专利名称：硅基高量子效率共振腔增强型探测器及制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有波长选择性的硅基高量子效率探测器及制作方法。特别涉及用溶胶-凝胶法制备的硅乳胶作为粘合剂把上面长有布拉格反射镜的III-V族化合物外延层键合到硅基上，以此制作具有波长选择性的硅基高效高速探测器的方法。
背景技术：
随着信息时代的到来，全球通信业务量迅猛增长，通信网络的发展面临着前所未有的机遇和挑战。早在60年代光纤通讯就开始得到发展，单信道光纤通信已经不能满足通信量的日益增长的需求，人们开始要求在一根光纤中同时传输多个波长的光信号，这就是波分复用(WDM)技术，90年代中期掺铒光纤放大器的成熟更是促进了波分复用器件的商品化，发展到今天波分复用技术更是演化到密集波分技术。
作为波分复用系统的一个关键器件之一-下载话路用的解复用接收器件，商用上目前普遍采用解复用(滤波器)+光电探测器的分立组合方式。目前常用的解复用器主要包括薄膜干涉滤波器，反射型衍射光栅，阵列波导光栅，波导光栅型解复用器件，光纤耦合型解复用器件。这种分立组合方式的解复用接收器存在诸多缺点，比如插入损耗，体积大，稳定性差等。而解复用与探测器集成于一身的谐振腔增强型(ResonantCavity Enhanced，RCE)探测器是一种首选的方案。谐振腔增强型探测器不但具备了解复用器所具有的波长选择性，而且由于谐振腔的增强作用在一定程度上解决了在传统光电探测器中存在的量子效率和响应速度之间相互制约的矛盾。
共振腔增强型探测器的结构是将光吸收材料置于上下反射镜之间(Sandwich结构)，制作谐振腔增强型探测器的方法可归结为三大类第一类是一次性生长共振腔结构，第二类是在具有一定反射率的基片上外延探测器有源区，而后在外延层上生长另一反射镜，构成谐振腔结构，第三类是利用键合技术把探测器有源区和反射镜键合在一起。第一类的典型情况是在InP(磷化铟)基片上以InP/InGaAsP为反射镜一次性生长共振腔结构。它的缺点是InP/InGaAsP的折射率差别小，生长高反射率的反射镜需要30对以上，生长困难，成本昂贵。第二类的典型情况是在SOI(silicon on insulator)(包括SIMOX，Separation by Implantation ofOxygen，注入氧隔离)基片上生长有源区。它们的共同特点是下反射镜的反射率很受限制，最大也只能是60％左右。与此相相似的是SOR(siliconon reflector)技术(见中国专利99119469.1)，它解决了反射率低的问题，但是由于采用smart-cut(智能剥离)技术外加抛光工艺，还必须配合高温退火，因此工艺要求较高，难以降低成本。而第三类是利用键合技术把具有直接带隙结构的III-V族，II-VI族材料和其他具有高反射率的反射镜材料键合在一起，设计空间广，其中采用的键合技术可以是直接键合，也可以是介质键合。直接键合技术往往需要预先进行抛光，难以降低成本，产品的成品率也低。目前报道的介质键合基本上采用金属作为粘合剂，例子有A.Salvador etc.Appl.Phys.Lett.1994，65(15)1880，H.C.Lin etc.Electronicas Letters，2002，38(11)516。用金属介质作为键合粘合剂的共同缺点是金属对长波长(1.3μm～1.5μm)的光具有强烈的吸收作用，无法进行光垂直方向的集成，无法配合使用波导耦合等技术，极大局限了器件的设计空间。在本发明中提出使用溶胶-凝胶法制备的硅乳胶作为粘合剂把上面长有SiO2/Si(二氧化硅/硅)布拉格反射镜的InGaAs(铟镓砷)外延片和硅基片键合在一起，从而实现硅基共振腔增强型波长选择探测器。