專(zhuān)利名稱(chēng)：納米波導(dǎo)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體光探測(cè)器制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用新型有限周期數(shù)目納米波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體光探測(cè)器。特別涉 及了光探測(cè)器中具有不同周期維度，不同幾何形狀的納米微結(jié)構(gòu)的制備方法。
背景技術(shù)：
隨著加工工藝(例如半導(dǎo)體外延生長(zhǎng)技術(shù)、光刻技術(shù)、納米壓印技術(shù)等)的不斷 發(fā)展，具備優(yōu)異的光電特性的有限周期數(shù)目納米結(jié)構(gòu)的制備瓶頸逐漸被攻克，這種新穎的 功能性材料在傳感、集成光學(xué)、全息處理等眾多領(lǐng)域中起著日益重要的作用，可以充當(dāng)高性 能的互聯(lián)波導(dǎo)、濾波器以及偏振分束器。目前光通信技術(shù)的發(fā)展中遇到一個(gè)嚴(yán)重阻礙是絕大多數(shù)能夠工作在通信用長(zhǎng)波 長(zhǎng)波段的半導(dǎo)體光探測(cè)器的研制受到材料固有性質(zhì)的制約，即由于磷化銦(InP)基襯底上 外延生長(zhǎng)的材料系的折射率差通常很小(約0. 15)，因此很難實(shí)現(xiàn)高反射率的分布布拉格 反射鏡(DBR)，也就難以實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)的光學(xué)諧振腔。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在半導(dǎo)體外延層上實(shí)現(xiàn)集成了有限周期數(shù)目納米波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光 探測(cè)器，這種納米波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的類(lèi)型包括矩形條狀有限周期數(shù)目納米波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、單層網(wǎng)格狀 有限周期數(shù)目納米波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、多層網(wǎng)格狀有限周期數(shù)目納米波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和有限周期數(shù)目納米 線(xiàn)陣列。它們可以作為光電探測(cè)器中諧振腔反射鏡。本發(fā)明提供一種具有納米微結(jié)構(gòu)波導(dǎo)的半導(dǎo)體光探測(cè)器的制備方法，包括以下步 驟1)在半絕緣襯底上生長(zhǎng)光探測(cè)器的外延材料，依次生長(zhǎng)緩沖層，底部諧振腔反射 鏡，下隔離層，探測(cè)器吸收層，上隔離層，頂部諧振腔反射鏡；2)通過(guò)步驟1)，在光探測(cè)器頂鏡外延層上加工具有特定幾何圖樣的有限周期數(shù) 目納米波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；3)刻蝕掉沒(méi)有保護(hù)的區(qū)域，直到露出歐姆接觸層表面；4)利用光刻工藝，金屬化工藝，剝離工藝，經(jīng)過(guò)步驟3)后，再歐姆接觸層表面蒸發(fā) 多層金屬合金，同步完成垂直腔型光探測(cè)器的歐姆接觸層；5)進(jìn)行光探測(cè)器的隔離和介質(zhì)鈍化以及開(kāi)孔互連，得到所需光探測(cè)器。所述步驟1)中在半絕緣襯底上用金屬有機(jī)物氣相沉積(MOCVD)系統(tǒng)或分子束外 延(MBE)系統(tǒng)生長(zhǎng)垂直腔型光探測(cè)器的外延材料，下隔離層為η型摻雜，上隔離層為ρ型摻
ο所述步驟2)中光探測(cè)器頂鏡所具有的特定幾何圖樣，即有限周期數(shù)目納米波導(dǎo) 結(jié)構(gòu)，是通過(guò)光刻、納米壓印技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。所述步驟3)采用光刻膠保護(hù)納米微結(jié)構(gòu)圖樣，沒(méi)有進(jìn)行保護(hù)的區(qū)域采用濕法腐 蝕技術(shù)除去指定區(qū)域的外延材料，直到露出歐姆接觸層表面。
