波导光探测器和异质结双极性晶体管的单片集成方法技术

本发明专利技术属光电技术领域，具体涉及一种波导光探测器和异质结双极性晶体管的单片集成方法，该方法通过在ＨＢＴ外延材料结构上，利用Ｚｎ扩散工艺将ＨＢＴ发射极区Ｎ型材料转变为Ｐ型材料，使其成为波导光探测器的上包层，同时实现ＰＮ结功能，而集电极部的材料同时可以作为波导光探测器的吸收层，次集电极部的材料则构成波导光探测器的下包层，实现在同一外延材料上实现波导光探测器和ＨＢＴ的单片集成，本方法充分兼容了ＨＢＴ和ＷＧＰＤ的工艺，实现了ＨＢＴ的发射极金属接触层和ＷＧＰＤ的Ｐ型欧姆接触层以及ＨＢＴ的集电极金属接触层和ＷＧＰＤ的Ｎ型欧姆接触层的同步完成，简化了材料结构，简化了工艺；同时降低了器件垂直高度差，易于金属互连，增加了器件的成品率和提高了器件的可靠性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属光电
，具体涉及一种波导光探测器和异质结双极性晶体 管的单片集成方法。技术背景随着光纤通信^t术的飞速发展，对高速、大容量的光电器件需求日益增长，而单片光电集成电路(0EIC)相比于混合集成电路，具有寄生效应小、体积小， 成品率高，装配容易，成本低，可靠性好等优点，从而成为当前高速光通信系 统关键器件研究的热点和未来发展的趋势。光探测器和跨阻放大器集成电路单片集成方案主要有pin-PD与HBT(Heterostructer bipolar transistor) /HEMT (Heigh electronic mobile transistor), MSM (Metal semiconckictor metal) - PD与HBT/醒T和WGPD(Waveguide photodiode)与HBT/腦T集成。与其他集成方案相比，pin-PD 与HBT (异质结双极性晶体管)集成方案由于其Pin光探测器采用HBT的集电结 形成，从外延材料结构到器件制作工艺基本与HBT集成电路工艺兼容，加之HBT 在工作频率、功耗和阈值电压均匀性等方面的优势，逐步形成高iiOEIC光接收 机的主流集成方案。目前^Jl的Pin/HBT 0EIC光接收机大多采用光正面入射方 式，由于兼顾Pin光探测器的响应度和HBT的工作频率，需要对HBT集电区厚度 进行折衷设计，这在某种程度上限制了 0EIC光接收机的性能，使得高速率和高 响应度、高灵敏度无法同时获得；而WGPD (波导光探测器)与HBT或HEMT集成 则可以克服这一限制，该方案主要优势在于WGPD结构中，光生载流子和光入射 吸收方向相互垂直，其特点是传输速率高，易于实现全光集成，成为当前高速、 大容量光通信关键器件领域的研究热点。目前，实现WGPD/HEMT或WGPD/HBT组合方式通常有以下两种方式 一是采4用二次外延技术，即生长完一类器件材料，将需要生长另一类器件的区域刻掉，然后在该区域再生长另一类器件材料结构；二是采用垂直堆栈结构，即WGPD 在下，HBT/HEMT在上，或是HBT/HEMT在下，WGPD在上。如德国的Heinrich-Her tz 研究所和日本NTT公司以及韩国均报道了上述的单片集成。上述两种实现单片集成的方法，都存在明显的不足，二次外延技术面临着 反应室腔体和芯片清洗、光刻对位等技术难题；而垂直堆栈结构面临外延材料 层数多，结构复杂，器件台面高、加工工艺难度大等问题。
技术实现思路
