專利名稱：用于多波長處理的單片集成光探測器陣列的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種具有多波長處理功能的GaAs基長波長單片集成光探測器陣列的 制備方法，以及基于該陣列的外反射鏡(膜)式ROADM和底面鍵合雙陣列ROADM的設計與 實現(xiàn)方法。特別涉及了基于大失配異質(zhì)外延生長的單片集成技術，半導體器件中多階梯諧振 腔結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方法，基于外反射鏡(膜)導光系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，以及基于底面鍵合雙陣列導 光系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。
背景技術：
隨著WDM光纖通信系統(tǒng)與光網(wǎng)絡的迅速發(fā)展，可重構(gòu)光分插復用(ROADM)技術越 來越受到重視，必將成為下一代光網(wǎng)絡中重要的光節(jié)點設備。但是目前ROADM仍是由分立 器件構(gòu)成，高昂的成本限制了其廣泛的應用，而集成化是降低成本的必由之路。目前已報道的集成化ROADM主要都是利用平面光波線路(PLC)技術，將解復用器、 光開關和復用器單片集成。但是利用PLC技術制備大規(guī)模集成ROADM取決于諸多關鍵工藝 的突破，難度很大，就目前國內(nèi)設備及工藝水平而言，直接利用PLC技術尚無法實現(xiàn)大規(guī)模 集成ROADM器件。這樣通過關鍵功能器件的集成首先實現(xiàn)各功能模塊的局部集成化，最后 再實現(xiàn)整體設備的大規(guī)模集成化是目前研究平面集成可重構(gòu)分插復用的一條現(xiàn)實之路。對于具有波長選擇性的光探測器，需要有能夠和襯底材料晶格匹配的，又具有很 大折射率差的兩種材料來構(gòu)成分布式布拉格反射鏡(DBR)。而對于長波長InP基材料來說， 目前可提供的材料很難滿足大折射率差這一要求。相對來說，GaAs/AWaAs材料的DBR卻 因擁有大折射率差而得到廣泛應用。同時，InP和GaAs是兩種發(fā)展最成熟的III-V族化合 物半導體。人們很希望能夠把InP的卓越高速性能和光學性能與GaAs的大尺寸、低價位的 優(yōu)點結(jié)合起來。有鑒于此，探索新工藝和新方案，緩解和釋放外延層的熱應力，同時降低缺 陷密度、提高外延層的晶體質(zhì)量，實現(xiàn)器件的單片集成是本發(fā)明的一個重要目標。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在解決上述技術問題，在GaAs基襯底上，實現(xiàn)具有多階梯結(jié)構(gòu)的GaAs/ AlGaAs諧振腔，通過諧振腔腔長對光波的選擇性，實現(xiàn)對多個波長的處理功能，該方法具有 工藝簡單，易于實現(xiàn)等優(yōu)點。并基于該陣列實現(xiàn)新型集成化ROADM器件。本發(fā)明所提供的用于多波長處理的單片集成光探測器陣列的制備方法包括如下 工藝步驟1)經(jīng)多次刻蝕工藝和二次外延生長工藝制備多臺階F-P諧振腔；2)通過GaAs/InP大失配異質(zhì)外延生長工藝實現(xiàn)InP系有源器件與GaAs系無源濾 波器件的單片集成。所述多次刻蝕工藝和二次外延生長工藝制備多臺階F-P諧振腔中，光刻工藝使用 光刻膠作為掩膜材料；臺階制作采用濕法腐蝕工藝；去除掩膜后，再次經(jīng)過重新在原來受保護的臺階處光刻掩膜，再在GaAs腔層表面刻蝕形成連續(xù)臺階，臺階周期排列。在所述GaAs/InP大失配異質(zhì)外延生長工藝中刻蝕后的臺階外延片經(jīng)過清洗后， 進行二次外延生長，依次為作為部分F-P腔的GaAs腔層；作為F-P腔頂鏡的多對GaAs/ AlGaAs的DBR ；GaAs緩沖層；在350-550 °C (優(yōu)選450 °C )的低溫下生長低溫非晶緩沖層； 在600-750°C (優(yōu)選650°C)的生長溫度下完成PIN光電探測器的生長，及InP蓋帽層。