所述納米波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為矩形條狀、單層網(wǎng)格狀或多層網(wǎng)格狀有限周期數(shù)目納米結(jié) 構(gòu)。步驟1所述半絕緣襯底為摻雜或不摻雜的InP或砷化鎵(GaAs)或硅(Si)材料， 緩沖層與襯底材料相同，用于緩解異質(zhì)外延之間的晶格失配，底部和頂部諧振腔反射鏡由 兩種折射率不同的半導(dǎo)材料體交替生長(zhǎng)構(gòu)成的DBR堆棧。步驟2所述納米微結(jié)構(gòu)圖形采用 以模板為基礎(chǔ)的納米壓印方式制造，以壓印機(jī)將具特定圖案的模子施加于渡有高分子光阻 層的基板上，待降溫后，移除模板，即可在光阻層形成所要圖案。納米微結(jié)構(gòu)波導(dǎo)外圍由低 折射材料包圍，波導(dǎo)周期長(zhǎng)度小于入射激光波長(zhǎng)。采用上述方法的效益在于利用納米微結(jié)構(gòu)波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)反射鏡可以使探測(cè)器的綜合 性能，比如量子效率，抗串?dāng)_衰減得到改進(jìn)，而且納米微結(jié)構(gòu)波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)反射鏡，需要的介質(zhì) 層數(shù)小于達(dá)到同樣反射性能的DBR的層數(shù)，有效地解決了銦鎵砷磷(InGaAsPVlnP系DBR 反射率低、反射帶寬窄以及制備困難的問(wèn)題。為實(shí)現(xiàn)高性能長(zhǎng)波長(zhǎng)光探測(cè)器提供了新途徑。實(shí)現(xiàn)具有指定占空比、周期長(zhǎng)度及厚度的矩形條狀有限周期數(shù)目納米結(jié)構(gòu)或單 層、多層網(wǎng)格狀有限周期數(shù)目納米波導(dǎo)結(jié)構(gòu)或有限周期數(shù)目納米線(xiàn)陣列結(jié)構(gòu)。利用目前成熟的半導(dǎo)體外延技術(shù)可以在納米量級(jí)精度加工指定厚度的由多種材 料構(gòu)成的薄膜，利用光刻技術(shù)、納米壓印技術(shù)等半導(dǎo)體器件后工藝手段，可以加工出具有上 述波導(dǎo)，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于相比多層(通常在20層左右)介質(zhì)堆棧膜系構(gòu)成的DBR，納米波 導(dǎo)所需外延生長(zhǎng)的材料層數(shù)目更少，簡(jiǎn)化了外延生長(zhǎng)工藝流程，且反射特性更加優(yōu)越，應(yīng)用 于光通信用垂直腔型探測(cè)器中可以獲得更高的量子效率。如選擇InP材料襯底，最外層為 真空，設(shè)橫電(TE)模電磁波從探測(cè)器頂部垂直入射，在InP襯底上外延生長(zhǎng)4對(duì)InGaAsP/ InP四分之一波長(zhǎng)DBR堆棧后，由InGaAsP材料構(gòu)成矩形條狀波導(dǎo)周期結(jié)構(gòu)，周期200nm，占 空比70%，其余部分填充空氣，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)厚度為0. Ιμπι，反射鏡在中心波長(zhǎng)處的反射率大 于99%時(shí)，在1.40至1.62 μ m范圍內(nèi)反射率高于99%，如將其作為垂直腔型光電探測(cè)器中 的頂鏡，可以使光電探測(cè)器的量子效率在1.55 μ m中心波長(zhǎng)處高于80%，如果將頂鏡替換 成傳統(tǒng)DBR結(jié)構(gòu)，所用材料、層數(shù)、厚度皆不變，量子效率則降低至40%以下，如果需要提高 量子效率至80 %，則同樣材料的DBR膜系層數(shù)需要超過(guò)60層。目前，部分研究者提出將光子晶體引入垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)中，作為 諧振腔的反射鏡，能夠使器件的結(jié)構(gòu)更加緊湊，并通過(guò)精確設(shè)計(jì)光子晶體的結(jié)構(gòu)，微腔模式 體積達(dá)到了光波波長(zhǎng)量級(jí)，極大地提高了自發(fā)發(fā)射因子。借鑒這種思想，本發(fā)明將光子晶體 替換為納米波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并將其應(yīng)用于具有垂直腔結(jié)構(gòu)的光探測(cè)器中的反射鏡中。由于波導(dǎo)的尺寸小于入射光波，并且具有特定的圖樣，根據(jù)半導(dǎo)體介質(zhì)表面等離 子體極化效應(yīng)，納米波導(dǎo)可充當(dāng)紅外反射鏡，它能夠在光通信波段1. 55 μ m附近，實(shí)現(xiàn)高反 射率(超過(guò)99% )，寬反射帶(超過(guò)200nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)反射率超過(guò)95% )，而且所需 要的波導(dǎo)材料層數(shù)小于實(shí)現(xiàn)同樣性能的由四分之一波長(zhǎng)薄膜堆棧疊加構(gòu)成DBR，而DBR反 射鏡則是垂直腔型光探測(cè)器的重要組成部分。目前光通信探測(cè)器中遇到的困難是大多數(shù)能夠工作在1.55μπι波段的半導(dǎo)體光 探測(cè)器的研制受到材料固有性質(zhì)的制約，例如InP基襯底上外延生長(zhǎng)的材料系的折射率差 通常很小(約0. 