高效微機械可調諧共振腔增強型探測器及其製作方法
2023-06-04 04:14:16 2
專利名稱：高效微機械可調諧共振腔增強型探測器及其製作方法
技術領域：
本發明涉及一種高效微機械可調諧共振腔增強型探測器及其製作方法。特別涉及一種利用微機械工藝製作可調諧長波長(1.3～1.6μm波段)高效共振腔增強型探測器。
背景技術：
隨著資訊時代的到來，全球通信業務量迅猛增長，通信網絡的發展面臨著前所未有的機遇和挑戰。早在60年代光纖通訊就開始得到發展，單信道光纖通信已經不能滿足通信量日益增長的需求，人們開始尋求在一根光纖中同時傳輸多個波長的光信號，這就是波分復用(WDM)技術，90年代中期摻鉺光纖放大器的成熟更是促進了波分復用器件的商品化，發展到今天波分復用技術已演化到密集波分技術。
波分復用系統關鍵性器件之一下載話路用的解復用接收器，商用上目前普遍採用解復用(濾波器)+光電探測器的分立組合方式。目前常用的解復用器主要包括薄膜幹涉濾波器，反射型衍射光柵，陣列波導光柵，波導光柵型解復用器件，光纖耦合型解復用器件。這種分立組合方式的解復用接收器存在諸多缺點，比如插入損耗，體積大，穩定性差等。而解復用與探測器集成於一身的諧振腔增強型(Resonant CavityEnhanced，RCE)探測器是一種首選的方案。諧振腔增強型探測器不但具備了解復用器所具有的波長選擇性，而且由於諧振腔的增強作用在一定程度上解決了在傳統光電探測器中存在的量子效率和響應速度之間相互制約的矛盾。與分立解復用接收器相比，共振腔的一個明顯優勢是集成度高。
共振腔探測器的基本結構包括上下反射鏡以及中間光吸收區。共振腔探測器的基本設計要求是下反射鏡的反射率足夠高(最好接近100％)，上反射鏡的反射鏡和下反射鏡的反射率滿足匹配關係R1＝R2e-2αd時效果最優，其中R1表示上反射鏡的反射率，R2表示下反射鏡的反射率，α表示吸收材料的光吸收係數，d為吸收區的厚度。目前市場上已經有比較成熟的980nm波段共振腔探測器，但是尚無成熟的長波長(1.3～1.6μm波段)共振腔探測器產品，其主要原因如下對長波長光響應度高的材料主要有InP基系列外延材料，典型的例子有In0.53Ga0.47As，該材料和InP基片晶格匹配，吸收波長可以延伸到1.65μm，而且外延工藝成熟。但是下反射鏡用的材料InP/InGaAsP的折射率差很小，要達到99％的反射率，InP/InGaAsP介質膜的對數需要30對，甚至40對以上，難度大，成本高，不適合工業生產。一種解決方案是利用直接鍵合技術把InGaAs光吸收層鍵合到折射率差較大的GaAs/AlAs反射鏡，用GaAs/AlAs代替InP/InGaAsP，其中主要涉及的難點包括兩點，其一，直接鍵合工藝難度較高，一般要求工作環境的清潔度在100級以上，其二，生長高反射率(99％以上)的反射鏡也需要20對以上的GaAs/AlAs外延層。作為研究，上述方法都有相關文獻報導G.L.Christenson et al.IEEE Photonics Technol.Lett.Vol.9，pp.725，1997，以及N.Chitica et al.IEEE Photonics Technol.Lett.Vol.11，pp.584，1999。
為更清楚的闡述本發明的內容，我們首先介紹常規微機械可調諧探測器的器件結構、工作原理，以及特點。如圖1所示，一個基本的微機械可調諧探測器，其結構包括下反射鏡10，從理論上而言，下反射鏡的反射率越高越好，一般高達99％以上；位於下反射鏡之上的探測器有源區12，也就是光吸收區，對於光通訊1.3～1.6μm波段，有源區一般採用InP基的InGaAs材料，它和InP基晶格匹配，外延工藝成熟，光吸收強；位置可控的上反射鏡13，和下反射鏡10構成一對共振腔系統，上反射鏡的反射率需要和下反射鏡的反射率相匹配；以及微腔的機械調節控制部分14。當光線入射到共振腔時，由於共振腔的相干幹涉作用，滿足特定相位條件的光進入共振腔，而其他光被反射，從而具有波長選擇作用，典型的共振腔的響應曲線和結構如圖2A、圖2B所示。共振波長的位置和腔長息息相關，利用兩電極之間的靜電吸引作用控制腔長，從而達到調諧的目的。
