專利名稱：一種硅基光波導(dǎo)集成光電探測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光電探測(cè)器，尤其是涉及一種硅基光波導(dǎo)集成光電探測(cè)器。
背景技術(shù)：
在藥物開(kāi)發(fā)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品安全檢測(cè)等領(lǐng)域，可靠的測(cè)試手段不可缺少，而傳感技術(shù)正是其核心技術(shù)。利用先進(jìn)傳感技術(shù)，可以對(duì)物質(zhì)成分/濃度等進(jìn)行實(shí)行定性或定量分析。光學(xué)傳感是傳感技術(shù)的重要分支，其基本原理是:當(dāng)被測(cè)物質(zhì)與光場(chǎng)作用時(shí)，導(dǎo)致光信號(hào)某些參量(如強(qiáng)度、波長(zhǎng)、相位、偏振態(tài)、模式分布等)的變化。在眾多不同形式的光學(xué)傳感器中，集成光波導(dǎo)傳感器是目前最受關(guān)注的一種類型。對(duì)于一個(gè)集成光波導(dǎo)傳感系統(tǒng)，光波導(dǎo)傳感單元和光電探測(cè)器是必不可少的部件。光波導(dǎo)傳感單元的作用是將被測(cè)物理量(如液體或氣體濃度)的變化量轉(zhuǎn)化為光學(xué)參量(如諧振波長(zhǎng)、光強(qiáng)度)的變化，通常采用諧振或干涉原理，如各種微腔結(jié)構(gòu)、馬赫-澤德干涉儀(MZI)等。而光電探測(cè)器的作用是光波導(dǎo)傳感單元所產(chǎn)生的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，以便進(jìn)行后續(xù)的信號(hào)處理。對(duì)于可見(jiàn)光及近紅外波段，硅基光電探測(cè)器是一個(gè)很好的選擇，其結(jié)構(gòu)包含無(wú)源輸入光波導(dǎo)、光吸收區(qū)域兩部分。為了提高集成光波導(dǎo)傳感系統(tǒng)可靠性，可將光波導(dǎo)傳感單元和光電探測(cè)器的無(wú)源輸入光波導(dǎo)相連接，從而使光波導(dǎo)傳感單元和光電探測(cè)器兩者有機(jī)地單片集成于一體。然而，這種單片集成并非易事。其困難之處在于:對(duì)于傳感單元、及光電探測(cè)器的無(wú)源輸入光波導(dǎo)，其光波導(dǎo)緩沖層必須足夠厚以防止硅襯底泄漏損耗；而對(duì)于光電探測(cè)器的光吸收區(qū)域，其光波導(dǎo)緩沖層應(yīng)盡可能小，從而使得光場(chǎng)能迅速泄漏到襯底而被硅硅襯底吸收形成光電流。因此，若采用傳統(tǒng)光波導(dǎo)技術(shù)，緩沖層厚度的差異使得其工藝比較復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便性和低成本化。此外，對(duì)于光傳感系統(tǒng)，高靈敏度也是追求的重要核心指標(biāo)，而這就需要引入可增強(qiáng)光場(chǎng)與被測(cè)物質(zhì)間相互作用的新穎光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為此，要實(shí)現(xiàn)低成本、高靈敏度的集成光波導(dǎo)傳感系統(tǒng)，應(yīng)從光波導(dǎo)材料/結(jié)構(gòu)與集成方式出發(fā)。眾所周知，SiO2是地球上儲(chǔ)量最為豐富的材料，而SiO2在可見(jiàn)光及近紅外很大波長(zhǎng)范圍內(nèi)都具有很低的損耗，且其薄膜沉積以及刻蝕技術(shù)都很成熟。因此，選用SiO2作為光波導(dǎo)材料使得光波導(dǎo)傳感器低成本化成為可能。