所述階梯型F-P濾波器的制備包括下工藝步驟在GaAs基襯底上生長GaAs/AWaAs的分布布拉格反射鏡以及部分GaAs基諧振 腔，其中諧振腔的厚度為λ ^的整數(shù)倍；用二次外延生長工藝生長另外一部分GaAs基諧振腔，然后生長GaAs/AWaAs布拉 格反射鏡，并采用異質(zhì)外延工藝形成InP基光探測器結(jié)構(gòu)。所述多次刻蝕工藝中所用腐蝕液選自以體積比計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。本發(fā)明所提供的用于多波長處理的單片集成光探測器陣列的制備方法，優(yōu)選采用 如下工藝步驟在GaAs襯底上依次生長GaAs緩沖層，F(xiàn)-P諧振腔的底鏡和GaAs腔層；由光刻技術在第一、三臺階處覆蓋上一層掩膜，用腐蝕液在GaAs腔層表面腐蝕第 二、四兩個臺階；經(jīng)清洗去除掩膜后，重新在第一、二臺階處光刻掩膜；再用腐蝕液在GaAs腔層表面腐蝕連續(xù)四個臺階，周期排列；外延片經(jīng)過清洗后，進行二次外延生長，形成GaAs腔層；形成完整F-P腔；緩沖 層；生長低溫非晶緩沖層；生長光電探測器；及蓋帽層；用腐蝕液去掉蓋帽層；形成ρ電極、η電極；鈍化、開孔形成引出電極；經(jīng)過拋光減薄得到用于多波長處理的單片集成光探測器陣列。所述F-P諧振腔的底鏡，由20對GaAs/AWaAs四分之一波長堆棧構(gòu)成的分布布拉 格反射鏡(DBI )組成。所述光電探測器為InP-Ina 53G￡ia47AS-hP材料的PIN光電探測器。所述ρ電極為磁控濺射系統(tǒng)制作出的Pt-Ti-Pt-Au環(huán)形ρ電極。所述引出電極為開孔后鍍Ti-Au所形成。所述低溫非晶緩沖層是在在350_550°C (優(yōu)選450°C )下生長，失配度4%。通過異質(zhì)外延實驗，摸索出低溫緩沖層的最佳生長條件，成功地在GaAs襯底上生 長出高質(zhì)量的晶格失配度約4%的InP基材料?；诖嗽贕aAs襯底上首先生長了 GaAs/ AlGaAs的F-P腔，然后利用低溫緩沖層技術成功外延生長了 InP基的光探測器。在二次外延生長前，通過去離子水、酒精、丙酮、三氯乙烯和去膜劑的清洗，緩解了 腐蝕所帶來的位錯和雜質(zhì)對器件的影響。本發(fā)明為集成ROADM器件設計了外反射鏡(膜)導光系統(tǒng)和底面鍵合雙陣列導光 系統(tǒng)。
另外，利用濕法腐蝕實現(xiàn)具有多階梯結(jié)構(gòu)的諧振腔，并采用二次外延生長技術實 現(xiàn)能夠?qū)Χ嗖ㄩL進行處理的單片集成光探測器陣列，這種具有階梯型諧振腔結(jié)構(gòu)的單片集 成器件相對于分立器件具有低成本，工藝簡單，易于實現(xiàn)等優(yōu)點。同時可以通過控制腐蝕時 間來控制探測器陣列對探測波長間隔的選擇。本發(fā)明解決了不同腔長的諧振腔單片集成問題，實現(xiàn)了具有多波長處理功能的單 片集成光電探測器陣列。作為ROADM設備的核心模塊，大幅提高了 ROADM設備的集成度，降 低了設備的復雜度和成本，提高了設備的可靠性，應用前景非常廣闊。


本發(fā)明進一步優(yōu)點和特點將在優(yōu)選但非排他的實施例的描述以及附圖幫助下中 更清晰，其中圖1為本發(fā)明利用兩次掩模刻蝕制作四階梯結(jié)構(gòu)的示意圖，子圖(a) (f)反映 了四脊階梯的刻蝕成型過程；圖2四階梯結(jié)構(gòu)示意圖；圖3 二次外延生長后外延片示意圖；圖4具有多波長處理功能的單片集成光探測器陣列示意圖；圖5多種基于外反射鏡(膜)的ROADM集成器件示意圖；圖6底面鍵合雙陣列接收ROADM集成器件示意圖。其中I-GaAs材料襯底 2-GaAs材料襯底 3-GaAs材料襯底4 7-階梯腔結(jié)構(gòu) 8-GaAs材料襯底9-用于濾波選頻的諧振腔底部反射鏡10-用于濾波選頻的諧振腔頂部反射鏡 11-光電探測器12-輸入WDM信號，包括多路波長U1, λ 2，λ3- λ Ν)13-輸出WDM信號14-輸入WDM信號，包括多路波長(A1, λ 2，λ,., λ Ν)15-輸出 WDM 信號。
