專利名稱：和共面波導(dǎo)集成的側(cè)面進(jìn)光的10Gb/sAPD管芯及其制作工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光通信用的和共面波導(dǎo)集成的側(cè)面進(jìn)光的10Gb/s APD，尤其涉及一種二臺階連體式管芯的結(jié)構(gòu)及其制作工藝。
背景技術(shù)：
隨著光通信技術(shù)的不斷發(fā)展，千兆以太網(wǎng)和高速(10Gb/s)光通信網(wǎng)得到了快速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。在傳輸速率達(dá)10Gb/s的光通信系統(tǒng)中，高靈敏度的光接收機(jī)是其關(guān)鍵的部件之一；一般要求光接收靈敏度優(yōu)于-28dBm，光響應(yīng)速率(或-3dB帶寬)大于8GHz。而在光接收機(jī)中，關(guān)鍵的光電子器件為光探測器和低噪聲放大器。
光探測器主要有兩種一種為PIN光電二極管，一種為雪崩光電二極管(Avalanche Photo-Detector，簡稱APD)；其主要指標(biāo)有光響應(yīng)度、暗電流、光響應(yīng)速率、光電倍增(或增益帶寬成積)和噪聲。
光通信用PIN光電二極管結(jié)構(gòu)簡單、制作容易、光響應(yīng)度高、暗電流小、光響應(yīng)速率高。目前實(shí)用化的PIN光電二極管，其響應(yīng)速率已高達(dá)40Gb/s，但器件內(nèi)部無光電倍增。
APD內(nèi)部除有光吸收層外，還有碰撞離化雪崩層。在長波長APD中，光吸收層由窄帶隙材料組成，如Ge(鍺)或InGaAs(銦鎵砷)；而碰撞離化雪崩層由寬帶隙材料組成，如InP(磷化銦)、InAlAs(銦鋁砷)、InGaAsP(銦鎵砷磷)等。在高電場下，InP、InAlAs產(chǎn)生電子/空穴碰撞離化；多次碰撞離化累積的結(jié)果使其發(fā)生雪崩效應(yīng)，導(dǎo)致光電倍增。平均光電倍增因子一般為8～20。為了改善其性能，APD除光吸收層和雪崩層之外，還有過渡層、電荷層等，因此APD結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。其主要光電技術(shù)指標(biāo)有擊穿電壓、平均光電倍增(因子)，增益-帶寬乘積和過剩聲指數(shù)。在622Mb/s～10Gb/s范圍，APD一般比采用PIN光電二極管作光探測的接收機(jī)靈敏度優(yōu)-(6～10)dBm。這對于高速光傳輸系統(tǒng)來說，是非常難得的。
APD的結(jié)構(gòu)有很多種，如傳統(tǒng)的正面進(jìn)光的SACM結(jié)構(gòu)(光吸收-過渡-倍增分開的結(jié)構(gòu))，微腔形的SACM結(jié)構(gòu)和側(cè)面進(jìn)光的SACM結(jié)構(gòu)。在正面進(jìn)光的APD中，光的入射方向和載流子運(yùn)動方向一致，這就導(dǎo)致光響應(yīng)度和光響應(yīng)速率之間的矛盾。從光響應(yīng)度來說，它與光敏面的大小和光吸收區(qū)的長度緊密相關(guān)。光敏面越大，光吸收區(qū)的長度越長，光響應(yīng)度越高；但由于RC(電阻電容)時(shí)間和載流子渡越時(shí)間加長，其結(jié)果卻導(dǎo)致光響應(yīng)速率降低。
為了解決RC時(shí)間和載流子渡越時(shí)間較長問題，人們發(fā)明了側(cè)面進(jìn)光結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，光的入射方向和載流子運(yùn)動方向是相互垂直的。它可以通過減少載流子渡越區(qū)長度和光敏面積來減少RC時(shí)間和載流子渡越時(shí)間，從而達(dá)到提高光響應(yīng)速率和增益光電倍增的目的。
