纳米波导结构半导体光探测器制备方法技术

本发明专利技术涉及一种纳米波导结构半导体光探测器的制备方法，包括以下步骤：在半绝缘衬底上生长光探测器的外延材料，依次生长缓冲层，底部谐振腔反射镜，下隔离层，探测器吸收层，上隔离层，顶部谐振腔反射镜；在光探测器顶部欲作为反射镜的薄膜上实现具有特定几何图样的有限周期数目纳米波导结构；去除没有进行保护的区域，直到露出欧姆接触层表面；在欧姆接触层表面蒸发多层金属合金，同步完成垂直腔型光探测器的欧姆接触层；进行光探测器的隔离和介质钝化以及开孔互连，得到所需光探测器。其可作为光探测器谐振腔的宽带高反射率反射镜、偏振控制器或自聚焦透镜，解决工作在光通信用长波长波段的半导体光探测器中磷化铟基材料的制约。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种应用新型有限周期数目纳米波导结构的半导体光探测器。特别涉 及了光探测器中具有不同周期维度，不同几何形状的纳米微结构的制备方法。
技术介绍
随着加工工艺(例如半导体外延生长技术、光刻技术、纳米压印技术等)的不断 发展，具备优异的光电特性的有限周期数目纳米结构的制备瓶颈逐渐被攻克，这种新颖的 功能性材料在传感、集成光学、全息处理等众多领域中起着日益重要的作用，可以充当高性 能的互联波导、滤波器以及偏振分束器。目前光通信技术的发展中遇到一个严重阻碍是绝大多数能够工作在通信用长波 长波段的半导体光探测器的研制受到材料固有性质的制约，即由于磷化铟(InP)基衬底上 外延生长的材料系的折射率差通常很小(约0. 15)，因此很难实现高反射率的分布布拉格 反射镜(DBR)，也就难以实现高品质的光学谐振腔。
技术实现思路
本专利技术的目的是在半导体外延层上实现集成了有限周期数目纳米波导结构的光 探测器，这种纳米波导结构的类型包括矩形条状有限周期数目纳米波导结构、单层网格状 有限周期数目纳米波导结构、多层网格状有限周期数目纳米波导结构和有限周期数目纳米 线阵列。它们可以作为光电探测器中谐振腔反射镜。本专利技术提供一种具有纳米微结构波导的半导体光探测器的制备方法，包括以下步 骤1)在半绝缘衬底上生长光探测器的外延材料，依次生长缓冲层，底部谐振腔反射 镜，下隔离层，探测器吸收层，上隔离层，顶部谐振腔反射镜；2)通过步骤1)，在光探测器顶镜外延层上加工具有特定几何图样的有限周期数 目纳米波导结构；3)刻蚀掉没有保护的区域，直到露出欧姆接触层表面；4)利用光刻工艺，金属化工艺，剥离工艺，经过步骤3)后，再欧姆接触层表面蒸发 多层金属合金，同步完成垂直腔型光探测器的欧姆接触层；5)进行光探测器的隔离和介质钝化以及开孔互连，得到所需光探测器。所述步骤1)中在半绝缘衬底上用金属有机物气相沉积(MOCVD)系统或分子束外 延(MBE)系统生长垂直腔型光探测器的外延材料，下隔离层为η型掺杂，上隔离层为ρ型掺ο所述步骤2)中光探测器顶镜所具有的特定几何图样，即有限周期数目纳米波导 结构，是通过光刻、纳米压印技术实现的。所述步骤3)采用光刻胶保护纳米微结构图样，没有进行保护的区域采用湿法腐 蚀技术除去指定区域的外延材料，直到露出欧姆接触层表面。所述纳米波导结构为矩形条状、单层网格状或多层网格状有限周期数目纳米结 构。步骤1所述半绝缘衬底为掺杂或不掺杂的InP或砷化镓(GaAs)或硅(Si)材料， 缓冲层与衬底材料相同，用于缓解异质外延之间的晶格失配，底部和顶部谐振腔反射镜由 两种折射率不同的半导材料体交替生长构成的DBR堆栈。步骤2所述纳米微结构图形采用 以模板为基础的纳米压印方式制造，以压印机将具特定图案的模子施加于渡有高分子光阻 层的基板上，待降温后，移除模板，即可在光阻层形成所要图案。