注意到，過(guò)去的SiO2光波導(dǎo)往往采用掩埋型結(jié)構(gòu)，其制作工藝過(guò)程為:在娃襯底上生長(zhǎng)約15 μ m厚的SiO2下包層,再形成6 μ mX6 μ m的SiO2芯層(鍺摻雜使其折射率略高于上、下包層)，然后沉積約15 μ m厚的上包層；而為了克服應(yīng)力等問(wèn)題，最后還要進(jìn)行高溫退火等工藝。這種SiO2光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)有利于獲得低損耗傳輸，然而對(duì)于光傳感器應(yīng)用卻極為不適。其原因是:(1)首先由于包層的阻隔，使得光場(chǎng)難以探及被測(cè)物質(zhì)，致使其傳感靈敏度非常低；(2)由于芯層-包層折射率差很小，使得SiO2掩埋型光波導(dǎo)的最小彎曲半徑在毫米量級(jí)，嚴(yán)重阻礙了提升光波導(dǎo)傳感芯片集成度；
(3)SiO2掩埋型光波導(dǎo)的制作工藝涉及到厚膜生長(zhǎng)、鍺摻雜、高溫退火的工藝，雖然這些工藝技術(shù)上成熟，但需采用增強(qiáng)等離子氣相沉積(PECVD)技術(shù)等，設(shè)備昂貴，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，使得其制作成本居高不下；(4)難以將光波導(dǎo)傳感單元和光電探測(cè)器構(gòu)成單片集成的光波導(dǎo)傳感系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種硅基光波導(dǎo)集成光電探測(cè)器。將基于懸掛式光波導(dǎo)的無(wú)源部分與硅光電探測(cè)器的有源光吸收部分完美地集成為一體，從而可以極大的降低成本，并提高其可靠性。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
本發(fā)明包括無(wú)源輸入光波導(dǎo)和有源光吸收區(qū)域；其中:
無(wú)源輸入光波導(dǎo):包括第一硅襯底，疊在第一硅襯底上的第一平板波導(dǎo)，疊在第一平板波導(dǎo)上的第一脊型波導(dǎo)，第一平板波導(dǎo)上的多排通孔分布在第一脊型波導(dǎo)兩側(cè)，多排通孔下方的第一娃襯底有空腔，在第一平板波導(dǎo)與第一娃襯底之間形成隔離襯底泄漏的空氣隔離區(qū)；
有源光吸收區(qū)域:包括第二硅襯底，疊在第二硅襯底上的第二平板波導(dǎo)，疊加于第二平板波導(dǎo)上的第二脊型波導(dǎo)，第二平板波導(dǎo)上的兩個(gè)開(kāi)孔分布在第二脊型波導(dǎo)兩側(cè)，以及位于開(kāi)孔內(nèi)且與第二硅襯底接觸的金屬電極；
無(wú)源輸入光波導(dǎo)和有源光吸收區(qū)域通過(guò)對(duì)準(zhǔn)的第一脊型波導(dǎo)、第二脊型波導(dǎo)相連接。所述的第一平板波導(dǎo)、第一脊型波導(dǎo)、第二平板波導(dǎo)、第二脊型波導(dǎo)為不同于第一娃襯底、第二娃襯底娃襯底且在娃材料吸收波段具有透明特性的光學(xué)材料。所述的第一脊型波導(dǎo)兩側(cè)的多排通孔位于不影響第一脊型波導(dǎo)中的光傳輸?shù)奈恢谩１景l(fā)明具有的有益效果是:
1.本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)方便、制作簡(jiǎn)便，不需要昂貴的氣相薄膜沉積設(shè)備，可顯著降低器件制作成本。2.將無(wú)源輸入光波導(dǎo)與光電探測(cè)器有源吸收區(qū)域進(jìn)行單片集成，無(wú)源輸入光波導(dǎo)可與其他無(wú)源光子器件連接而形成功能集成，可極大地提高器件的可靠性，并有利于降低器件封裝成本。3.無(wú)源部分的懸掛式光波導(dǎo)芯層與被測(cè)物質(zhì)直接接觸，具有很高的靈敏度，便于實(shí)現(xiàn)高靈敏度光波導(dǎo)傳感單元。


圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)俯視圖。圖2是圖1的A-A’剖視圖。圖3是圖1的B-B’剖視圖。圖4是圖1的C-C剖視圖。圖5是圖1的D-D’剖視圖。圖中:1、無(wú)源輸入光波導(dǎo)，11、第一硅襯底，12、第一平板波導(dǎo)，13、第一脊型波導(dǎo)，14、通孔，15、空氣隔離區(qū)，2、有源光吸收區(qū)域，21、第二硅襯底，22、第二平板波導(dǎo)，23、第二脊型波導(dǎo)，24、金屬電極,3、基模場(chǎng)分布,4、泄漏模場(chǎng)分布。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。如圖1所示，本發(fā)明包括無(wú)源輸入光波導(dǎo)I和有源光吸收區(qū)域2 ;其中:
如圖2、圖3所不,無(wú)源輸入光波導(dǎo)1:包括第一娃襯底11，疊在第一娃襯底上的第一平板波導(dǎo)12，疊在第一平板波導(dǎo)12上的第一脊型波導(dǎo)13，第一平板波導(dǎo)12上的多排通孔14分布在第一脊型波導(dǎo)13兩側(cè)，多排通孔14下方的第一硅襯底有空腔，在第一平板波導(dǎo)12與第一硅襯底11之間形成隔離襯底泄漏的空氣隔離區(qū)15 ；
如圖4所示，有源光吸收區(qū)域2:包括第二硅襯底21，疊在第二硅襯底上的第二平板波導(dǎo)22，疊加于第二平板波導(dǎo)上的第二脊型波導(dǎo)23，第二平板波導(dǎo)22上的兩個(gè)開(kāi)孔25分布在第二脊型波導(dǎo)23兩側(cè)，以及位于開(kāi)孔25內(nèi)且與第二硅襯底21接觸的金屬電極24 ；
如圖1所示，無(wú)源輸入光波導(dǎo)I和有源光吸收區(qū)域2通過(guò)對(duì)準(zhǔn)的第一脊型波導(dǎo)13、第二脊型波導(dǎo)23相連接。 所述的第一平板波導(dǎo)12、第一脊型波導(dǎo)13、第二平板波導(dǎo)22、第二脊型波導(dǎo)23為不同于第一娃襯底11、第二娃襯底21且在娃材料吸收波段具有透明特性的光學(xué)材料。所述的第一脊型波導(dǎo)13兩側(cè)的多排通孔14位于不影響第一脊型波導(dǎo)13中的光傳輸?shù)奈恢?。本發(fā)明的工作過(guò)程為:
光沿著無(wú)源輸入光波導(dǎo)I以基模場(chǎng)分布3的形式傳播。由于空氣隔離區(qū)15的隔離作用，光在無(wú)源輸入光波導(dǎo)中傳輸無(wú)泄漏損耗。光隨后進(jìn)入有源光吸收區(qū)域2的第二脊型波導(dǎo)23后，由于在此區(qū)域并無(wú)空氣隔離區(qū)15，因而發(fā)生襯底泄漏，光以泄漏模場(chǎng)分布4的形式傳播，如圖5所示。光泄漏到第二硅襯底后，并被硅吸收，形成光生載流子，并通過(guò)在電極上施加外加電場(chǎng)來(lái)收集所產(chǎn)生的光生載流子，從而形成光電流。下面給出一種硅基光波導(dǎo)集成光電探測(cè)器具體實(shí)施例。實(shí)施例1.在此實(shí)施例中，選用SiO2作為第一平板波導(dǎo)12、第一脊型波導(dǎo)13、第二平板波導(dǎo)22、第二脊型波導(dǎo)23材料。其制作工藝過(guò)程是:利用高溫氧化工藝在硅襯底上生長(zhǎng)一層約I μ m厚的SiO2薄膜，此芯層無(wú)需摻雜，因而可采用簡(jiǎn)單的熱氧化工藝，而該工藝適合于大批量生產(chǎn)，故成本很低。采用光刻、干法刻蝕的工藝，形成0.4μπι厚的第一平板波導(dǎo)12和第二平板波導(dǎo)22 (Aslab=0.4 μ m)、以及約0.6μηι高的第一脊型波導(dǎo)13 (Arib=0.6 μ m)0根據(jù)單模條件，第一脊型波導(dǎo)13脊寬選為Rib=I μ m。再次采用光刻、干法刻蝕的工藝，在第一脊型波導(dǎo)13的兩側(cè)形成通孔14。為了避免通孔14對(duì)第一脊型波導(dǎo)13中光場(chǎng)傳輸?shù)挠绊?，通?4到第一脊型波導(dǎo)13的距離設(shè)為^Α=6μπι。