专利名称：用于多波长处理的单片集成光探测器阵列的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种具有多波长处理功能的GaAs基长波长单片集成光探测器阵列的 制备方法，以及基于该阵列的外反射镜(膜)式ROADM和底面键合双阵列ROADM的设计与 实现方法。特别涉及了基于大失配异质外延生长的单片集成技术，半导体器件中多阶梯谐振 腔结构的实现方法，基于外反射镜(膜)导光系统的实现方法，以及基于底面键合双阵列导 光系统的实现方法。
背景技术：
随着WDM光纤通信系统与光网络的迅速发展，可重构光分插复用(ROADM)技术越 来越受到重视，必将成为下一代光网络中重要的光节点设备。但是目前ROADM仍是由分立 器件构成，高昂的成本限制了其广泛的应用，而集成化是降低成本的必由之路。目前已报道的集成化ROADM主要都是利用平面光波线路(PLC)技术，将解复用器、 光开关和复用器单片集成。但是利用PLC技术制备大规模集成ROADM取决于诸多关键工艺 的突破，难度很大，就目前国内设备及工艺水平而言，直接利用PLC技术尚无法实现大规模 集成ROADM器件。这样通过关键功能器件的集成首先实现各功能模块的局部集成化，最后 再实现整体设备的大规模集成化是目前研究平面集成可重构分插复用的一条现实之路。对于具有波长选择性的光探测器，需要有能够和衬底材料晶格匹配的，又具有很 大折射率差的两种材料来构成分布式布拉格反射镜(DBR)。而对于长波长InP基材料来说， 目前可提供的材料很难满足大折射率差这一要求。相对来说，GaAs/AWaAs材料的DBR却 因拥有大折射率差而得到广泛应用。同时，InP和GaAs是两种发展最成熟的III-V族化合 物半导体。人们很希望能够把InP的卓越高速性能和光学性能与GaAs的大尺寸、低价位的 优点结合起来。有鉴于此，探索新工艺和新方案，缓解和释放外延层的热应力，同时降低缺 陷密度、提高外延层的晶体质量，实现器件的单片集成是本发明的一个重要目标。
发明内容
本发明旨在解决上述技术问题，在GaAs基衬底上，实现具有多阶梯结构的GaAs/ AlGaAs谐振腔，通过谐振腔腔长对光波的选择性，实现对多个波长的处理功能，该方法具有 工艺简单，易于实现等优点。并基于该阵列实现新型集成化ROADM器件。本发明所提供的用于多波长处理的单片集成光探测器阵列的制备方法包括如下 工艺步骤1)经多次刻蚀工艺和二次外延生长工艺制备多台阶F-P谐振腔；2)通过GaAs/InP大失配异质外延生长工艺实现InP系有源器件与GaAs系无源滤 波器件的单片集成。所述多次刻蚀工艺和二次外延生长工艺制备多台阶F-P谐振腔中，光刻工艺使用 光刻胶作为掩膜材料；台阶制作采用湿法腐蚀工艺；去除掩膜后，再次经过重新在原来受保护的台阶处光刻掩膜，再在GaAs腔层表面刻蚀形成连续台阶，台阶周期排列。在所述GaAs/InP大失配异质外延生长工艺中刻蚀后的台阶外延片经过清洗后， 进行二次外延生长，依次为作为部分F-P腔的GaAs腔层；作为F-P腔顶镜的多对GaAs/ AlGaAs的DBR ；GaAs缓冲层；在350-550 °C (优选450 °C )的低温下生长低温非晶缓冲层； 在600-750°C (优选650°C)的生长温度下完成PIN光电探测器的生长，及InP盖帽层。所述阶梯型F-P滤波器的制备包括下工艺步骤在GaAs基衬底上生长GaAs/AWaAs的分布布拉格反射镜以及部分GaAs基谐振 腔，其中谐振腔的厚度为λ ^的整数倍；用二次外延生长工艺生长另外一部分GaAs基谐振腔，然后生长GaAs/AWaAs布拉 格反射镜，并采用异质外延工艺形成InP基光探测器结构。