15)，因此很難實(shí)現(xiàn)高反射率DBR。換言之，如果實(shí)現(xiàn)高反射率(R>99%)， 寬帶(在1.55μπι波長(zhǎng)附近，滿(mǎn)足高于R>95%的波長(zhǎng)范圍在幾十納米)需要構(gòu)成DBR的InP基薄膜層數(shù)超過(guò)數(shù)十層，而且對(duì)每一層薄膜的厚度都要進(jìn)行嚴(yán)格控制(精度達(dá)到Inm)， 這就對(duì)工藝提出了苛刻的要求，導(dǎo)致難以實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)的光學(xué)諧振腔。因此本發(fā)明提出的納 米波導(dǎo)結(jié)構(gòu)代替垂直腔光探測(cè)器中的DBR，可以提高諧振性能，由于反射鏡的反射率提高， 根據(jù)垂直腔型光探測(cè)器量子效率計(jì)算公式發(fā)現(xiàn)，器件會(huì)具有更高的量子效率，同時(shí)得益于 納米波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在高反射率范圍內(nèi)存在平坦的反射譜，可使探測(cè)器的量子效率在預(yù)期波長(zhǎng)范 圍內(nèi)保持穩(wěn)定，從而使光探測(cè)器能夠容忍接收光信號(hào)的波長(zhǎng)漂移，提高了器件的接收穩(wěn)定 性，同時(shí)也降低了工藝復(fù)雜度，因?yàn)檫_(dá)到滿(mǎn)足探測(cè)器性能時(shí)所需的納米波導(dǎo)的材料層數(shù)一 般不超過(guò)10層。通過(guò)仔細(xì)調(diào)節(jié)波導(dǎo)的關(guān)鍵尺寸參數(shù)，如厚度，周期，占空比等，可以實(shí)現(xiàn)極 高反射率的寬帶反射性能，故本發(fā)明涉及的納米波導(dǎo)可以在提升光探測(cè)器靈敏度，響應(yīng)速 度和結(jié)構(gòu)緊湊化方面發(fā)揮重要應(yīng)用作用。最后，之所以沒(méi)有與本發(fā)明類(lèi)似方案，一方面是因?yàn)楣怆姸O管(PIN)已經(jīng)憑借 其低廉成本，滿(mǎn)足一般商用需要而取得廣泛應(yīng)用，并且不需要內(nèi)部集成諧振腔，因此人們對(duì) 光探測(cè)器的研究熱情不高，同時(shí)也限制了研究思路，認(rèn)為諧振結(jié)構(gòu)對(duì)于探測(cè)器不是必需的， 但本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)垂直腔型探測(cè)器得益于新穎的垂直結(jié)構(gòu)，特別是其中的諧振腔增強(qiáng)型探測(cè) 器，有望進(jìn)一步擴(kuò)展探測(cè)器的響應(yīng)度，集成度，從而在未來(lái)可能具有更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，所 以率先將納米波導(dǎo)應(yīng)用于此。另一方面，加工出具有特殊圖樣的納米波導(dǎo)所需的工藝手段 在目前還沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用，而我方有能力采用先進(jìn)的半導(dǎo)體外延和光刻等工藝手段進(jìn)行 器件試制。如MOCVD、MBE技術(shù)進(jìn)行半導(dǎo)體薄膜外延的加工精度可以控制在原子量級(jí)，采用 掩膜技術(shù)，電子束刻蝕以及等感應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)可以制備精度在IOnm量級(jí)的特 殊波導(dǎo)圖樣，如矩形條狀納米波導(dǎo)，網(wǎng)格狀納米波導(dǎo)等。


下面結(jié)合附圖進(jìn)一步闡明本發(fā)明實(shí)施例圖1是本發(fā)明采用矩形條狀有限周期數(shù)目納米波導(dǎo)結(jié)構(gòu)作為反射鏡或偏振控制 器或自聚焦透鏡的光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明采用單層網(wǎng)格狀有限周期數(shù)目納米波導(dǎo)結(jié)構(gòu)作為反射鏡或偏振控 制器或自聚焦透鏡的光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明采用多層網(wǎng)格狀有限周期數(shù)目納米波導(dǎo)結(jié)構(gòu)作為反射鏡或偏振控 制器或自聚焦透鏡的光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明采用有限周期數(shù)目納米線(xiàn)陣列作為反射鏡或偏振控制器或自聚焦 透鏡的光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本發(fā)明的光電探測(cè)器的再一實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。