側(cè)面進(jìn)光的APD一般為臺形結(jié)構(gòu)。臺形結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)、和外電路的連接、器件工藝制作等，尤其是平整性進(jìn)光面的制作，是成功制作APD的關(guān)鍵問題。
從已有資料來看，平整性進(jìn)光面制作以及管芯和共面波導(dǎo)一體化制作沒有文獻(xiàn)報(bào)道。雖然也有側(cè)面進(jìn)光的APD介紹，但進(jìn)光面如何制作沒有提及。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是要解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺點(diǎn)和不足，尤其是解決和共面波導(dǎo)集成的問題，提供一種和共面波導(dǎo)集成的側(cè)面進(jìn)光的10Gb/s APD管芯及其制作工藝，包括管芯整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、和共面波導(dǎo)集成、內(nèi)部層次材料設(shè)計(jì)、制作工藝流程設(shè)計(jì)和關(guān)鍵制作工藝等。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)為二臺階連體式管芯，其內(nèi)部采用了光接收層-過渡、電荷層-光電倍增層分開的層次，即所謂SACM結(jié)構(gòu)；光接收層材料為In0.53Ga0.47As；而光電倍增層既不是采用InP，也不是InGaAsP，而是In0.52Al0.48As過渡；電荷層則采用組分變化的InAlGaAs。本發(fā)明的工藝制作，采取了兩步走的方法，第一步是制作臺形連體管芯，第二步分離連體管芯成單個(gè)獨(dú)立的10Gb/s APD管芯，從而較好地解決了平整性進(jìn)光面以及共面波導(dǎo)一體化制作問題。
1、管芯整體結(jié)構(gòu)對光電子器件來說，重要的問題不僅是光電技術(shù)指標(biāo)，還有整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝制作等問題。一個(gè)良好的設(shè)計(jì)成功與否，往往取決于工藝，包括工藝制作方法、工藝設(shè)備和工藝水平。本發(fā)明重點(diǎn)考慮進(jìn)光面的形成以及管芯和微波電信號所用共面波導(dǎo)的一體化問題。
如圖1、圖2、圖3，本管芯整體結(jié)構(gòu)為一種和共面波導(dǎo)集成的、二臺階連體式管芯，從下到上，InP(磷化銦)摻鐵的半絕緣襯底10、下臺階和上臺階依次連接；所述上臺階的結(jié)構(gòu)是從下到上，由依次連接的InAlAs(銦鋁砷)下接觸層7、InAlAs電倍增層6、InAlAs過渡及電荷層5、InGaAs(銦鎵砷)光吸收層4、InAlAs上接觸層3、InGaAs頂層2構(gòu)成；上臺面為梯形13-方形14-梯形13組合形狀；所述下臺階的結(jié)構(gòu)是從上到下，由相互連接的SiO2(二氧化硅)+SiNx(氮化硅)復(fù)合介質(zhì)保護(hù)膜8、InP緩沖層9構(gòu)成；下臺面為長方形；在上臺面和下臺階上分別設(shè)置P型電極和N型電極，并和三線共面波導(dǎo)相連；即上臺面的P型電極和信號線1相連，下臺階的兩個(gè)N型電極分別和兩根地線11相連。
上臺階、下臺階均制作在InP摻鐵的半絕緣襯底10的同一側(cè)面上，這不僅便于和共面波導(dǎo)集成，也利于減少管芯串連電阻和的雜散電容，從而提高APD的光響應(yīng)速率。
