UTC型InGaAs光电探测器及其制作方法与流程

本申请涉及半导体器件领域，特别是涉及一种UTC型InGaAs光电探测器及其制作方法。

背景技术：

光电探测器是光纤通信系统中不可缺少的组成部分，也是决定整个系统性能优劣的关键元件之一。在大容量的超高速光通信系统中，人们在选取光电探测器时通常考虑三个重要的参量，即：宽带宽、高效率和高饱和输出功率。对于传统的PIN光探测器，由于受到空间电荷效应的限制，很难在高电流密度条件下保持高速响应。为了克服这一困难，1997年NTT光子实验室T.Ishibashi等人成功研制了一种新的光探测器——单行载流子光探测器(UTC-PD)，只让迁移率大的电子作为有缘载流子流过结区，大大提高了探测器的响应速度。

单行载流子光电二极管(UTC-PD)是一种高速、高饱和输出的新型光电探测器，其结构特点是由p型中性光吸收层和n型宽带隙集结层构成，并且只用电子作为有源载流子。由于电子漂移速度远高于空穴，因此需要更强的入射激光激发产生更大量的电子才能引起电子的囤积，所以与PIN-PD相比，UTC-PD有效地抑制了空间电荷效应。器件电容的大小由材料结构与性质决定，要实现高带宽必须减小寄生电容。半导体材料的介电常数大，因此填充材料的使用，可以降低器件的技术电容。常用的polyimide，它的介电常数低(3.2-3.4)，但固化温度高，影响器件的性能和使用寿命。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种UTC型InGaAs光电探测器及其制作方法，引入空气桥结构，降低器件的电容，提高器件的频率响应。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本申请实施例公开一种UTC型InGaAs光电探测器，包括衬底、生长于所述衬底上的外延层、以及与所述外延层连接的电极，所述外延层具有刻蚀的台阶部，该台阶部填充有固化的BCB，所述固化的BCB同时作为外延层侧面的钝化层，所述固化的BCB顶面沉积有形成空气桥结构的金属。

优选的，在上述的UTC型InGaAs光电探测器中，所述外延层包括依次生长在衬底上的N-InP缓冲层、N-InP次集结层、N-InGaAs蚀刻阻挡层、N-InP集结层、P-InGaAsP势垒层、P-InGaAs吸收层、P-InAlAs阻挡层和P-InGaAs接触层。

优选的，在上述的UTC型InGaAs光电探测器中，所述衬底为N-InP半绝缘衬底。

优选的，在上述的UTC型InGaAs光电探测器中，所述外延层上还形成有增透膜或抗反射膜。

优选的，在上述的UTC型InGaAs光电探测器中，所述电极包括与P-InGaAs接触层连接的P型Pd/Zn/Pd/Au电极、以及与N-InGaAs蚀刻阻挡层连接的N型Ti/Pt/Au电极。

优选的，在上述的UTC型InGaAs光电探测器中，所述固化的BCB的顶面略高于所述P-InGaAs接触层表面。

相应的，本申请还公开了一种UTC型InGaAs光电探测器的制作方法，包括：

s1、在衬底上生长外延层；

s2、刻蚀外延层，形成p型台阶和n型台阶；

s3、采用BCB填充刻蚀台阶处，然后将BCB固化处理；

s4、制作金属电极，包括在p型台阶上制备P型电极，在n型台阶上制备N型电极，以及在BCB上沉积金属形成空气桥结构。

优选的，在上述的UTC型InGaAs光电探测器的制作方法中，所述步骤s3中，采用阶梯升温固化方式，包括

温度加热到50～100℃，保持10～40min；

温度升至100～220℃，保持50～100min；

温度升至250～380℃，保持50～180min。

优选的，在上述的UTC型InGaAs光电探测器的制作方法中，所述步骤s3还包括：采用光刻技术，光刻胶做掩膜，干法刻蚀BCB，暴露出器件表面图案，其中BCB填充区域高度略高于p型台阶顶面。

优选的，在上述的UTC型InGaAs光电探测器的制作方法中，所述步骤s2包括：采用光刻技术，光刻胶做掩膜，采用H₃PO₄溶液和HCl溶液从P-InGaAs接触层腐蚀至N-InGaAs蚀刻阻挡层，形成P型台阶和N型台阶。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明采用BCB胶作为填充物，介电常数低，形成空气桥结构，同时降低了器件的结面积，因此能有效地降低器件的电容，提高器件的频率响应。BCB胶作为钝化层有效地降低器件的暗电流，延长器件的使用寿命。本发明UTC光电探测器的制备，工艺简单，可控性好，易于实施，且所获器件具有良好结构特性以及优良检测性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为本发明具体实施例中UTC型InGaAs光电探测器的制备工艺流程图；