然后，利用干法或濕法腐蝕工藝將第一脊型波導(dǎo)13之下的第一硅襯底11部分腐蝕而形成空氣隔離層15，其厚度為ΙΟμπι，由此可避免光能量從硅襯底泄漏。這就形成了本發(fā)明光電探測(cè)器的無(wú)源輸入光波導(dǎo)I。而對(duì)于光電探測(cè)器的有源光吸收區(qū)域2，在有源光吸收區(qū)域2第二脊型波導(dǎo)23兩偵牝利用干法或濕法工藝去除SiO2薄膜，各形成一個(gè)開(kāi)孔25，進(jìn)而沉積金或鋁電極24，使之與第二硅襯底21形成肖特基接觸，獲得金屬-半導(dǎo)體-金屬結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)結(jié)構(gòu)。當(dāng)光經(jīng)過(guò)無(wú)源輸入光波導(dǎo)I進(jìn)入到有源光吸收區(qū)域2后，很容易被硅吸收，形成光生載流子，在外加偏壓的作用下，形成光電流。為了獲得高響應(yīng)度，有源光吸收區(qū)域的長(zhǎng)度需足夠長(zhǎng)，以完全吸收入射光。經(jīng)過(guò)計(jì)算，由于本發(fā)明結(jié)構(gòu)的有源光吸收區(qū)具有高效率的襯底泄漏，有源光吸收區(qū)域的長(zhǎng)度僅需幾十μ m，有利于實(shí)現(xiàn)芯片的小型化。而且，由于第一平板波導(dǎo)12、第一脊型波導(dǎo)13可直接于被測(cè)物質(zhì)接觸，因而具有很高的靈敏度，因此本專利可實(shí)現(xiàn)單片集成的光傳感器系統(tǒng)。實(shí)施例2.在此實(shí)施例中，選用聚合物材料SU-8作為第一平板波導(dǎo)12、第一脊型波導(dǎo)13、第二平板波導(dǎo)22、第二脊型波導(dǎo)23材料。其制作工藝過(guò)程是:在硅襯底上通過(guò)旋涂工藝形成厚度約為0.4 μ m厚的平板(Aslab=0.4 μ m)，并利用光刻工藝，形成無(wú)源輸入光波導(dǎo)區(qū)域的通孔14以及有源吸收區(qū)域的開(kāi)孔25，并通過(guò)剝離工藝制作出金屬(金或鋁)電極，使之與第二硅襯底21形成肖特基接觸，獲得金屬-半導(dǎo)體-金屬結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)結(jié)構(gòu)。然后再次通過(guò)旋涂工藝形成厚度約為0.6 μ m厚的薄膜，并利用光刻工藝，形成第一脊型波導(dǎo)13和第二脊型波導(dǎo)23 (AHb=0.6 μ m)。根據(jù)單模條件，第一脊型波導(dǎo)13和第二脊型波導(dǎo)23的寬度選為^ib=I μ m。為了避免通孔14對(duì)第一脊型波導(dǎo)13中光場(chǎng)傳輸?shù)挠绊懀?4與第一脊型波導(dǎo)13之間的距離設(shè)為ΑΑ=6μπι。然后，利用干法或濕法腐蝕工藝將第一脊型波導(dǎo)13下方的硅襯底部分腐蝕而形成空氣隔離層15，其厚度為10 μ m，由此可避免光能量從硅襯底泄漏。這就形成了本發(fā)明光電探測(cè)器的無(wú)源輸入光波導(dǎo)I。當(dāng)光經(jīng)過(guò)無(wú)源輸入光波導(dǎo)I進(jìn)入到有源光吸收區(qū)域2后，很容易被硅吸收，形成光生載流子，在外加偏壓的作用下，形成光電流。為了獲得高響應(yīng)度，有源光吸收區(qū)域的長(zhǎng)度需足夠長(zhǎng)，以完全吸收入射光。經(jīng)過(guò)計(jì)算，由于本發(fā)明結(jié)構(gòu)的有源光吸收區(qū)具有高效率的襯底泄漏，有源光吸收區(qū)域的長(zhǎng)度僅需幾十μ m，為芯片的小型化提供了前期基礎(chǔ)。而且，由于第一平板波導(dǎo)12、第一脊型波導(dǎo)13可直接于被測(cè)物質(zhì)接觸，因而具有很高的靈敏度，因此本專利可實(shí)現(xiàn)單片集成的光傳感器系統(tǒng)。 