所述多次刻蚀工艺中所用腐蚀液选自以体积比计1 1 10 50 WH2SO4M2O2/ H2O 或 1 1 10 50 的 ΝΗ40Η/Η202/Η20 或 1 10 1 的 H3P04/HC1 或 1 3 10 50 的 HF/HN03/H20。本发明所提供的用于多波长处理的单片集成光探测器阵列的制备方法，优选采用 如下工艺步骤在GaAs衬底上依次生长GaAs缓冲层，F-P谐振腔的底镜和GaAs腔层；由光刻技术在第一、三台阶处覆盖上一层掩膜，用腐蚀液在GaAs腔层表面腐蚀第 二、四两个台阶；经清洗去除掩膜后，重新在第一、二台阶处光刻掩膜；再用腐蚀液在GaAs腔层表面腐蚀连续四个台阶，周期排列；外延片经过清洗后，进行二次外延生长，形成GaAs腔层；形成完整F-P腔；缓冲 层；生长低温非晶缓冲层；生长光电探测器；及盖帽层；用腐蚀液去掉盖帽层；形成ρ电极、η电极；钝化、开孔形成引出电极；经过抛光减薄得到用于多波长处理的单片集成光探测器阵列。所述F-P谐振腔的底镜，由20对GaAs/AWaAs四分之一波长堆栈构成的分布布拉 格反射镜(DBI )组成。所述光电探测器为InP-Ina 53G￡ia47AS-hP材料的PIN光电探测器。所述ρ电极为磁控溅射系统制作出的Pt-Ti-Pt-Au环形ρ电极。所述引出电极为开孔后镀Ti-Au所形成。所述低温非晶缓冲层是在在350_550°C (优选450°C )下生长，失配度4%。通过异质外延实验，摸索出低温缓冲层的最佳生长条件，成功地在GaAs衬底上生 长出高质量的晶格失配度约4%的InP基材料。基于此在GaAs衬底上首先生长了 GaAs/ AlGaAs的F-P腔，然后利用低温缓冲层技术成功外延生长了 InP基的光探测器。在二次外延生长前，通过去离子水、酒精、丙酮、三氯乙烯和去膜剂的清洗，缓解了 腐蚀所带来的位错和杂质对器件的影响。本发明为集成ROADM器件设计了外反射镜(膜)导光系统和底面键合双阵列导光 系统。
另外，利用湿法腐蚀实现具有多阶梯结构的谐振腔，并采用二次外延生长技术实 现能够对多波长进行处理的单片集成光探测器阵列，这种具有阶梯型谐振腔结构的单片集 成器件相对于分立器件具有低成本，工艺简单，易于实现等优点。同时可以通过控制腐蚀时 间来控制探测器阵列对探测波长间隔的选择。本发明解决了不同腔长的谐振腔单片集成问题，实现了具有多波长处理功能的单 片集成光电探测器阵列。作为ROADM设备的核心模块，大幅提高了 ROADM设备的集成度，降 低了设备的复杂度和成本，提高了设备的可靠性，应用前景非常广阔。
本发明进一步优点和特点将在优选但非排他的实施例的描述以及附图帮助下中 更清晰，其中图1为本发明利用两次掩模刻蚀制作四阶梯结构的示意图，子图(a) (f)反映 了四脊阶梯的刻蚀成型过程；图2四阶梯结构示意图；图3 二次外延生长后外延片示意图；图4具有多波长处理功能的单片集成光探测器阵列示意图；图5多种基于外反射镜(膜)的ROADM集成器件示意图；图6底面键合双阵列接收ROADM集成器件示意图。其中I-GaAs材料衬底 2-GaAs材料衬底 3-GaAs材料衬底4 7-阶梯腔结构 8-GaAs材料衬底9-用于滤波选频的谐振腔底部反射镜10-用于滤波选频的谐振腔顶部反射镜 11-光电探测器12-输入WDM信号，包括多路波长U1, λ 2，λ3- λ Ν)13-输出WDM信号14-输入WDM信号，包括多路波长(A1, λ 2，λ,., λ Ν)15-输出 WDM 信号。