它工艺简单，无需使用抛光工艺，降低了产品的价格，而且因为硅乳胶退火生成物-SiO2光透过率好，容易配合光波导等技术实现器件垂直方向的集成，硅乳胶退火温度不超过400℃，不会导致InP系材料变性，不会明显引入缺陷。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种硅基高量子效率共振腔增强型探测器及制作方法，它的优点在于用简单的工艺实现了硅基高效波长选择探测器，可用于波分复用光通讯领域中，同时由于硅乳胶退火后的生成物(二氧化硅)不吸收近红外长波长的光，可以用于垂直方向的光集成。该技术也可以应用到硅基探测器，激光器的单片集成。
本发明一种硅基高量子效率共振腔增强型探测器，其特征在于，其结构包括
一个硅基片；一个探测器的有源区部分；一第一反射镜；一第二反射镜，该两个反射镜把探测器的有源区部分夹在中间，构成探测器的共振腔；一个键合界面层，该键合界面层的材料把带有两个反射镜的探测器有源区材料键合到硅基片上，该界面透光性好；一保护层，该保护层制作在有源区部分的表面和侧面；在保护层上刻蚀有电极孔，并生长有第一电极和第二电极。
其中有源区的材料是IV族材料，III-V族或II-VI族材料。
其中有源区是PIN，APD，HPT，HBT结构或者其他电极共面结构。
其中键合界面层是通过介质键合经过退火后形成，其所用的粘合剂是硅乳胶或光透过性好的其他粘合剂。
其中键合界面层材料对工作波段内的光不吸收，入光方式是正入射或者背入射。
本发明一种硅基高量子效率共振腔增强型探测器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤a)在一基片上外延光吸收材料；b)在外延层上生长布拉格反射镜；c)在硅基片和布拉格反射镜的外延片上旋涂上粘合剂，面对面贴合在一起；d)腐蚀掉上面的基片后，在硅基片上留下带有反射镜的探测器有源区外延层；e)然后在外延层上按照外延材料系对应的标准工艺制作探测器；以及f)在上面生长布拉格反射镜。
其中基片是IV族基片，III-V族，II-VI族基片或者蓝宝石基片，其光吸收材料替换成相应的外延材料。
其中布拉格反射镜材料是SiO2/Si，Al2O3/Si，SiNxOy/Si，GaAs/AlAs。
其中粘合剂是硅乳胶或者其他具有光透过性好，对0.8～1.7μm波段的光吸收性差，容易键合的键合介质。
其中旋涂上粘合剂后进行下一步工艺之前需要先经过50～80℃数小时低温烘烤，以提高键合强度，退火时需要在样品上施加适量的压力；为进一步提高键合强度，腐蚀掉基片后需要进行高温处理，保持在≤400℃的温度下数小时，然后以慢于1℃/分钟的速率降温。
其中探测器是台面结构或者平面结构。
其中探测器有源区是PIN，APD，HPT，HBT结构或者其他电极共面结构。
其工艺步骤可以应用于硅基探测器，激光器的单片集成。
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中图1A-图1F是利用本发明制作的硅基InGaAs共振腔增强型PIN探测器的制作方法示意图。
图2是利用本发明制作硅基InGaAs共振腔增强型MSM探测器的结构示意图。
具体实施例方式
请参阅图1F是本发明的一个结构示意图。本发明一种硅基高量子效率共振腔增强型探测器，其特征在于，其结构包括一个硅基片150；一个探测器的有源区部分101；一第一反射镜102；一第二反射镜108，该两个反射镜102、108把探测器的有源区部分101夹在中间，构成探测器的共振腔；其中有源区101的材料是IV族材料，III-V族或II-VI族材料；有源区101是PIN，APD，HPT，HBT结构或者其他电极共面结构；一个键合界面层104，该键合界面层104的材料把带有两个反射镜102、108的探测器有源区材料键合到硅基片150上，该界面透光性好；其中键合界面层104是通过介质键合经过退火后形成，其所用的粘合剂是硅乳胶或光透过性好的其他粘合剂；键合界面104层材料对工作波段内的光不吸收，入光方式是正入射或者背入射；一保护层105，该保护层105制作在有源区部分101的表面和侧面；在保护层105上刻蚀有电极孔，并生长有第一电极106和第二电极107。