波長選擇性較好的探測器的基本設計原則是下反射鏡的反射率足夠高，上反射鏡的反射率和下反射鏡的反射率相匹配，光吸收區材料對工作波段的光有較強的吸收作用。常規可調諧探測器一般採用兩種設計方案，其一反射鏡採用InP/InGaAsP材料，有源區採用InGaAsP(或者InGaAs)，一次性外延生長；其二是反射鏡採用GaAs/AlAs材料，有源區採用InGaAsP(或者InGaAs)，或者GaAs基的GaInNAs材料。由於InP/InGaAsP的折射率差別小，為達到反射率超過99％，介質膜的對數需要30對甚至40多對，外延成本高，因此長波長(尤其是1.55μm波段)探測器的反射鏡採用InP/InGaAsP材料，往往不適合工業生產。設計方案二也難以行的通，如果採用GaAs基GaInNAs材料作為光吸收材料，現有的工藝技術外延對1.55μm波長有響應的GaInNAs尚不成熟；如果藉助直接鍵合技術把InGaAs光吸收區鍵合到反射鏡高反射率的GaAs/AlAs反射鏡上，也存在很多難點，首先外延長波長高反射率的反射鏡同樣很困難，其二直接鍵合工藝難度高，不容易提高成品率。
發明內容
本發明的目的在於揭示一種高效微機械可調諧共振腔增強型探測器及其製作方法，在常規的微機械可調諧探測器結構中，上下反射鏡採用InP/InGaAsP材料，由於InP和InGaAsP的折射率差很小，為獲得反射率為99％的反射鏡需要外延30對以上，因而成本昂貴，不適合工業生產。一種替代方法是把有源區直接鍵合到GaAs/AlAs反射鏡上，但是由於直接鍵合工藝要求高，往往需要外加拋光工藝，不但增加了製作成本，而且也增加了工藝難度，難以保證成品率。本發明揭示的探測器結構中上下反射鏡採用Si/SiO2材料，5對Si/SiO2材料就能夠獲得高達99％的反射率，解決了高反射率反射鏡外延成本高的問題。藉助sol-gel鍵合技術把反射鏡鍵合到矽基片上，sol-gel鍵合的工藝要求低，成本低，從而解決了長波長微機械可調諧探測器的難題。
特別的，本發明的一個目的在於揭示了一種低成本可調諧長波長共振腔探測器的器件結構及其製作方法。在該器件結構中，上下反射鏡的反射率可以高達99.9％，而不會明顯增加工藝成本。本發明提供的工藝難度相對較低，適合工業生產。
本發明一種高效微機械可調諧共振腔增強型探測器，其特徵在於，其結構包括一基片；一鍵合界面層，該鍵合界面層製作於基片之上；一第一反射鏡，該第一反射鏡製作於鍵合界面層之上，該第一反射鏡由鍵合界面層的作用和基片牢固粘合在一起；一外延層，該外延層製作於第一反射鏡之上，該外延層是共振腔的腔體部分；一第二反射鏡，該第二反射鏡製作於外延層之上；一保護層，該保護層製作在外延層的表面和側面；以及第一、第二、第三電極分別製作在外延層和機械調諧部分上。
其中外延層包括有源區部分和機械調諧部分，該有源區部分和機械調諧部分一次性外延生成，在調諧區包含有犧牲層，釋放犧牲層後形成空氣腔，用於調諧。
其中有源區的材料是IV族材料，III-V族，II-VI族材料或者有機物材料，對長波長波段1.3～1.6μm的光吸收性好。
其中鍵合界面層是鍵合介質退火後形成，該層對長波長波段1.3～1.6μm的光透過性好。
其中第一反射鏡和第二反射鏡所用的材料是SiO2/Si，Al2O3/Si，SiNxOy/Si。