本专利技术需要解决的技术问题是提供一种波导光探测器和异质结双极性晶体 管的单片集成方法，该方法可以在同一外延材料上实现WGPD和HBT的单片集成， 同步完成HBT的发射极金属接触层和WGPD的P型欧姆接触层以及HBT的集电极 金属接触层和WGPD的N型欧姆接触层的加工，该方法具有材料结构简单，工艺 简单且兼容性好，加工容易的特点，同时降低了器件垂直高度差，易于金属互 联，器件成品率高、可靠性好。为解决上述问题，本专利技术所采取的技术方案是 一种波导光探测器和异质 结双极性晶体管的单片集成方法，该方法通过在HBT外延材料结构上，利用Zn 扩散工艺将HBT发射极区N型材料转变为P型材料,使其成为波导光探测器的上 包层，同时实现PN结功能，而集电极部的材料同时可以作为波导光探测器的吸 收层，次集电极部的材料则构成波导光探测器的下包层，实现在同一外延材料 上实现波导光探测器和HBT的单片集成，该方法包括以下步骤1 )在半绝缘衬底上用MOCVD系统或MBE系统生长HBT和WGPD共用外延材 料，依次生长緩冲层、欧姆接触层、集电极层、基极层、发射极层，2) 在步骤1)中形成的外延材料结构上，通过光刻工艺露出WGPD需要进 行Zn扩散的区域，用SiN作掩蔽进行Zn扩散，3) 利用半导体微细加工工艺中的光刻工艺和金属化工艺，蒸发多层金属 合金，同步完成HBT的发射极金属接触层和WGPD的P型欧姆接触电极层，4)采用光刻胶保护WGPD Zn扩散区域，余下的区域采用湿法腐蚀腐蚀掉 发射极层材料，直到露出基极层表面，接着进行光刻和金属化工艺，蒸发多层 金属合金，完成HBT的基极金属接触层，5 )利用光刻胶保护已完成的HBT的发射极-基极区域和WGPD Zn扩散区域， 接着腐蚀掉集电极层材料，直到露出欧姆接触层表面，6) 进行WGPD的脊型波导制作，利用光刻胶作掩蔽，采用ICP (Induced couple plasma )设备干法刻蚀和湿法腐蚀外延材料，直到露出欧姆接触层表面，7) 利用光刻工艺、金属化工艺、剥离工艺，在经过步骤5)、 6)后的欧姆 接触层表面蒸发多层金属合金，同步完成HBT的集电极金属层和WGPD的N型 欧姆接触层，8)进行器件隔离和介质钝化以及开孔互连，最终完成器件的制作。 所述半绝缘衬底为InP或GaAs材料。步骤1 )所述集电极层包括两层不同材料的次集电极层和非故意掺杂集电极 层，其次集电极层作为WGPD的下包层，非故意掺杂集电极层作为WGPD的吸收其两层同种或不同种材料不同浓度的发射极层作为WGPD的上包层。步骤2 )所述需要进行Zn扩散的区域为共用外延材料的发射极层的一部分， 该区域通过Zn扩散工艺使发射极层N型材料转变为WGPD的上包层的P型材料， 形成PN结。采用上述技术方案所产生的有益效果在于本专利技术的方法充分兼容了 HBT 和WGPD的工艺，实现了 HBT的发射极金属接触层和WGPD的P型欧姆接触层以 及HBT的集电极金属接触层和WGPD的N型欧姆接触层的同步完成，缩减了工艺 步骤，简化了工艺加工程序，本专利技术中HBT和WGPD共享外延材料结构，不仅可 以降低材料生长难度，而且可以简化材料结构；同时降低了器件垂直高度差， 易于金属互连，增加了器件的成品率和^提高了器件的可靠性。此外，HBT和WGPD共享外延材料结构的单片光电集成由于相对实现了准平面，该方法还可用于集成更多的器件，如激光器，调制器等全光集成电路。 附图说明图1是本专利技术WGPD和HBT的共享外延材料结构示意图；图2是本专利技术图1结构上实现WGPD的P型上包层和PN结功能的区域进行 Zn扩散后的结构示意图；图3是本专利技术图2蒸发HBT发射极金属层和WGPD的P型欧姆接触金属层后 的结构示意图；图4是本专利技术结构图3腐蚀金属层和Zn扩散区域之外的区域并进行蒸发HBT基极金属层后的示意图；图5是本专利技术图4腐蚀掉集电极层后的结构示意图；图6是本专利技术图5用干法刻蚀和湿法腐蚀后结构示意图；图7是本专利技术图6蒸发HBT集电极金属层和WGPD的N型欧姆接触金属层后的结构示意图；图8是本专利技术图7进行器件隔离和介质钝化以及开孔互连后的结构示意图； 图9是本专利技术加工完成的WGPD和HBT的光电单片集成芯片结构示意图。 