其中1、InGaAsP與空氣交替構(gòu)成的矩形條狀有限周期數(shù)目納米波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，2、 InP/InGaAsP DBR頂鏡，3、ρ型摻雜的InP上隔離層，4、InGaAs吸收層，5、η型摻雜的InP 下隔離層，6、InP/InGaAsP DBR底鏡，7、InGaAsP矩形條狀有限周期數(shù)目納米波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的俯 視圖，8、InGaAsP與空氣交替構(gòu)成的單層網(wǎng)格狀有限周期數(shù)目納米波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，9、InGaAsP與 空氣交替構(gòu)成的單層網(wǎng)格狀有限周期數(shù)目納米波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的俯視圖，lOInGaAsP與空氣交替 構(gòu)成的多層網(wǎng)格狀有限周期數(shù)目納米波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，11、InGaAsP與空氣交替構(gòu)成的多層網(wǎng)格 狀有限周期數(shù)目納米波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的某一層網(wǎng)格狀有限周期數(shù)目納米波導(dǎo)結(jié)構(gòu)俯視圖，12、InGaAsP與空氣交替構(gòu)成的多層網(wǎng)格狀有限周期數(shù)目納米波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的某一層網(wǎng)格狀有限 周期數(shù)目納米波導(dǎo)結(jié)構(gòu)俯視圖，13、被空氣包圍的InGaAsP有限周期數(shù)目納米線(xiàn)陣列，14、 被空氣包圍的InGaAsP有限周期數(shù)目納米線(xiàn)陣列俯視圖，15、具體實(shí)施例中的InP基光探測(cè) 器中的2對(duì)DBR底鏡，16、17、19、20、具體實(shí)施例InP基光探測(cè)器中具有不同摻雜濃度的下 隔離層，18具體實(shí)施例中InP基光探測(cè)器的吸收層
具體實(shí)施例方式一種采用有限周期數(shù)目納米波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體光探測(cè)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，在垂 直腔型光探測(cè)器外延材料上利用半導(dǎo)體外延生長(zhǎng)技術(shù)、刻蝕技術(shù)和納米壓印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)具 有所需占空比、周期長(zhǎng)度和厚度的矩形條狀有限周期數(shù)目納米波導(dǎo)結(jié)構(gòu)或單層、多層網(wǎng)格 狀有限周期數(shù)目納米波導(dǎo)結(jié)構(gòu)或有限周期數(shù)目納米線(xiàn)陣列結(jié)構(gòu)。依據(jù)上述方法，生產(chǎn)材料和制作器件過(guò)程如下，以InP基光探測(cè)器為例，本發(fā)明實(shí) 施流程如下，首先進(jìn)行器件外延生長(zhǎng)，即在InP襯底上依次外延生長(zhǎng)InP緩沖層；構(gòu)成探測(cè) 器DBR底鏡的四分之一波長(zhǎng)薄膜堆棧；ρ型摻雜InP底電極接觸層；本征InP隔離層；本征 InGaAs吸收層，本征型InP隔離層；η型摻雜的InP頂電極接觸層；構(gòu)成探測(cè)器DBR頂鏡的 四分之一波長(zhǎng)薄膜堆棧；用于形成具有特殊圖案的有限周期數(shù)目納米結(jié)構(gòu)的InP半導(dǎo)體材 料層。具體地說(shuō)，首先是在InP襯底上生長(zhǎng)0. 5 μ m厚的η摻雜的InP緩沖層，然后是由 2對(duì)InGaAsP/InP四分之一波長(zhǎng)薄膜堆棧構(gòu)成的器件底鏡(圖5中用15標(biāo)示)。在底鏡上 外延光探測(cè)器的下隔離層，它由300nm和IOOOnm厚的具有不同摻雜濃度的η摻雜InP層構(gòu) 成(圖5中分別用16和17標(biāo)示)，器件的吸收層由168nm的InGaAs材料構(gòu)成(圖5中用 18標(biāo)示)。吸收區(qū)上的上隔離層由1000特意摻雜的ρ型InP層構(gòu)成(圖5中分別用19和 20標(biāo)示)。然后是400nm的高ρ摻雜的InP接觸層。其上外延出2對(duì)InGaAsP/InP四分之 一波長(zhǎng)堆棧(圖5中用21標(biāo)示)，最后對(duì)外延出的器件頂層反射鏡薄膜采用刻蝕或納米壓 印技術(shù)進(jìn)行后工藝處理，加工出具有特殊圖案的有限周期數(shù)目納米波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，對(duì)于納米線(xiàn) 陣列還可以采用外延自組織技術(shù)生長(zhǎng)(圖5中用22標(biāo)示)；采用磁控濺射系統(tǒng)在外延出的 P型、η型摻雜的InP材料電極接觸層上鍍探測(cè)器電極。入射光由器件頂部正入射。其中襯底還可以采用GaAs，Si等材料的襯底，根據(jù)不同參數(shù)要求，具有有限周期 數(shù)目納米微結(jié)構(gòu)的光探測(cè)器外延材料的各層材料可以選用與上述實(shí)施例不同的材料，但基 本結(jié)構(gòu)不變。
