm ;光柵周期為630nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述ー種基于異質(zhì)集成和垂直光稱合的娃基InGaAsPIN光電探測(cè)器，其特征在于所述垂直耦合光柵的刻蝕深度為90nm ;光柵周期為650nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述ー種基于異質(zhì)集成和垂直光稱合的娃基InGaAsPIN光電探測(cè)器，其特征在于所述垂直耦合光柵的填充因子為0. 4-0. 7，其中，填充因子是指光柵齒寬與光柵周期的比值。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述ー種基于異質(zhì)集成和垂直光稱合的娃基InGaAsPIN光電探測(cè)器，其特征在于所述抗反射層采用SiN或SiON材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述ー種基于異質(zhì)集成和垂直光稱合的娃基InGaAsPIN光電探測(cè)器，其特征在于所述抗反射層厚度為0. 18-0. 22 u m。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述ー種基于異質(zhì)集成和垂直光稱合的娃基InGaAsPIN光電探測(cè)器，其特征在于所述SOI襯底的埋氧層厚度為2 u m,所述BCB鍵合層的厚度為I. 5 y m、2 y m、2. 5 y m _ 3 y m。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述ー種基于異質(zhì)集成和垂直光稱合的娃基InGaAsPIN光電探測(cè)器，其特征在于所述第一導(dǎo)電型磷化銦層為N型磷化銦層；所述第二導(dǎo)電型磷化銦層為P型磷化銦層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于異質(zhì)集成和垂直光耦合的硅基InGaAsPIN光電探測(cè)器，包括SOI襯底；制作于SOI襯底頂層硅中的垂直耦合光柵；覆蓋于垂直耦合光柵上的BCB鍵合層；位于BCB鍵合層之上的抗反射層；位于抗反射層之上的第一導(dǎo)電型磷化銦層；位于第一導(dǎo)電型磷化銦層之上的本征銦鎵砷層；以及位于本征銦鎵砷層之上的第二導(dǎo)電型磷化銦層；其中，垂直耦合光柵通過刻蝕SOI襯底的頂層硅制成，刻蝕深度為70-110nm；光柵周期為600-680nm；抗反射層的折射率介于BCB鍵合層與第一導(dǎo)電型磷化銦層之間。本發(fā)明的硅基InGaAsPIN光電探測(cè)器采用粘合性鍵合工藝將InP/InGaAs/InP疊堆材料層粘合于刻蝕在SOI襯底上的光柵上，使光與InP/InGaAs/InP層實(shí)現(xiàn)垂直耦合，為硅基InGaAs光電探測(cè)器的具體應(yīng)用提供合適的設(shè)計(jì)及優(yōu)化方案。
文檔編號(hào)H01L31/0232GK102779892SQ20111012014
公開日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2011年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月10日
發(fā)明者仇超, 杜駿杰, 武愛民, 王曦, 甘甫烷, 盛振, 鄒世昌, 陳靜 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所