具體實施例方式我們以具有四個階梯諧振腔的GaAs基長波長單片集成光探測器陣列為例，具體 實驗方案如下第一步，外延片生長。首先，請參閱圖1圖2，在GaAs襯底上依次生長500nm厚GaAs緩沖層，F(xiàn)-P諧振腔 的底鏡，和800nm厚的GaAs腔層。F-P諧振腔的底鏡，由20對GaAs/AWaAs四分之一波長 堆棧構(gòu)成的分布布拉格反射鏡(DBR)組成，設計波長、=1550 μ m。然后，利用光刻技術在第一、三臺階處覆蓋上一層掩膜，用&S04/H202/ H2Od 1 30)腐蝕液在GaAs腔層表面腐蝕出高度差為20nm的二、四兩個臺階。經(jīng)過 丙酮、酒精、去離子水清洗去除掩膜后，重新在一、二臺階處光刻掩膜，再利H2Od 1 30)腐蝕液在GaAs腔層表面腐蝕40nm，這樣就形成了高度差為20nm的連續(xù)四個臺階，臺階寬度為800 μ m,并周期排列。最后，參閱圖3，外延片經(jīng)過清洗后，進行二次外延生長，依次為SOOnm GaAs腔層， 形成完整的F-P腔；20對GaAs/AlGaAs的DBR,即F-P腔頂鏡6 ；200nm的緩沖層；在450°C 的低溫下生長48nm的低溫非晶緩沖層(LTB)，用以解決InP與GaAs的晶格失配，失配度約 4% ；在650°C的生長溫度下完成InP-Ina 53Ga0.47As-InP材料的PIN光電探測器7的生長，及 120nm的蓋帽層。第二步，器件制作。器件后工藝制作過程主要包括以下步驟。首先使用HCVH3PO4(1 1)腐蝕液去 掉120nm的InP蓋帽層；其次，經(jīng)過光刻處理，利用磁控濺射系統(tǒng)制作出Pt-Ti-Pt-Au環(huán) 形P電極，中心入光孔徑為30 μ m,并通過光刻及濕法腐蝕方法制作出直徑為42 μ m的圓形 上臺面，對InP和InGaAs材料的濕法腐蝕，分別使用了 HC1/H3P04 (1 1)腐蝕液和H2SO4/ H202/H20(1 1 幻腐蝕液；然后，再次經(jīng)過光刻處理和磁控濺射制作出η電極，并腐蝕出 61 μ mX 64 μ m的矩形下臺面；之后，器件用聚酰亞胺進行鈍化，開孔后鍍Ti-Au作為引出電 極；最后經(jīng)過拋光減薄，器件制作完畢。第三步，集成ROADM器件設計和制作方案導光介質(zhì)可以選擇GaAs (襯底)，石英玻璃等在C波段透光性較好的介質(zhì)材料。選 擇的反射膜在C波段的反射率要求達到90%以上。信號光入射和出射可以選擇多種方式， 如圖5、6。底面鍵合雙陣列ROADM器件由兩個光探測器陣列底面相對鍵合組成，或插入透光 介質(zhì)作為中間層再通過兩次鍵合構(gòu)成。以此類推可以實現(xiàn)具有多個階梯諧振腔的GaAs基長波長單片集成光探測器陣列參照圖1，經(jīng)過一次刻蝕實現(xiàn)兩個臺階；兩次刻蝕實現(xiàn)四個臺階；三次刻蝕實現(xiàn)八 個臺階；N次刻蝕實現(xiàn)2N個臺階(N是正整數(shù))。當所需光探測器陣列數(shù)小于2N時，空置不 需要的臺階即可。其后工藝步驟參考具有四個階梯諧振腔的GaAs基長波長單片集成光探 測器陣列制作過程。權利要求
1.用于多波長處理的單片集成光探測器陣列的制備方法，其特征在于包括如下工藝步驟1)經(jīng)多次刻蝕工藝和二次外延生長工藝制備多臺階F-P諧振腔；2)通過GaAs/InP大失配異質(zhì)外延生長工藝實現(xiàn)InP系有源器件與GaAs系無源濾波器 件的單片集成。
2.根據(jù)權利要求1所述的用于多波長處理的單片集成光探測器陣列的制備方法，其特 征在于所述多次刻蝕工藝和二次外延生長工藝制備多臺階F-P諧振腔中，光刻工藝使用 光刻膠作為掩膜材料；臺階制作采用濕法腐蝕工藝；去除掩膜后，再次經(jīng)過重新在原來受 保護的臺階處光刻掩膜，再在GaAs腔層表面刻蝕形成連續(xù)臺階，臺階周期排列。