请参阅图1A-图1F，图1A-图1F揭示了本发明制作硅基InGaAs共振腔增强探测器的制作方法。
本发明揭示的硅基波长选择共振腔探测器的制作方法是a)在InP基片100上外延InGaAsP外延层101(图1A)；b)在外延层101上生长布拉格第一反射镜102(图1B)；c)在硅基片150和上面长有布拉格第一反射镜102的外延片上旋涂上硅乳胶，面对面贴合在一起(图1C)；d)腐蚀掉上面的InP基片100，在硅基片上留下带有反射镜102的InP外延层101(图1D)；e)然后在外延层101上按照InP标准工艺刻蚀出台面，生长SiOxNy保护层105，光刻并刻蚀电极孔，光刻，带胶生长第一电极106和第二电极107(图1E)，剥除光刻胶；f)光刻，在上面带胶生长布拉格第二反射镜108(图1F)，剥除光刻胶。
InP外延片和硅基片旋涂上硅乳胶接着贴合好之后，在进行下一步腐蚀工艺之前先进行低温烘烤数小时，如50～80℃，然后慢速升温到400℃左右，保持数小时，升温速率不超过1℃/min，然后以及不高于1℃/min的速率降到室温，接着把InP基片腐蚀掉。Si和InP之间热膨胀吸收差别比较大，为了减小在高温退火过程中产生的缺陷，可以在腐蚀InP基片之前只进行低温退火，腐蚀完InP基片之后接着进行高温退火处理。其中退火过程和退火参数可以根据需要调整，最高退火温度不宜超过400℃。
其中布拉格反射镜的材料是SiO2/Si，Al2O3/Si或GaAs/AlAs。保护层105是SiOxNy、SiO2。
因为键合界面材料是二氧化硅，对工作波段内的光不吸收，因此其光入射方式是正入射式(Normal-Incident)，或背入射式(Back-Incident)。
两个基片之间的贴合介质除了使用硅乳胶外，可以换成其他类似介质，但是需要保证键合产物对长波长的光波是透明的，退火温度保持在400℃以下还能获得足够的键合强度。
在本具体实施例中，III-V族基片是InP材料，依据本发明的内涵，其III-V族基片是InP，GaAs，GaN，InN材料，或者替换成IV族II-VI族及蓝宝石基片，同时其外延层替换成对应的材料。为了获得高效率的光电转换，外延层的禁带宽度应小于工作波长对应的光子能量。
一个典型的InGaAs探测器(PIN结构)的外延层结构参数为
根据需要，探测器的有源区可以设计成APD，HPT等结构。
上述台面工艺一般包括清洗处理，光刻台面，刻蚀台面，清洗处理，生长二氧化硅绝缘层(或为氮氧化硅)，光刻并腐蚀电极孔，光刻并带胶生长电极层，剥除光刻胶，合金，光刻，带胶生长上反射镜，剥除光刻胶，基片减薄，压焊封装。
上述实施例的器件结构是共振腔PIN结构，图2揭示了另一个实施例，它是一个MSM结构的硅基共振腔探测器，其特征在于包括如下步骤步骤a)～d)同PIN结构的器件制作工艺；步骤e)在外延层101’上生长SiOxNy保护层，光刻并腐蚀电极孔，光刻并带胶生长电极107’，剥除光刻胶；步骤f)光刻，带胶生长布拉格反射镜108’，剥除光刻胶。
为了提高器件响应速度，MSM结构器件的电极是叉指状结构。
尽管本发明是通过各个实施例描述的，这不应该就认为它是本发明的所有内容或内涵。阅读完上面本发明的详细阐述后，毫无疑问，业内人士能够对本发明的那些技术进行各种各样的替换和修正。因此，可将本申请案底权利要求解释成涵盖在本发明原始精神与领域下的所有改变与修正。
权利要求