图2所示为本发明具体实施例中UTC型InGaAs光电探测器的结构示意图；

图3所示为本发明具体实施例中UTC型InGaAs光电探测器的BCB填充形成空气桥区域的结构示意图；

图4所示为本发明具体实施例中UTC型InGaAs光电探测器的结构俯视图；

图5所示为本发明具体实施例中UTC型InGaAs光电探测器的外延结构图。

具体实施方式

BCB的介电常数为2.65，具有优良性能(耐高温、好的机械性能、更小的介电常数、更小的介电损失，且固化温度低)。采用BCB胶作为填充物，利用低的介电常数，有效地降低器件的电容，缩短器件的响应时间，提高器件的带宽。

本发明旨在进一步提升器件的响应度和带宽，对发展超宽带光纤通信及太赫兹无线通信系统具有重大意义。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图2、3和5所示，UTC型InGaAs光电探测器，包括衬底、生长于衬底上的外延层、以及与外延层连接的电极，外延层具有刻蚀的台阶部，该台阶部填充有固化的BCB，固化的BCB同时作为外延层侧面的钝化层，固化的BCB顶面沉积有形成空气桥结构的金属。

在一些实施例中，外延层包括依次生长在衬底上的N-InP缓冲层(图未示)、N-InP次集结层、N-InGaAs蚀刻阻挡层、N-InP集结层、P-InGaAsP势垒层、P-InGaAs吸收层、P-InAlAs阻挡层和P-InGaAs接触层。

在一些实施例中，衬底为N-InP半绝缘衬底。

在一些实施例中，外延层上还形成有增透膜或抗反射膜。

在一些实施例中，电极包括与P-InGaAs接触层连接的P型Pd/Zn/Pd/Au电极、以及与N-InGaAs蚀刻阻挡层连接的N型Ti/Pt/Au电极。

在一些实施例中，固化的BCB的顶面略高于P-InGaAs接触层表面。

结合图1和图4所示，在一优选实施例中，光电探测器的制作工艺主要包括以下步骤：

步骤11、在外延层生长时，在N-InP半绝缘衬底23上生长外延层，其具体过程包括：利用分子束外延(MBE)设备在N-InP半绝缘衬底上生长N-InP次集结层、N-InGaAs蚀刻阻挡层、N-InP集结层、P-InGaAsP势垒层、P-InGaAs吸收层、P-InAlAs阻挡层和P-InGaAs接触层。

步骤12、采用光刻技术，光刻胶做掩膜，采用H₃PO₄溶液和HCl溶液从P-InGaAs接触层腐蚀至N-InGaAs蚀刻阻挡层，形成P型台阶21和N型台阶22。

步骤13、采用HCl溶液从P-InGaAs蚀刻阻挡层腐蚀至N-InP半绝缘衬底23，形成独立单元。

步骤14、BCB填充台阶区域，并充当台阶侧壁钝化层，然后将UTC放在氮气烘箱中对BCB进进行固化处理。阶梯升温固化方式：

将探测器放置在烘箱中，第一步温度加热到80℃，保持20min，使BCB溶剂分布均匀；

第二步温度升至160℃，保持60min，使BCB溶剂充分挥发；

第三步温度升至280℃，保持70min，使BCB充分固化。

然后取出探测器冷却到室温，完成固化过程。BCB填充形成空气桥区域24；BCB填充区域35，如图4所示。

步骤15、采用包含Cl₂、SiH₄和钝化气体的刻蚀气体，ICP刻蚀器件，刻掉暴露区域的BCB，钝化气体包括H₂或Ar。

在刻蚀过程中，由于正梯形BCB正梯形掩膜结构的作用，使得等离子体在刻蚀区域的流量，方向性以及分布差异有所不同，因此，上部的刻蚀区域稍大于下部的刻蚀区域，从而使得出现正梯形侧壁，这样，金属电极在进行爬坡时，不易脱落，从而保证后续工艺的有效进行引入。通过SiH₄气体的引入，容易在刻蚀过程中形成一层富硅钝化膜，减小了侧壁漏电，有助于降低了探测器的暗电流。

步骤16、金属电极的制备和SiN_x增透膜的制备。在完成刻蚀钝化工艺后，通过磁控溅射方法在P-InGaAs接触层上制备P型Pd/Zn/Pd/Au电极32，电子束蒸发的方法在N-InGaAs蚀刻阻挡层制备N型Ti/Pt/Au电极31。多余金属剥离之后，沉积在BCB上的金属形成空气桥结构33。

步骤17、为了提高电池对光子的利用率，还可利用PECVD法在探测器表面制备SiN_x增透膜34，籍以减小入射光在样品表面的反射率，从而提高光子的利用率。

增透膜的材料还可以选自TiO₂、SiO₂。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。