上述實(shí)施例用來(lái)解釋說(shuō)明本發(fā)明，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種娃基光波導(dǎo)集成光電探測(cè)器，其特征在于:包括無(wú)源輸入光波導(dǎo)(I)和有源光吸收區(qū)域(2);其中: 無(wú)源輸入光波導(dǎo)(I):包括第一硅襯底(11 )，疊在第一硅襯底上的第一平板波導(dǎo)(12)，疊在第一平板波導(dǎo)上的第一脊型波導(dǎo)(13)，第一平板波導(dǎo)(12)上的多排通孔(14)分布在第一脊型波導(dǎo)(13)兩側(cè)，多排通孔(14)下方的第一硅襯底有空腔，在第一平板波導(dǎo)與第一硅襯底之間形成隔離襯底泄漏的空氣隔離區(qū)(15)； 有源光吸收區(qū)域(2):包括第二硅襯底(21)，疊在第二硅襯底上的第二平板波導(dǎo)(22)，疊加于第二平板波導(dǎo)上的第二脊型波導(dǎo)(23)，第二平板波導(dǎo)(22)上的兩個(gè)開(kāi)孔(25)分布在第二脊型波導(dǎo)(23)兩側(cè)，以及位于開(kāi)孔(25)內(nèi)且與第二硅襯底(21)接觸的金屬電極(24)； 無(wú)源輸入光波導(dǎo)(I)和有源光吸收區(qū)域(2)通過(guò)對(duì)準(zhǔn)的第一脊型波導(dǎo)(13)、第二脊型波導(dǎo)(23)相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硅基光波導(dǎo)集成光電探測(cè)器，其特征在于:所述的第一平板波導(dǎo)(12)、第一脊型波導(dǎo)(13)、第二平板波導(dǎo)(22)、第二脊型波導(dǎo)(23)為不同于第一硅襯底(11 )、第二硅襯底(21)硅襯底且在硅材料吸收波段具有透明特性的光學(xué)材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硅基光波導(dǎo)集成光電探測(cè)器，其特征在于:所述的第一脊型波導(dǎo)(13)兩側(cè)的多排通孔(14)位于不影響第一脊型波導(dǎo)(13)中的光傳輸?shù)奈恢谩?br> 全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)的一種硅基光波導(dǎo)集成光電探測(cè)器。疊在第一硅襯底上的第一平板波導(dǎo)和第一脊型波導(dǎo)，第一平板波導(dǎo)上的多排通孔分布在第一脊型波導(dǎo)兩側(cè)，多排通孔下方的第一硅襯底有空腔，形成隔離襯底泄漏的空氣隔離區(qū)，構(gòu)成無(wú)源輸入光波導(dǎo)；疊在第二硅襯底上的第二平板波導(dǎo)和第二脊型波導(dǎo)，第二平板波導(dǎo)上的兩個(gè)開(kāi)孔分布在第二脊型波導(dǎo)兩側(cè)，以及位于開(kāi)孔內(nèi)且與第二硅襯底接觸的金屬電極，構(gòu)成有源光吸收區(qū)域；無(wú)源輸入光波導(dǎo)和有源光吸收區(qū)域通過(guò)對(duì)準(zhǔn)的第一脊型波導(dǎo)、第二脊型波導(dǎo)相連接。本發(fā)明僅需要簡(jiǎn)單的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，便于與其他集成光波導(dǎo)器件集成、易于擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)陣列化，有利于實(shí)現(xiàn)集成化、小型化、便攜式、低成本的光電探測(cè)接收系統(tǒng)。
文檔編號(hào)H01L31/0232GK103137771SQ20131002464
公開(kāi)日2013年6月5日 申請(qǐng)日期2013年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月23日
發(fā)明者戴道鋅 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)