3.根據(jù)權利要求1所述的用于多波長處理的單片集成光探測器陣列的制備方法，其特 征在于在所述GaAs/InP大失配異質(zhì)外延生長工藝中刻蝕后的臺階外延片經(jīng)過清洗后，進 行二次外延生長，依次為作為部分F-P腔的GaAs腔層；作為F-P腔頂鏡的多對GaAs/AWaAs 的DBR ；GaAs緩沖層；在350_550°C的低溫下生長低溫非晶緩沖層；在600-750°C的生長溫 度下完成PIN光電探測器的生長，及InP蓋帽層。
4.根據(jù)權利要求1所述的用于多波長處理的單片集成光探測器陣列的制備方法，其特 征在于所述階梯型F-P濾波器的制備包括下工藝步驟在GaAs基襯底上生長GaAs/AWaAs的分布布拉格反射鏡以及部分GaAs基諧振腔，其 中諧振腔的厚度為λ ^的整數(shù)倍；用二次外延生長工藝生長另外一部分GaAs基諧振腔，然后生長GaAs/AWaAs布拉格反 射鏡，并采用異質(zhì)外延工藝形成InP基光探測器結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權利要求1所述的用于多波長處理的單片集成光探測器陣列的制備方法，其特 征在于所述多次刻蝕工藝中所用腐蝕液選自以體積比計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.根據(jù)權利要求1所述的用于多波長處理的單片集成光探測器陣列的制備方法，其特 征在于采用如下工藝步驟在GaAs襯底上依次生長GaAs緩沖層，F(xiàn)-P諧振腔的底鏡和GaAs腔層；由光刻技術在第一、三臺階處覆蓋上一層掩膜，用腐蝕液在GaAs腔層表面腐蝕第二、 四兩個臺階；經(jīng)清洗去除掩膜后，重新在第一、二臺階處光刻掩膜；再用腐蝕液在GaAs腔層表面腐蝕連續(xù)四個臺階，周期排列；外延片經(jīng)過清洗后，進行二次外延生長，形成GaAs腔層；形成完整F-P腔；緩沖層；生 長低溫非晶緩沖層；生長光電探測器；及蓋帽層；用腐蝕液去掉蓋帽層；形成P電極、η電極；鈍化、開孔形成引出電極；經(jīng)過拋光減薄得到用于多波長處理的單片集成光探測器陣列。
7.根據(jù)權利要求6所述的用于多波長處理的單片集成光探測器陣列的制備方法，其特 征在于所述F-P諧振腔的底鏡，由20對GaAs/AWaAs四分之一波長堆棧構(gòu)成的分布布拉格反射鏡組成。
8.根據(jù)權利要求6所述的用于多波長處理的單片集成光探測器陣列的制備方法，其特 征在于所述光電探測器為InP-Ina 53(^.47Α ^ηΡ材料的PIN光電探測器。
9.根據(jù)權利要求6所述的用于多波長處理的單片集成光探測器陣列的制備方法，其特 征在于所述P電極為磁控濺射系統(tǒng)制作出的Pt-Ti-Pt-Au環(huán)形ρ電極； 所述引出電極為開孔后鍍Ti-Au所形成。
10.根據(jù)權利要求6所述的用于多波長處理的單片集成光探測器陣列的制備方法，其 特征在于所述低溫非晶緩沖層是在在350-550°C下生長，失配度4%。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有多波長處理功能的單片集成光探測器陣列的制備方法，特別涉及此器件中階梯型諧振腔結(jié)構(gòu)，以及基于該結(jié)構(gòu)的單片集成光探測器陣列的制備方法，和基于該陣列器件的多波長處理功能的實現(xiàn)方法。本發(fā)明用于多波長處理的單片集成光探測器陣列的制備方法，包括如下工藝步驟經(jīng)多次刻蝕工藝和二次外延生長工藝制備多臺階F-P諧振腔；通過GaAs/InP大失配異質(zhì)外延生長工藝實現(xiàn)InP系有源器件與GaAs系無源濾波器件的單片集成。本發(fā)明解決了可重構(gòu)光分插復用器件對具有多波長處理功能的單片集成光探測器件的需求問題，并廣泛用于光通信及光信號處理等領域，對今后光電子器件的集成化產(chǎn)生重要的影響。
文檔編號H01L21/8252GK102054772SQ20091020713
公開日2011年5月11日 申請日期2009年10月27日 優(yōu)先權日2009年10月27日
發(fā)明者任曉敏, 李軼群, 楊一粟, 段曉峰, 王 琦, 黃永清, 黃輝 申請人:北京郵電大學