具体实施例方式我们以具有四个阶梯谐振腔的GaAs基长波长单片集成光探测器阵列为例，具体 实验方案如下第一步，外延片生长。首先，请参阅图1图2，在GaAs衬底上依次生长500nm厚GaAs缓冲层，F-P谐振腔 的底镜，和800nm厚的GaAs腔层。F-P谐振腔的底镜，由20对GaAs/AWaAs四分之一波长 堆栈构成的分布布拉格反射镜(DBR)组成，设计波长、=1550 μ m。然后，利用光刻技术在第一、三台阶处覆盖上一层掩膜，用&S04/H202/ H2Od 1 30)腐蚀液在GaAs腔层表面腐蚀出高度差为20nm的二、四两个台阶。经过 丙酮、酒精、去离子水清洗去除掩膜后，重新在一、二台阶处光刻掩膜，再利H2Od 1 30)腐蚀液在GaAs腔层表面腐蚀40nm，这样就形成了高度差为20nm的连续四个台阶，台阶宽度为800 μ m,并周期排列。最后，参阅图3，外延片经过清洗后，进行二次外延生长，依次为SOOnm GaAs腔层， 形成完整的F-P腔；20对GaAs/AlGaAs的DBR,即F-P腔顶镜6 ；200nm的缓冲层；在450°C 的低温下生长48nm的低温非晶缓冲层(LTB)，用以解决InP与GaAs的晶格失配，失配度约 4% ；在650°C的生长温度下完成InP-Ina 53Ga0.47As-InP材料的PIN光电探测器7的生长，及 120nm的盖帽层。第二步，器件制作。器件后工艺制作过程主要包括以下步骤。首先使用HCVH3PO4(1 1)腐蚀液去 掉120nm的InP盖帽层；其次，经过光刻处理，利用磁控溅射系统制作出Pt-Ti-Pt-Au环 形P电极，中心入光孔径为30 μ m,并通过光刻及湿法腐蚀方法制作出直径为42 μ m的圆形 上台面，对InP和InGaAs材料的湿法腐蚀，分别使用了 HC1/H3P04 (1 1)腐蚀液和H2SO4/ H202/H20(1 1 幻腐蚀液；然后，再次经过光刻处理和磁控溅射制作出η电极，并腐蚀出 61 μ mX 64 μ m的矩形下台面；之后，器件用聚酰亚胺进行钝化，开孔后镀Ti-Au作为引出电 极；最后经过抛光减薄，器件制作完毕。第三步，集成ROADM器件设计和制作方案导光介质可以选择GaAs (衬底)，石英玻璃等在C波段透光性较好的介质材料。选 择的反射膜在C波段的反射率要求达到90%以上。信号光入射和出射可以选择多种方式， 如图5、6。底面键合双阵列ROADM器件由两个光探测器阵列底面相对键合组成，或插入透光 介质作为中间层再通过两次键合构成。以此类推可以实现具有多个阶梯谐振腔的GaAs基长波长单片集成光探测器阵列参照图1，经过一次刻蚀实现两个台阶；两次刻蚀实现四个台阶；三次刻蚀实现八 个台阶；N次刻蚀实现2N个台阶(N是正整数)。当所需光探测器阵列数小于2N时，空置不 需要的台阶即可。其后工艺步骤参考具有四个阶梯谐振腔的GaAs基长波长单片集成光探 测器阵列制作过程。权利要求
1.用于多波长处理的单片集成光探测器阵列的制备方法，其特征在于包括如下工艺步骤1)经多次刻蚀工艺和二次外延生长工艺制备多台阶F-P谐振腔；2)通过GaAs/InP大失配异质外延生长工艺实现InP系有源器件与GaAs系无源滤波器 件的单片集成。
2.根据权利要求1所述的用于多波长处理的单片集成光探测器阵列的制备方法，其特 征在于所述多次刻蚀工艺和二次外延生长工艺制备多台阶F-P谐振腔中，光刻工艺使用 光刻胶作为掩膜材料；台阶制作采用湿法腐蚀工艺；去除掩膜后，再次经过重新在原来受 保护的台阶处光刻掩膜，再在GaAs腔层表面刻蚀形成连续台阶，台阶周期排列。