本發明一種高效微機械可調諧共振腔增強型探測器的製作方法，其特徵在於，包括如下步驟a)在第一基片上生長外延層；b)在外延層上生長第一布拉格反射鏡；c)在第二基片和第一布拉格反射鏡的外延片上塗上粘合劑，面對面貼合在一起；d)去除第一基片，在第二基片上留下帶有反射鏡的外延層；e)然後在外延層上按照外延材料系對應的微機械製作工藝製作微腔可調探測器；以及f)在上面生長第二布拉格反射鏡；其中第一、第二布拉格反射鏡的材料是SiO2/Si，Al2O3/Si，SiNxOy/Si。
其中旋塗上粘合劑後進行下一步工藝之前需要先經過50～150℃、1～30小時低溫烘烤，以提高鍵合強度，退火時需要在樣品上施加0.1～3kg/cm2的壓力。
其中步驟e)包括兩次掩膜、光刻、刻蝕形成雙臺面結構，進一步進行掩膜、光刻和刻蝕，形成懸臂梁結構，生長絕緣層，光刻並刻蝕出電極孔，然後一次性生長形成第一電極，第二電極和第三電極。
本發明揭示的高效微機械可調諧共振腔增強型探測器及其製作方法，在該器件結構中上下反射鏡均採用SiO2/Si材料，5對SiO2/Si的反射率就可達99％，其材料可以採用PECVD(等離子體增強型氣相沉積)系統生長，成本低廉，有效的解決了InP/InGaAsP反射鏡價格昂貴的工藝難題，同時工藝簡單，適合工業生產。
為進一步說明本發明的技術內容，以下結合實施例及附圖詳細說明如後，其中圖1是常規微機械可調諧探測器的器件結構示意圖。
圖2A是典型共振腔探測器系統的響應曲線。
圖2B是典型的微機械懸臂梁結構的照片(俯視圖)。
圖3A～3I是本發明的微機械可調諧共振腔探測器的製作工藝流程圖。
具體實施例方式
請參閱圖3I，本發明一種高效微機械可調諧共振腔增強型探測器，其特徵在於，其結構包括一基片150；一鍵合界面層104，該鍵合界面層104製作於基片150之上，該鍵合界面層104是鍵合介質退火後形成，該層對長波長波段1.3～1.6μm的光透過性好；一第一反射鏡102，該第一反射鏡102製作於鍵合界面層104之上，該第一反射鏡102由鍵合界面層104的作用和基片150牢固粘合在一起，該第一反射鏡102和第二反射鏡122所用的材料是SiO2/Si，Al2O3/Si，SiNxOy/Si；
一外延層101，該外延層101製作於第一反射鏡102之上，該外延層101是共振腔的腔體部分，其中外延層101包括有源區110部分和機械調諧部分121，該機械調諧部分121的中間有一空氣腔123，該有源區110部分和機械調諧部分121一次性外延生成，在調諧區包含有犧牲層，釋放犧牲層後形成空氣腔123，用於調諧；該有源區110的材料是IV族材料，III-V族，II-VI族材料或者有機物材料，對長波長波段1.3～1.6μm的光吸收性好；一第二反射鏡122，該第二反射鏡122製作於外延層101之上；一保護層111，該保護層111製作在外延層101的表面和側面；以及第一、第二、第三電極A、B、C分別製作在外延層110和機械調諧部分121上。
請參閱圖3A～3H，本發明一種高效微機械可調諧共振腔增強型探測器的製作方法，其特徵在於，包括如下步驟a)在第一基片100上生長外延層101(圖3A)，它包括探測器有源區110和機械調諧區121，其中機械調諧區包括犧牲層(空氣腔123所在的外延層)；b)在外延層101上生長第一布拉格反射鏡102(圖3B)；c)在第二基片150和第一布拉格反射鏡102的外延片101上塗上粘合劑，面對面貼合在一起(圖3C)，其中旋塗上粘合劑後進行下一步工藝之前需要先經過50～150℃、1～30小時低溫烘烤，以提高鍵合強度，退火時需要在樣品上施加0.1～3kg/cm2的壓力；d)去除第一基片100，在第二基片150上留下帶有反射鏡的外延層101(圖3D)；e)然後在外延層上按照外延材料系對應的製作工藝製作雙臺面探測器(圖3E，3F，3G)；f)在上面生長第二布拉格反射鏡122(圖3H)；以及g)用選擇性腐蝕的方法釋放犧牲層，形成空氣腔(圖3I)。