1.一种硅基高量子效率共振腔增强型探测器，其特征在于，其结构包括一个硅基片；一个探测器的有源区部分；一第一反射镜；一第二反射镜，该两个反射镜把探测器的有源区部分夹在中间，构成探测器的共振腔；一个键合界面层，该键合界面层的材料把带有两个反射镜的探测器有源区材料键合到硅基片上，该界面透光性好；一保护层，该保护层制作在有源区部分的表面和侧面；在保护层上刻蚀有电极孔，并生长有第一电极和第二电极。
2.根据权利要求1所述的硅基高量子效率共振腔增强型探测器，其特征在于，其中有源区的材料是IV族材料，III-V族或II-VI族材料。
3.根据权利要求1所述的硅基高量子效率共振腔增强型探测器，其特征在于，其中有源区是PIN，APD，HPT，HBT结构或者其他电极共面结构。
4.根据权利要求1所述的硅基高量子效率共振腔增强型探测器，其特征在于，其中键合界面层是通过介质键合经过退火后形成，其所用的粘合剂是二氧化硅乳胶或光透过性好的其他粘合剂。
5.根据权利要求1或4所述的硅基高量子效率共振腔增强型探测器，其特征在于，其中键合界面层材料对工作波段内的光不吸收，入光方式是正入射或者背入射。
6.一种硅基高量子效率共振腔增强型探测器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤a)在一基片上外延光吸收材料；b)在外延层上生长布拉格反射镜；c)在硅基片和布拉格反射镜的外延片上旋涂上粘合剂，面对面贴合在一起；d)腐蚀掉上面的基片后，在硅基片上留下带有反射镜的探测器有源区外延层；e)然后在外延层上按照外延材料系对应的标准工艺制作探测器；以及f)在上面生长布拉格反射镜。
7.根据权利要求6所述的硅基高量子效率共振腔增强型探测器的制作方法，其特征在于，其中基片是IV族基片，III-V族，II-VI族基片或者蓝宝石基片，其光吸收材料替换成相应的外延材料。
8.根据权利要求6所述的硅基高量子效率共振腔增强型探测器的制作方法，其特征在于，其中布拉格反射镜材料是SiO2/Si，Al2O3/Si，SiNxOy/Si，GaAs/AlAs。
9.根据权利要求6所述的硅基高量子效率共振腔增强型探测器的制作方法，其特征在于，其中粘合剂是二氧化硅乳胶或者其他具有光透过性好，对0.8～1.7μm波段的光吸收性差，容易键合的键合介质。
10.根据权利要求6所述的硅基高量子效率共振腔增强型探测器的制作方法，其特征在于，其中旋涂上粘合剂后进行下一步工艺之前需要先经过50～80℃数小时低温烘烤，以提高键合强度，退火时需要在样品上施加适量的压力；为进一步提高键合强度，腐蚀掉基片后需要进行高温处理，保持在≤400℃的温度下数小时，然后以慢于1℃/分钟的速率降温。
11.根据权利要求6所述的硅基高量子效率共振腔增强型探测器的制作方法，其特征在于，其中探测器是台面结构或者平面结构。
12.根据权利要求6所述的硅基高量子效率共振腔增强型探测器的制作方法，其特征在于，其中探测器有源区是PIN，APD，HPT，HBT结构或者其他电极共面结构。
13.根据权利要求6所述的硅基高量子效率共振腔增强型探测器的制作方法，其特征在于，其工艺步骤可以应用于硅基探测器，激光器的单片集成。
全文摘要
一种硅基高量子效率共振腔增强型探测器，其特征在于，其结构包括一个硅基片；一个探测器的有源区部分；一第一反射镜；一第二反射镜，该两个反射镜把探测器的有源区部分夹在中间，构成探测器的共振腔；一个键合界面层，该键合界面层的材料把带有两个反射镜的探测器有源区材料键合到硅基片上，该界面透光性好；一保护层，该保护层制作在有源区部分的表面和侧面；在保护层上刻蚀有电极孔，并生长有第一电极和第二电极。
文档编号G02B5/08GK1624502SQ20031011809
公开日2005年6月8日 申请日期2003年12月1日 优先权日2003年12月1日
发明者毛容伟, 滕学公, 李传波, 左玉华, 罗丽萍, 成步文, 于金中, 王启明 申请人:中国科学院半导体研究所