3.根据权利要求1所述的用于多波长处理的单片集成光探测器阵列的制备方法，其特 征在于在所述GaAs/InP大失配异质外延生长工艺中刻蚀后的台阶外延片经过清洗后，进 行二次外延生长，依次为作为部分F-P腔的GaAs腔层；作为F-P腔顶镜的多对GaAs/AWaAs 的DBR ；GaAs缓冲层；在350_550°C的低温下生长低温非晶缓冲层；在600-750°C的生长温 度下完成PIN光电探测器的生长，及InP盖帽层。
4.根据权利要求1所述的用于多波长处理的单片集成光探测器阵列的制备方法，其特 征在于所述阶梯型F-P滤波器的制备包括下工艺步骤在GaAs基衬底上生长GaAs/AWaAs的分布布拉格反射镜以及部分GaAs基谐振腔，其 中谐振腔的厚度为λ ^的整数倍；用二次外延生长工艺生长另外一部分GaAs基谐振腔，然后生长GaAs/AWaAs布拉格反 射镜，并采用异质外延工艺形成InP基光探测器结构。
5.根据权利要求1所述的用于多波长处理的单片集成光探测器阵列的制备方法，其特 征在于所述多次刻蚀工艺中所用腐蚀液选自以体积比计1 1 10 50的H2SO4M2O2/ H2O 或 1 1 10 50 的 ΝΗ40Η/Η202/Η20 或 1 10 1 的 H3P04/HC1 或 1 3 10 50 的 HF/HN03/H20。
6.根据权利要求1所述的用于多波长处理的单片集成光探测器阵列的制备方法，其特 征在于采用如下工艺步骤在GaAs衬底上依次生长GaAs缓冲层，F-P谐振腔的底镜和GaAs腔层；由光刻技术在第一、三台阶处覆盖上一层掩膜，用腐蚀液在GaAs腔层表面腐蚀第二、 四两个台阶；经清洗去除掩膜后，重新在第一、二台阶处光刻掩膜；再用腐蚀液在GaAs腔层表面腐蚀连续四个台阶，周期排列；外延片经过清洗后，进行二次外延生长，形成GaAs腔层；形成完整F-P腔；缓冲层；生 长低温非晶缓冲层；生长光电探测器；及盖帽层；用腐蚀液去掉盖帽层；形成P电极、η电极；钝化、开孔形成引出电极；经过抛光减薄得到用于多波长处理的单片集成光探测器阵列。
7.根据权利要求6所述的用于多波长处理的单片集成光探测器阵列的制备方法，其特 征在于所述F-P谐振腔的底镜，由20对GaAs/AWaAs四分之一波长堆栈构成的分布布拉格反射镜组成。
8.根据权利要求6所述的用于多波长处理的单片集成光探测器阵列的制备方法，其特 征在于所述光电探测器为InP-Ina 53(^.47Α ^ηΡ材料的PIN光电探测器。
9.根据权利要求6所述的用于多波长处理的单片集成光探测器阵列的制备方法，其特 征在于所述P电极为磁控溅射系统制作出的Pt-Ti-Pt-Au环形ρ电极； 所述引出电极为开孔后镀Ti-Au所形成。
10.根据权利要求6所述的用于多波长处理的单片集成光探测器阵列的制备方法，其 特征在于所述低温非晶缓冲层是在在350-550°C下生长，失配度4%。
全文摘要
本发明涉及一种具有多波长处理功能的单片集成光探测器阵列的制备方法，特别涉及此器件中阶梯型谐振腔结构，以及基于该结构的单片集成光探测器阵列的制备方法，和基于该阵列器件的多波长处理功能的实现方法。本发明用于多波长处理的单片集成光探测器阵列的制备方法，包括如下工艺步骤经多次刻蚀工艺和二次外延生长工艺制备多台阶F-P谐振腔；通过GaAs/InP大失配异质外延生长工艺实现InP系有源器件与GaAs系无源滤波器件的单片集成。本发明解决了可重构光分插复用器件对具有多波长处理功能的单片集成光探测器件的需求问题，并广泛用于光通信及光信号处理等领域，对今后光电子器件的集成化产生重要的影响。
文档编号H01L21/8252GK102054772SQ20091020713
公开日2011年5月11日 申请日期2009年10月27日 优先权日2009年10月27日
发明者任晓敏, 李轶群, 杨一粟, 段晓峰, 王 琦, 黄永清, 黄辉 申请人:北京邮电大学