其中第一、第二布拉格反射鏡102、122的材料是SiO2/Si，Al2O3/Si，SiNxOy/Si。
其中步驟e)中包括兩次掩膜、光刻、刻蝕形成雙臺面結構，進一步進行掩膜、光刻和刻蝕，形成懸臂梁結構(圖3E)，生長絕緣層，光刻並刻蝕出電極孔(圖3F)，然後一次性生長形成第一電極，第二電極和第三電極(圖3G)。
圖3A～3I揭示了圖3I所給出的微機械可調諧探測器的工藝流程示意圖。首先在第一基片100上生長探測器的外延層101(圖3A)。在一個最佳實施中，第一基片是InP基片，其外延結構如下表1外延層的結構示意圖
外延後，接著在外延層上用PECVD或者電子束蒸發的方法生長SiO2/Si布拉格下反射鏡102(圖3B)，在另一個最佳實施例中，SiO2/Si用Al2O3/Si替代。然後對布拉格反射鏡102和第二基片150進行化學清洗，烘乾後旋塗上矽乳膠(sol-gel)103、151，貼在一起(圖3C)。矽乳膠的配製參見「C.J.Brinker，K.D.Keefer，D.W.Schaefer and C.S.Ashley，「Sol-gel transition in simple silicates，」J.Non-Crystalline Solids，vol.48，pp.47-64，1982」，或者使用其他類似產品。接著進行熱處理，先低溫60～150℃烘烤3～30小時，在慢速升溫到250℃並保持1～10個小時，進一步提高鍵合強度。退火時一般需要施加一定的壓力，以獲得厚度均勻強度較高的鍵合界面。之後，用化學腐蝕或者配合使用機械減薄的辦法去除第一基片100。在第二基片150上留下生長有高反射率的反射鏡的外延層101。在一個最佳實施例中，第一基片100是InP基片，第二基片150是矽基片，去除InP基片的方法是使用HCl∶H3PO4＝1∶1腐蝕液(室溫)，腐蝕速率大約為2～3.2μm/min。
使用矽乳膠鍵合的方法，工藝要求低，鍵合之前無需對反射鏡進行拋光處理，而且用PECVD或者電子束蒸發的方法生長反射鏡，比起使用外延設備(如分子束外延設備MBE或者金屬有機物氣相外延設備MOCVD)生長厚度較大的反射鏡而言，其難度和成本都有大幅度降低，從而解決了長波長(尤其是1.55μm波段)共振腔探測器難以製作的難題。接著在外延層按照常規工藝製作微機械可調諧探測器，簡要步驟描述如下使用兩步掩膜及刻蝕，在外延層上刻蝕出雙臺面結構，如圖3E所示。根據器件功能，外延層分成兩部分，探測器有源區部分110(下臺面部分)和調諧區121(上檯面部分)，有源區部分主要包括探測器的D電極，本徵吸收區和n電極區，調諧區主要包括兩個電極層和中間犧牲層。在一個最佳實施例中，外延層結構如表1所示，有源區110包括表1中第3～10層，刻蝕下臺面時必須保證下臺面停止在第9層(n電極層)，以形成良好歐姆接觸，調諧區121主要包括表1中的第1～3層，第3層用作公共的電極層，刻蝕上檯面時必須停在第3層(p電極層)，以形成良好歐姆接觸。之後，進一步進行光刻，刻蝕，形成懸臂梁結構，其俯視圖見圖2B。接著生長絕緣層111，並刻蝕出電極孔和入光孔，見圖3F。之後使用帶膠剝離技術生長電極，剝離後形成電極A、B、C，電極B是公用電極，電極A和B用於接收探測器的光電流，電極B和C用於施加調諧電壓，如圖3G所示。在一個最佳實施例中，電極採用Ti/Pt/Au，它的優點是粘附性好，並且穩定性好。然後，帶膠生長上反射鏡122(圖3H)。在本實施例中，上反射鏡採用SiO2/Si材料，使用電子束蒸發的方法生長。最後，釋放犧牲層(圖3I)。在一個最佳實施例中，外延層採用InP基InGaAsP材料，犧牲層採用InP材料，見表1中第2層，腐蝕液採用HCl∶H3PO4(室溫)。自此，完成探測器的器件製作，解離，壓焊後，在電極B和C之間施加調諧電壓，在電極A和B之間收集探測器的光電流。光線垂直入射。
儘管本發明是通過各個實施例描述的，這不應該就認為它是本發明的所有內容或內涵。閱讀完上面本發明的詳細闡述後，毫無疑問，業內人士能夠對本發明的那些技術進行各種各樣的替換和修正。因此，可將本申請案底權利要求解釋成涵蓋在本發明原始精神與領域下的所有改變與修正。
權利要求
1.一種高效微機械可調諧共振腔增強型探測器，其特徵在於，其結構包括一基片；一鍵合界面層，該鍵合界面層製作於基片之上；一第一反射鏡，該第一反射鏡製作於鍵合界面層之上，該第一反射鏡由鍵合界面層的作用和基片牢固粘合在一起；一外延層，該外延層製作於第一反射鏡之上，它包括探測器有源區和機械調諧區，共同構成共振腔的腔體部分；一第二反射鏡，該第二反射鏡製作於外延層之上；一保護層，該保護層製作在外延層的表面和側面；以及第一、第二、第三電極分別製作在探測器有源區部分和機械調諧部分上。
2.根據權利要求1所述的高效微機械可調諧共振腔增強型探測器，其特徵在於，其中在機械調諧區的中間有一空氣腔，用於調諧。
3.根據權利要求1所述的高效微機械可調諧共振腔增強型探測器，其特徵在於，其中有源區的材料是IV族材料，III-V族，II-VI族材料或者有機物材料，對長波長波段1.3～1.6μm的光吸收性好。
4.根據權利要求1所述的高效微機械可調諧共振腔增強型探測器，其特徵在於，其中鍵合界面層是鍵合介質退火後形成，該層對長波長波段1.3～1.6μm的光透過性好。
5.根據權利要求1所述的高效微機械可調諧共振腔增強型探測器，其特徵在於，其中第一反射鏡和第二反射鏡所用的材料是SiO2/Si，Al2O3/Si，SiNxOy/Si。
6.一種高效微機械可調諧共振腔增強型探測器的製作方法，其特徵在於，包括如下步驟a)在第一基片上生長外延層，該外延層包括探測器有源區和調諧區，調諧區包含犧牲層；b)在外延層上生長第一布拉格反射鏡；c)在第二基片和第一布拉格反射鏡的外延片上塗上粘合劑，面對面貼合在一起；d)去除第一基片，在第二基片上留下帶有反射鏡的外延層；e)在外延層上按照外延材料系對應的製作工藝製作雙臺面探測器，形成懸臂梁結構；f)在上面生長第二布拉格反射鏡；以及g)用選擇性腐蝕的方法釋放犧牲層，形成空氣腔。
7.根據權利要求6所述的高效微機械可調諧共振腔增強型探測器的製作方法，其特徵在於，其中第一、第二布拉格反射鏡的材料是SiO2/Si，Al2O3/Si，SiNxOy/Si。
8.根據權利要求6所述的高效微機械可調諧共振腔增強型探測器的製作方法，其特徵在於，其中旋塗上粘合劑後進行下一步工藝之前需要先經過50～150℃、1～30小時低溫烘烤，以提高鍵合強度，退火時需要在樣品上施加0.1～3kg/cm2的壓力。
9.根據權利要求6所述的高效微機械可調諧共振腔增強型探測的製作方法，其特徵在於，其中步驟e)包括兩次掩膜、光刻、刻蝕形成雙臺面結構，進一步進行掩膜、光刻和刻蝕，形成懸臂梁結構，生長絕緣層，光刻並刻蝕出電極孔，然後一次性生長形成第一電極，第二電極和第三電極。
全文摘要
一種高效微機械可調諧共振腔增強型探測器，其特徵在於，其結構包括一基片；一鍵合界面層，該鍵合界面層製作於基片之上；一第一反射鏡，該第一反射鏡製作於鍵合界面層之上，該第一反射鏡由鍵合界面層的作用和基片牢固粘合在一起；一外延層，該外延層製作於第一反射鏡之上，它包括探測器有源區和機械調諧區，共同構成共振腔的腔體部分；一第二反射鏡，該第二反射鏡製作於外延層之上；一保護層，該保護層製作在外延層的表面和側面；以及第一、第二、第三電極分別製作在探測器有源區部分和機械調諧部分上。
文檔編號G02F2/00GK1812303SQ20051000626
公開日2006年8月2日 申請日期2005年1月27日 優先權日2005年1月27日
發明者毛容偉, 成步文, 左玉華, 餘金中, 王啟明 申請人:中國科學院半導體研究所