其中1、半绝缘InP衬底，2、 N-InP緩冲层，3、 N-InGaAs欧姆接触层， 4、 N-InP次集电极层，5、 N-InGaAsP次集电极层，6、 非故意掺杂InGaAs集 电极层，7、 P-InGaAs基极层，8、 N-InP发射极层，9、 N-InP发射极层，10、 N-InGaAs发射极帽层，20、 Zn扩散区域，21、 HBT的发射极金属接触层，22、 WGPD的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种波导光探测器和异质结双极性晶体管的单片集成方法，其特征在于：该方法通过在ＨＢＴ外延材料结构上，利用Ｚｎ扩散工艺将ＨＢＴ发射极区Ｎ型材料转变为Ｐ型材料，使其成为波导光探测器的上包层，同时实现ＰＮ结功能，而集电极部的材料同时可以作为波导光探测器的吸收层，次集电极部的材料则构成波导光探测器的下包层，实现在同一外延材料上实现波导光探测器和ＨＢＴ的单片集成，该方法包括以下步骤：　１）在半绝缘衬底上用ＭＯＣＶＤ系统或ＭＢＥ系统生长ＨＢＴ和ＷＧＰＤ共用外延材料，依次生长缓冲层、欧姆接触层、集电极层、基极层、发射极层，　２）在步骤１）中形成的外延材料结构上，通过光刻工艺露出ＷＧＰＤ需要进行Ｚｎ扩散的区域，用ＳｉＮ作掩蔽进行Ｚｎ扩散，　３）利用半导体微细加工工艺中的光刻工艺和金属化工艺，蒸发多层金属合金，同步完成ＨＢＴ的发射极金属接触层和ＷＧＰＤ的Ｐ型欧姆接触电极层，　４）采用光刻胶保护ＷＧＰＤ　Ｚｎ扩散区域，余下的区域采用湿法腐蚀腐蚀掉发射极层材料，直到露出基极层表面，接着进行光刻和金属化工艺，蒸发多层金属合金，完成ＨＢＴ的基极金属接触层，　５）利用光刻胶保护已完成的ＨＢＴ的发射极－基极区域和ＷＧＰＤ　Ｚｎ扩散区域，接着腐蚀掉集电极层材料，直到露出欧姆接触层表面，　６）进行ＷＧＰＤ的脊型波导制作，利用光刻胶作掩蔽，采用ＩＣＰ设备干法刻蚀和湿法腐蚀外延材料，直到露出欧姆接触层表面，　７）利用光刻工艺、金属化工艺、剥离工艺，在经过步骤５）、６）后的欧姆接触层表面蒸发多层金属合金，同步完成ＨＢＴ的集电极金属层和ＷＧＰＤ的Ｎ型欧姆接触层，　８）进行器件隔离和介质钝化以及开孔互连，最终完成器件的制作。...

【技术特征摘要】
1、一种波导光探测器和异质结双极性晶体管的单片集成方法，其特征在于该方法通过在HBT外延材料结构上，利用Zn扩散工艺将HBT发射极区N型材料转变为P型材料，使其成为波导光探测器的上包层，同时实现PN结功能，而集电极部的材料同时可以作为波导光探测器的吸收层，次集电极部的材料则构成波导光探测器的下包层，实现在同一外延材料上实现波导光探测器和HBT的单片集成，该方法包括以下步骤1)在半绝缘衬底上用MOCVD系统或MBE系统生长HBT和WGPD共用外延材料，依次生长缓冲层、欧姆接触层、集电极层、基极层、发射极层，2)在步骤1)中形成的外延材料结构上，通过光刻工艺露出WGPD需要进行Zn扩散的区域，用SiN作掩蔽进行Zn扩散，3)利用半导体微细加工工艺中的光刻工艺和金属化工艺，蒸发多层金属合金，同步完成HBT的发射极金属接触层和WGPD的P型欧姆接触电极层，4)采用光刻胶保护WGPD Zn扩散区域，余下的区域采用湿法腐蚀腐蚀掉发射极层材料，直到露出基极层表面，接着进行光刻和金属化工艺，蒸发多层金属合金，完成HBT的基极金属接触层，5)利用光刻胶保护已完成的HBT的发射极-基极区域和WGPD Zn扩散区域，接着腐蚀...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡道民，李献杰，赵永林，齐丽芳，曾庆明，尹顺正，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第十三研究所，
类型：发明
国别省市：13[中国|河北]