2、管芯制作工藝本發(fā)明結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，制作工藝流程比較長，工藝種類比較多。其中所涉及的關(guān)鍵工藝有二臺階連體式管芯的化學(xué)腐蝕和管芯分離。
制作工藝流程包括首先進(jìn)行MOCVD(有機(jī)金屬的化學(xué)氣相淀積)外延，然后進(jìn)行或反復(fù)進(jìn)行PECVD(等離子加強(qiáng)的化學(xué)氣相淀積)，光刻與化學(xué)腐蝕，化學(xué)清洗，擴(kuò)散，反應(yīng)離子刻蝕，電子束蒸發(fā)，金屬剝離，鈍化處理，管芯分離。
上述的工藝流程除“化學(xué)腐蝕”和“管芯分離”外均為常用工藝。
1)化學(xué)腐蝕化學(xué)腐蝕采用一種混合腐蝕液，其組分及其化學(xué)配比為HBr∶K2Cr2O7∶CH3COOH＝(99～102)cc.∶(3.7～3.9)g∶(119～122)cc.。
管芯臺形高度應(yīng)精確控制，其最后實(shí)際腐蝕高度與設(shè)計(jì)要求高度相差不應(yīng)大于0.2微米。所以第一次化學(xué)腐蝕一般是作欠腐蝕；然后采用高精密度臺階儀測量其腐蝕深度，根據(jù)設(shè)計(jì)需要和第一次測試結(jié)果，再做第二次化學(xué)腐蝕。為減少多次化學(xué)污染，也可先采用反應(yīng)離子刻蝕，然后再進(jìn)行化學(xué)腐蝕。
本發(fā)明提供的混合腐蝕液，對InP、GaAs、InGaAs、InGaAsP、InAAs、InAlGaAs均有顯著的腐蝕作用，免除了采用多種不同腐蝕液所帶來的不便和誤差，簡化了工藝，節(jié)約了時(shí)間，提高了工藝成品率。
2)管芯分離當(dāng)管芯臺面和上下臺面電極、共面波導(dǎo)等工藝制作完成后，就要進(jìn)行連體式管芯的分離。先用金剛刀在劃片機(jī)上把制作好的大片連體式管芯劃成方形小片，邊長(1.0-1.2)cm，再利用薄晶體受應(yīng)力自然解理的特性，把調(diào)整好切向的金剛刀放置在連體式管芯圖1中的解理分裂線12小片邊緣，輕輕一劃，然后在背面輕輕平壓，薄晶片即可自行分裂。通過這種解理，連體式管芯將分離成兩個(gè)獨(dú)立的二臺階側(cè)面進(jìn)光的10Gb/s APD管芯。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效果1、本管芯是高速率、長距離光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵光電子器件，有非常好的經(jīng)濟(jì)效益。
2、管芯和共面波導(dǎo)一體化設(shè)計(jì)與制作，減少了管芯電極和微波傳輸線之間的過渡連線，使上下電極和共面波導(dǎo)直接連在一起，不僅簡化了工藝，降低了成本，而且減少了傳輸損耗，比較容易阻抗匹配。
3、本制作工藝提供的混合腐蝕液對InP、GaAs、InGaAs、InGaAsP、InAAs、InAlGaAs均有顯著的化學(xué)腐蝕作用，尤其適用于上述材料構(gòu)成的臺面型光電子器件的制作；免除了采用多種不同腐蝕液所帶來的麻煩，簡化了工藝，節(jié)約了時(shí)間，提高了工藝成品率。
4、本發(fā)明解決了側(cè)面進(jìn)光面的平整性問題。利用晶體受應(yīng)力自然解理的特性，通過本制作工藝，可以比較容易地獲得平整如鏡的進(jìn)光面，且便于側(cè)面蒸鍍介質(zhì)增透膜。
5、改變解理位置，芯區(qū)面積可進(jìn)行微量調(diào)整，從而可適當(dāng)改變探測器響應(yīng)帶寬。


圖1-本發(fā)明的二臺階連體式管芯整體結(jié)構(gòu)立體示意圖；圖2-上臺面梯形-方形-梯形組合形狀平面圖圖2-三線式共面波導(dǎo)的電極俯視圖。