權(quán)利要求
一種納米波導(dǎo)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體光探測(cè)器的制備方法，其特征在于包括以下步驟1)在半絕緣襯底上生長(zhǎng)光探測(cè)器的外延材料，依次生長(zhǎng)緩沖層，底部諧振腔反射鏡，下隔離層，探測(cè)器吸收層，上隔離層，頂部諧振腔反射鏡；2)在步驟1)中形成的外延材料結(jié)構(gòu)上，在光探測(cè)器頂鏡上實(shí)現(xiàn)具有特定幾何圖樣的有限周期數(shù)目納米結(jié)構(gòu)；3)去除非圖形區(qū)域，直到露出歐姆接觸層表面；4)利用光刻工藝，金屬化工藝，剝離工藝，在經(jīng)過(guò)步驟3)后的歐姆接觸層表面蒸發(fā)多層金屬合金，同步完成垂直腔型光探測(cè)器的歐姆接觸層；5)進(jìn)行光探測(cè)器的隔離和介質(zhì)鈍化以及開(kāi)孔互連，得到所需光探測(cè)器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟1)中在半絕緣襯底上用金 屬有機(jī)物氣相沉積系統(tǒng)或分子束外延系統(tǒng)生長(zhǎng)垂直腔型光探測(cè)器的外延材料，所述下隔離 層為η型摻雜，上隔離層為P型摻雜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟2)中光探測(cè)器頂鏡上特定 幾何圖樣的有限周期數(shù)目納米結(jié)構(gòu)通過(guò)光刻工藝，納米壓印技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟3)采用光刻膠保護(hù)納米波 導(dǎo)微結(jié)構(gòu)圖形區(qū)域，余下的區(qū)域采用濕法腐蝕技術(shù)腐蝕掉指定區(qū)域的外延材料，直到露出 歐姆接觸層表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述納米波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為矩形條狀有限 周期數(shù)目納米結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述納米波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為單層網(wǎng)格狀有 限周期數(shù)目納米結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述納米波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為多層網(wǎng)格狀有 限周期數(shù)目納米結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種納米波導(dǎo)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體光探測(cè)器的制備方法，包括以下步驟在半絕緣襯底上生長(zhǎng)光探測(cè)器的外延材料，依次生長(zhǎng)緩沖層，底部諧振腔反射鏡，下隔離層，探測(cè)器吸收層，上隔離層，頂部諧振腔反射鏡；在光探測(cè)器頂部欲作為反射鏡的薄膜上實(shí)現(xiàn)具有特定幾何圖樣的有限周期數(shù)目納米波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；去除沒(méi)有進(jìn)行保護(hù)的區(qū)域，直到露出歐姆接觸層表面；在歐姆接觸層表面蒸發(fā)多層金屬合金，同步完成垂直腔型光探測(cè)器的歐姆接觸層；進(jìn)行光探測(cè)器的隔離和介質(zhì)鈍化以及開(kāi)孔互連，得到所需光探測(cè)器。其可作為光探測(cè)器諧振腔的寬帶高反射率反射鏡、偏振控制器或自聚焦透鏡，解決工作在光通信用長(zhǎng)波長(zhǎng)波段的半導(dǎo)體光探測(cè)器中磷化銦基材料的制約。
文檔編號(hào)H01L31/0232GK101958362SQ20091016063
公開(kāi)日2011年1月26日 申請(qǐng)日期2009年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月17日
發(fā)明者任曉敏, 楊一粟, 段曉峰, 王 琦, 黃永清, 黃輝 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué)