背照式高速光电二极管接收芯片及其制作方法技术

本发明专利技术提出了一种背照式高速光电二极管接收芯片及其制作方法，芯片包括：外延层，包括P型台面、N型台面、磷化铟衬底；P型台面包括铟砷化镓吸收层、磷砷化镓铟渐变层、反射镜面层、磷化铟顶层、铟砷化镓接触层；N型台面包括磷化铟缓冲层；其中，磷化铟衬底上依次生长磷化铟缓冲层，铟砷化镓吸收层、磷砷化镓铟渐变层、反射镜面层、磷化铟顶层、铟砷化镓接触层；集成微透镜，设置于磷化铟衬底的一侧，且集成微透镜与磷化铟缓冲层在磷化铟衬底的不同侧。本发明专利技术能够在确保芯片扩散源区面积保持不变的情况下，扩展芯片的光吸收面积，解决芯片扩散源区面积小所导致的耦合效率低的问题，以及加入反射镜面层能够使芯片的量子效率得到改善。

Back illuminated type high-speed photodiode receiving chip and manufacturing method thereof

The invention provides a backlight type high speed photodiode receiver chip and manufacturing method thereof, chip includes an epitaxial layer, including P N, mesa mesa, mesa type InP substrate; P GaAs layer including indium, indium gallium arsenide phosphide graded layer and a reflecting mirror surface layer, indium phosphide and indium gallium arsenide top contact layer N; mesa including InP buffer layer; wherein the InP substrate in turn on the growth of InP buffer layer, absorbing layer, indium gallium arsenide InGaAsP graded layer, mirror layer, indium phosphide and indium gallium arsenide top contact layer; integrated micro lenses arranged on the side of InP substrate, and integrated microlens with InP buffer layer on InP substrate on different sides. The invention can ensure the chip diffusion source area remains unchanged, the light absorption area expansion chip, chip solution diffusion coupling efficiency source area to the small low, and join the mirror layer can make the quantum efficiency of the chip is improved.

【技术实现步骤摘要】
背照式高速光电二极管接收芯片及其制作方法
本专利技术涉及芯片
，具体而言，涉及一种背照式高速光电二极管接收芯片及其制作方法。
技术介绍
随着光纤入户HTTP的推广和5G基站的建设，对高速光电二极管光接收芯片的需求也日趋迫切。目前10G高速光电二极管接收芯片已经成为现在技术应用的主流产品，25G、100G、400G的光电二极管接收芯片需求也处于高速发展的上升阶段。光电二极管接收芯片的速率主要取决于两个方面影响：一是由芯片光生载流子漂移速度所决定的渡越时间，如公式所示，其中υ为光生载流子的漂移速度，基本上为定值6×106cm/s，L为芯片外延结构所设计的InGaAs吸收层的长度，通常为1μm至3μm。另一部分影响芯片速率的关键因素是由芯片电容所决定的RC时间常数，如公式所示，其中R为芯片电阻，基本上也为定值60Ω，C为芯片结电容。所以，为了尽可能的提高芯片速率，就必须尽可能的减小芯片电容和芯片外延结构中InGaAs吸收层的长度，而根据芯片电容的计算公式可知在芯片材料介电系数ε一定的情况下，芯片电容主要取决于芯片的扩散源区面积和芯片InGaAs吸收层的长度。InGaAs吸收层的长度越长，电容会越小，但芯片的渡越时间会更长，f3dB-TT会变大，所以，目前通常提高接收芯片速率最直接的办法是需要通过缩小芯片扩散源区面积，来实现减小芯片电容，提高芯片速率的目的。根据理论推算，为了达到20GHz以上的速率，通常需要将芯片扩散源区的直径控制到20μm以下，以降低芯片电容，同时需要将芯片的InGaAs吸收层长度控制在1μm至1.5μm，以缩短芯片的载流子渡越时间。但这也同时导致了两方面的缺陷：(1)过小的芯片扩散源区的面积，将严重的影响芯片使用过程中与输入光纤的耦合效率，当芯片源区直径小于20μm时，芯片使用过程中的耦合效率将下降约50％；(2)短的芯片InGaAs吸收层长度将导致芯片光生载流子量子效率η降低，根据芯片量子效率的计算公式η＝1-exp(-αL)，其中α为吸收系数，由芯片InGaAs吸收层的材料和接收波长决定，基本为定值，故InGaAs吸收层长度越小，光生量子效率将会越低，根据计算，当InGaAs吸收层长度低于1.5μm时，InGaAs材料针对1310nm和1550nm波长的光生载流子量子效率将低于70％。现有技术中光接收芯片通常采用如图1所示的正入光方式的芯片结构，InP衬底102’，InP缓冲层104’，InGaAs吸收层106’，InP顶层108’，钝化膜110’，增透膜112’，扩散源区114’，芯片正电极116’，芯片负电极118’，入射光通常从芯片扩散源区114’上表面入射芯片，但为了使芯片速率高于20GHz，该扩散源区114’的直径D通常设计都小于20μm，而芯片InGaAs吸收层106’的长度L通常设计为1μm至1.5μm，所以，通常这种结构的高速芯片普遍存在耦合效率低、量子效率低等应用缺陷。
技术实现思路
本专利技术旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出了一种背照式高速光电二极管接收芯片。本专利技术的另一个目的在于提出了一种背照式高速光电二极管接收芯片的制作方法。有鉴于此，根据本专利技术的一个目的，提出了一种背照式高速光电二极管接收芯片，包括：外延层，包括P型台面、N型台面、磷化铟衬底；P型台面包括铟砷化镓吸收层、磷砷化镓铟渐变层、反射镜面层、磷化铟顶层、铟砷化镓接触层；N型台面包括磷化铟缓冲层；其中，磷化铟衬底上依次生长磷化铟缓冲层，铟砷化镓吸收层、磷砷化镓铟渐变层、反射镜面层、磷化铟顶层、铟砷化镓接触层；集成微透镜，设置于磷化铟衬底的一侧，且集成微透镜与磷化铟缓冲层在磷化铟衬底的不同侧。本专利技术提供的背照式高速光电二极管接收芯片，通过设计P型台面、N型台面降低芯片的分布参数，从而达到提升芯片带宽的目的，通过采用在芯片背面集成微透镜，在确保芯片扩散源区面积保持不变的情况下，扩展芯片的光吸收面积，解决现有高速光接收芯片存在的芯片扩散源区面积小所导致的耦合效率低的问题。在芯片原有设计吸收区长度保持不变的情况下，在芯片外延层设计中加入了由P型AlGaAs多量子阱结构构成的反射镜面层，通过特殊的量子阱结构设计，使外延层对入射光的反射率到达99％以上，从而使入射光入射到该层时，产生近似全反射，从而在芯片铟砷化镓吸收层进行再次吸收产生光生载流子，相当于在不改变原有铟砷化镓吸收层厚度的情况下，将芯片的吸收长度拓展了近一倍，以使芯片的量子效率得到改善。在芯片外延层设计增加了磷化铟顶层，通过磷化铟顶层与芯片正电极接触，通过快速合金工艺形成欧姆接触，大大降低芯片电极的接触电阻。在反射镜面层与铟砷化镓吸收层之间增加磷砷化镓铟渐变层，可以明显减小芯片光生载流子在铟砷化镓吸收层与反射镜面层之间由于禁带宽度差所导致的载流子堆积时间，从而减少芯片光生载流子的传输时间。根据本专利技术的上述背照式高速光电二极管接收芯片，还可以具有以下技术特征：在上述技术方案中，优选地，还包括：增透膜，设置于集成微透镜与磷化铟衬底之间；其中，增透膜的厚度为至在该技术方案中，增透膜，设置于集成微透镜与磷化铟衬底之间，且增透膜的厚度为至能对1310nm和1550nm波长的入射光起到增透的作用，折射率为1.94至1.98。在上述任一技术方案中，优选地，还包括：芯片正电极，设置于P型台面上，与铟砷化镓接触层相连接；芯片负电极，设置于N型台面上，与磷化铟缓冲层相连接。在该技术方案中，芯片正电极设置于P型台面上，与铟砷化镓接触层相连接，芯片负电极设置于N型台面上，与磷化铟缓冲层相连接，芯片正电极通常采用Ti/Pt/Au膜系构成，其中Ti厚度至Pt厚度至Au厚度大于芯片负电极通常采用Au构成，厚度要求大于在上述任一技术方案中，优选地，还包括：保护介质膜，设置于P型台面的侧壁以及N型台面的侧壁，且位于P型台面的侧壁以及N型台面的侧壁与芯片正电极之间；其中，保护介质膜的厚度大于4μm。在该技术方案中，在芯片P型台面和N型台面侧壁制作的保护介质膜，为了降低芯片电容，该介质膜通常采用聚酰亚胺(PI)或苯并环丁烯(BCB)胶膜保护，聚酰亚胺(PI)和苯并环丁烯(BCB)具有较低的材料介电常数，可以最大限度的降低芯片电容，胶膜厚度要求大于4μm。在上述任一技术方案中，优选地，还包括：扩散源区，扩散源区的扩散范围由铟砷化镓接触层至铟砷化镓吸收层；以及扩散源区在铟砷化镓吸收层上的扩散深度为0.1μm±0.05μm；其中，扩散源区的直径为15μm至25μm。在该技术方案中，采用Zn扩散所形成扩散源区的扩散深度要求能进入芯片铟砷化镓吸收层，且进入深度为0.1μm±0.05μm，该扩散源区的直径要求为15μm至25μm之间，进而降低芯片结电容，扩散表面浓度要求大于3×1018/cm-3。在上述任一技术方案中，优选地，集成微透镜的圆心与扩散源区的中心位于同一垂直中心位置；以及集成微透镜的半径为40μm至80μm。在该技术方案中，在芯片磷化铟衬底上集成半径为40μm至80μm的芯片集成微透镜，该集成微透镜可采用ICP-RIE刻蚀或光刻湿法腐蚀的方法制得，且该集成微透镜的中心点需要与芯片扩散源区中心点在同一垂直中心线上，误差小于±5μm。在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种背照式高速光电二极管接收芯片，其特征在于，包括：外延层，包括P型台面、N型台面、磷化铟衬底；所述P型台面包括铟砷化镓吸收层、磷砷化镓铟渐变层、反射镜面层、磷化铟顶层、铟砷化镓接触层；所述N型台面包括磷化铟缓冲层；其中，所述磷化铟衬底上依次生长所述磷化铟缓冲层，所述铟砷化镓吸收层、所述磷砷化镓铟渐变层、所述反射镜面层、所述磷化铟顶层、所述铟砷化镓接触层；集成微透镜，设置于所述磷化铟衬底的一侧，且所述集成微透镜与所述磷化铟缓冲层在所述磷化铟衬底的不同侧。

【技术特征摘要】
1.一种背照式高速光电二极管接收芯片，其特征在于，包括：外延层，包括P型台面、N型台面、磷化铟衬底；所述P型台面包括铟砷化镓吸收层、磷砷化镓铟渐变层、反射镜面层、磷化铟顶层、铟砷化镓接触层；所述N型台面包括磷化铟缓冲层；其中，所述磷化铟衬底上依次生长所述磷化铟缓冲层，所述铟砷化镓吸收层、所述磷砷化镓铟渐变层、所述反射镜面层、所述磷化铟顶层、所述铟砷化镓接触层；集成微透镜，设置于所述磷化铟衬底的一侧，且所述集成微透镜与所述磷化铟缓冲层在所述磷化铟衬底的不同侧。2.根据权利要求1所述的背照式高速光电二极管接收芯片，其特征在于，还包括：增透膜，设置于所述集成微透镜与所述磷化铟衬底之间；其中，所述增透膜的厚度为至3.根据权利要求1所述的背照式高速光电二极管接收芯片，其特征在于，还包括：芯片正电极，设置于所述P型台面上，与所述铟砷化镓接触层相连接；芯片负电极，设置于所述N型台面上，与所述磷化铟缓冲层相连接。4.根据权利要求1所述的背照式高速光电二极管接收芯片，其特征在于，还包括：保护介质膜，设置于所述P型台面的侧壁以及所述N型台面的侧壁，且位于所述P型台面的侧壁以及所述N型台面的侧壁与所述芯片正电极之间；其中，所述保护介质膜的厚度大于4μm。5.根据权利要求1所述的背照式高速光电二极管接收芯片，其特征在于，还包括：扩散源区，所述扩散源区的扩散范围由所述铟砷化镓接触层至所述铟砷化镓吸收层；以及所述扩散源区在所述铟砷化镓吸收层上的扩散深度为0.1μm±0.05μm；其中，所述扩散源区的直径为15μm至25μm。6.根据权利要求1至5中任一项所述的背照式高速光电二极管接收芯片，其特征在于，所述集成微透镜的圆心与所述扩散源区的中心位于同一垂直中心位置；以及所述集成微透镜的半径为40μm至80μm。7.根据权利要求1至5中任一项所述的背照式高速光电二极管接收芯片...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨彦伟，陆一峰，刘格，刘胜宇，刘宏亮，
申请(专利权)人：深圳市芯思杰联邦国际科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44