其中1-信號線，即金屬上電極；2-InGaAs頂層；3-InAlAs上接觸層；4-InGaAs光吸收層；5-InAlAs過渡及電荷層；6-InAlAs電倍增層；7-nAlAs下接觸層；8-SiO2+SiNx復(fù)合介質(zhì)保護(hù)膜層；9-InP緩沖層；10-InP摻鐵的半絕緣襯底；11-金屬下電極(地線)；12-解理分裂線；13-梯形；14-方形。
英文縮略語及化學(xué)分子式翻譯APD-雪崩光電探測器；SiO2-二氧化硅；SiNx-氮化硅；InP-磷化銦；InAlAs-銦鋁砷；
InGaAs-銦鎵砷；InGaAsP-銦鎵砷磷；SACM-光吸收-過渡-倍增分開的；RC-電阻電容；MOCVD-機(jī)金屬化學(xué)氣相淀積PECVD-等離子加強(qiáng)的化學(xué)氣相淀積。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說明1、管芯整體結(jié)構(gòu)如圖2，1)前述上臺面為梯形13-方形14-梯形13組合形狀；現(xiàn)有兩邊的梯形13的短邊長為(8.0～8.5)μm，長邊長為(10.0～10.5)μm，高為(8.0～8.5)μm；中間的方形14的邊長為(10.0～10.5)μm。
2)前述下臺面為長方形；現(xiàn)有長×寬為(240～250)μm×(30～32)μm。
前述下臺階的結(jié)構(gòu)是從上到下，由相互連接的SiO2+SiNx復(fù)合介質(zhì)保護(hù)膜8、InP緩沖層9構(gòu)成；現(xiàn)有SiO2厚度為(300～350)nm，SiNx厚度為(100～150)nm，InP緩沖層9厚度為(200～250)nm。
3)如圖3，前述在上臺面和下臺階上分別設(shè)置P型電極和N型電極，并和三線共面波導(dǎo)相連；現(xiàn)有共面波導(dǎo)的中心電極條寬為(6.0～50.0)μm，長為(200～250)μm，特性阻抗為(47～52)Ω；共面波導(dǎo)的兩邊地電極寬為(50.0～70.0)μm，長(200～250)μm。
2、內(nèi)部層次材料設(shè)計(jì)本發(fā)明所用的二臺階連體式管芯的內(nèi)部層次結(jié)構(gòu)采用了光接收層-過渡、電荷層-光電倍增層分開的SACM結(jié)構(gòu)；光接收層材料為In0.53Ga0.47As，而光電倍增層既不是采用InP，也不是InGaAsP，而是In0.52Al0.48As，過渡、電荷層則采用組分變化的InAlGaAs。具體層次材料如表1所示。
表1側(cè)面進(jìn)光的10Gb/s APD內(nèi)部層次材料

3、管芯制作工藝本發(fā)明管芯整體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，制作工藝流程比較長，工藝種類比較多。其中所涉及的關(guān)鍵工藝有二臺階連體式管芯的化學(xué)腐蝕和管芯分離。
1、襯底和外延材料考慮與設(shè)計(jì)從APD光電特性和技術(shù)指標(biāo)考慮，為減少襯底串連電阻和雜散電容，APD的襯底材料選擇摻Fe的半絕緣InP材料。
根據(jù)器件光電特性要求，設(shè)計(jì)APD所用的MOCVD外延材料，包括外延材料的層次順序、材料化學(xué)組成、摻雜濃度、厚度、異質(zhì)界面失配率等。其設(shè)計(jì)結(jié)果如表1所示。
2、APD連體式管芯和共面波導(dǎo)一體化設(shè)計(jì)本發(fā)明整體設(shè)計(jì)包括連體式管芯和共面波導(dǎo)一體化結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)結(jié)果如圖1、圖2、圖3。
3、光刻版圖及工藝流程設(shè)計(jì)APD整個(gè)制作需要6塊光刻版。
APD制作工藝流程較長，制作工藝主要有MOCVD外延、PECVD、光刻與化學(xué)腐蝕、化學(xué)清洗、擴(kuò)散、反應(yīng)離子刻蝕、電子束蒸發(fā)、金屬剝離、鈍化處理、解理等。
4、二臺階連體式管芯的化學(xué)腐蝕二臺階連體式管芯的臺階形成主要通過多次化學(xué)腐蝕或物理刻蝕方法。
所用化學(xué)腐蝕液配方為化學(xué)腐蝕液由HBr、K2Cr2O7、CH3COOH組成，其化學(xué)配比為HBr∶K2Cr2O7∶CH3COOH＝(99～102)cc.∶(3.7～3.9)g∶(119～122)cc.。
腐蝕液配置方法為:
a、準(zhǔn)備好容量為500cc.干凈的玻璃燒杯和500cc.深色玻璃磨口瓶。然后，在通風(fēng)櫥中進(jìn)行b、根據(jù)需要，按照上述規(guī)定的化學(xué)配比，用天平稱取適量的K2Cr2O7放入燒杯中；C、按照上述規(guī)定的化學(xué)配比，用量筒量取適量的CH3COOH放入裝有K2Cr2O7的燒杯中；并在(30～40)℃下微微加熱，使完全溶解(可根據(jù)杯底有無沉淀物作出判斷)。
D、按照上述規(guī)定的化學(xué)配比，用量筒量取適量的分析純HBr緩慢倒入有K2Cr2O7、CH3COOH的燒杯中。然后把配置好的混合腐蝕液，倒入干凈的深色玻璃磨口瓶中，密蓋保存待用。
需要指出的是，由于HBr有強(qiáng)烈的氣味和一定的腐蝕性，混合腐蝕液配置必須在通風(fēng)良好的化學(xué)腐蝕間進(jìn)行。
上述化學(xué)配比的混合腐蝕液對InP、GaAs、InGaAs、InGaAsP、InAAs、InAlGaAs均有顯著的化學(xué)腐蝕作用，但腐蝕速率稍有不同，在(22～0)℃下，一般化學(xué)腐蝕速率在腐蝕在(0.5～4.0)/分范圍。
定域化學(xué)腐蝕
準(zhǔn)備好容量為100cc.干凈的玻璃燒杯、去離子水、秒表、鑷子和定性濾紙；然后，在通風(fēng)櫥中，倒入適量的混合腐蝕液于燒杯中；用鑷子夾取已制備定域掩膜的芯片，放于濾紙上；再用鑷子夾好芯片放入混合腐蝕液中，并用秒表精確記錄腐蝕時(shí)間。根據(jù)腐蝕深度和腐蝕速率，嚴(yán)格控制腐蝕時(shí)間和溫度；腐蝕時(shí)間一到，即用鑷子把芯從腐蝕液中取出，迅速放入瓶裝去離子水中；注意環(huán)境溫度，一般應(yīng)為(22～30)℃；腐蝕后要進(jìn)行嚴(yán)格的清潔處理倒去已用過的瓶裝去離子水，再用涼的去離子水沖洗多遍(6遍以上)，最后用熱的去離子水進(jìn)行沖洗3～5遍。最后從去離子水取出腐蝕過的芯片，用干氮吹去水汽，并烘干待用。
5、二臺階連體式管芯的解理本發(fā)明利用了薄晶體受應(yīng)力時(shí)自然解理的特性，把調(diào)整好切向的金剛刀放置在連體式管芯圖1解理分裂線12，即可進(jìn)行解理。解理過程如本發(fā)明‘關(guān)鍵制作工藝’中所述。通過解理，連體式管芯分離成兩個(gè)獨(dú)立的二臺階側(cè)面進(jìn)光的10Gb/s APD管芯。
權(quán)利要求
1.一種和共面波導(dǎo)集成的側(cè)面進(jìn)光的10Gb/s APD管芯，其特征在于本管芯整體結(jié)構(gòu)為一種和共面波導(dǎo)集成的、二臺階連體式管芯，從下到上，InP摻鐵的半絕緣襯底(10)、下臺階和上臺階依次連接；所述上臺階的結(jié)構(gòu)是從下到上，由依次連接的InAlAs下接觸層(7)、InAlAs電倍增層(6)、InAlAs過渡及電荷層(5)、InGaAs光吸收層(4)、InAlAs上接觸層(3)、InGaAs頂層(2)構(gòu)成；上臺面為梯形(13)-方形(14)-梯形(13)組合形狀；所述下臺階的結(jié)構(gòu)是從上到下，由相互連接的SiO2+SiNx復(fù)合介質(zhì)保護(hù)膜(8)、InP緩沖層(9)構(gòu)成；下臺面為長方形；在上臺面和下臺階上分別設(shè)置P型電極和N型電極，上臺面的P型電極和信號線(1)相連，下臺階的兩個(gè)N型電極分別和兩根地線(11)相連；所述的APD即雪崩光電二極管。
2.按權(quán)利要求1所述的APD管芯，其特征在于梯形(13)的短邊長為(8.0～8.5)μm，長邊長為(10.0～10.5)μm，高為(8.0～8.5)μm；方形(14)的邊長為(10.0～10.5)μm。
3.按權(quán)利要求1所述的APD管芯，其特征在于下臺面長×寬為(240～250)μm×(30～32)μm。
4.按權(quán)利要求1所述的APD管芯，其特征在于SiO2厚度為(300～350)nm，SiNx厚度為(100～150)nm，InP緩沖層(9)厚度為(200～250)nm。
5.按權(quán)利要求1所述的APD管芯，其特征在于共面波導(dǎo)的中心電極條寬為(6.0～50.0)μm，長為(200～250)μm，特性阻抗為(47～52)Ω；共面波導(dǎo)的兩邊地電極寬為(50.0～70.0)μm，長(200～250)μm。
6.一種和共面波導(dǎo)集成的側(cè)面進(jìn)光的10Gb/s APD管芯的制作工藝，其特征在于制作工藝流程包括首先進(jìn)行有機(jī)金屬的化學(xué)氣相淀積外延，然后進(jìn)行或反復(fù)進(jìn)行等離子加強(qiáng)的化學(xué)氣相淀積，光刻與化學(xué)腐蝕，化學(xué)清洗，擴(kuò)散，反應(yīng)離子刻蝕，電子束蒸發(fā)，金屬剝離，鈍化處理，管芯分離。
7.按按權(quán)利要求6所述的制作工藝，其特征在于所述的化學(xué)腐蝕采用一種混合腐蝕液，其組分及其化學(xué)配比為HBr∶K2Cr2O7∶CH3COOH＝(99～102)cc.∶(3.7～3.9)g∶(119～122)cc.。
8.按按權(quán)利要求6所述的制作工藝，其特征在于所述的管芯分離是當(dāng)管芯臺面和上下臺面電極、共面波導(dǎo)等工藝制作完成后，就要進(jìn)行連體式管芯的分離；先用金剛刀在劃片機(jī)上把制作好的大片連體式管芯劃成正方形小片，邊長為1厘米，再利用薄晶體受應(yīng)力自然解理的特性，把調(diào)整好切向的金剛刀放置在連體式管芯的解理分裂線12小片邊緣，輕輕一劃，然后在背面輕輕平壓，薄晶片即可自行分裂，連體式管芯將分離成兩個(gè)獨(dú)立的二臺階側(cè)面進(jìn)光的10Gb/s APD管芯。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種和共面波導(dǎo)集成的側(cè)面進(jìn)光的10Gb/s APD管芯及其制作工藝，涉及一種和共面波導(dǎo)集成的側(cè)面進(jìn)光的10Gb/s APD，尤其涉及一種二臺階連體式管芯的結(jié)構(gòu)及其制作工藝。本管芯整體結(jié)構(gòu)為一種和共面波導(dǎo)集成的、二臺階連體式管芯，從下到上，InP摻鐵的半絕緣襯底、下臺階和上臺階依次連接；本管芯制作工藝包括MOCVD外延，PECVD，光刻與化學(xué)腐蝕，化學(xué)清洗，擴(kuò)散，反應(yīng)離子刻蝕，電子束蒸發(fā)，金屬剝離，鈍化處理，管芯分離；制作工藝最重要的是化學(xué)腐蝕和管芯分離。本管芯是高速率、長距離光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵光電子器件；管芯和共面波導(dǎo)一體化設(shè)計(jì)與制作，不僅簡化了工藝，降低了成本，而且減少了傳輸損耗，容易阻抗匹配；本發(fā)明解決了側(cè)面進(jìn)光面的平整性問題。
文檔編號H01L31/18GK1885567SQ20061001960
公開日2006年12月27日 申請日期2006年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月11日
發(fā)明者丁國慶 申請人:武漢電信器件有限公司