纳米微结构波导外围由低 折射材料包围，波导周期长度小于入射激光波长。采用上述方法的效益在于利用纳米微结构波导实现反射镜可以使探测器的综合 性能，比如量子效率，抗串扰衰减得到改进，而且纳米微结构波导实现反射镜，需要的介质 层数小于达到同样反射性能的DBR的层数，有效地解决了铟镓砷磷(InGaAsPVlnP系DBR 反射率低、反射带宽窄以及制备困难的问题。为实现高性能长波长光探测器提供了新途径。实现具有指定占空比、周期长度及厚度的矩形条状有限周期数目纳米结构或单 层、多层网格状有限周期数目纳米波导结构或有限周期数目纳米线阵列结构。利用目前成熟的半导体外延技术可以在纳米量级精度加工指定厚度的由多种材 料构成的薄膜，利用光刻技术、纳米压印技术等半导体器件后工艺手段，可以加工出具有上 述波导，本专利技术的优点在于相比多层(通常在20层左右)介质堆栈膜系构成的DBR，纳米波 导所需外延生长的材料层数目更少，简化了外延生长工艺流程，且反射特性更加优越，应用 于光通信用垂直腔型探测器中可以获得更高的量子效率。如选择InP材料衬底，最外层为 真空，设横电(TE)模电磁波从探测器顶部垂直入射，在InP衬底上外延生长4对InGaAsP/ InP四分之一波长DBR堆栈后，由InGaAsP材料构成矩形条状波导周期结构，周期200nm，占 空比70%，其余部分填充空气，波导结构厚度为0. Ιμπι，反射镜在中心波长处的反射率大 于99%时，在1.40至1.62 μ m范围内反射率高于99%，如将其作为垂直腔型光电探测器中 的顶镜，可以使光电探测器的量子效率在1.55 μ m中心波长处高于80%，如果将顶镜替换 成传统DBR结构，所用材料、层数、厚度皆不变，量子效率则降低至40%以下，如果需要提高 量子效率至80 %，则同样材料的DBR膜系层数需要超过60层。目前，部分研究者提出将光子晶体引入垂直腔表面发射激光器(VCSEL)中，作为 谐振腔的反射镜，能够使器件的结构更加紧凑，并通过精确设计光子晶体的结构，微腔模式 体积达到了光波波长量级，极大地提高了自发发射因子。借鉴这种思想，本专利技术将光子晶体 替换为纳米波导结构，并将其应用于具有垂直腔结构的光探测器中的反射镜中。由于波导的尺寸小于入射光波，并且具有特定的图样，根据半导体介质表面等离 子体极化效应，纳米波导可充当红外反射镜，它能够在光通信波段1. 55 μ m附近，实现高反 射率(超过99% )，宽反射带(超过200nm的波长范围内实现反射率超过95% )，而且所需 要的波导材料层数小于实现同样性能的由四分之一波长薄膜堆栈叠加构成DBR，而DBR反 射镜则是垂直腔型光探测器的重要组成部分。目前光通信探测器中遇到的困难是大多数能够工作在1.55μπι波段的半导体光 探测器的研制受到材料固有性质的制约，例如InP基衬底上外延生长的材料系的折射率差 通常很小(约0. 15)，因此很难实现高反射率DBR。换言之，如果实现高反射率(R>99%)， 宽带(在1.55μπι波长附近，满足高于R>95%的波长范围在几十纳米)需要构成DBR的InP基薄膜层数超过数十层，而且对每一层薄膜的厚度都要进行严格控制(精度达到Inm)， 这就对工艺提出了苛刻的要求，导致难以实现高品质的光学谐振腔。因此本专利技术提出的纳 米波导结构代替垂直腔光探测器中的DBR，可以提高谐振性能，由于反射镜的反射率提高， 根据垂直腔型光探测器量子效率计算公式发现，器件会具有更高的量子效率，同时得益于 纳米波导结构在高反射率范围内存在平坦的反射谱，可使探测器的量子效率在预期波长范 围内保持稳定，从而使光探测器能够容忍接收光信号的波长漂移，提高了器件的接收稳定 性，同时也降低了工艺复杂度，因为达到满足探测器性能时所需的纳米波导的材料层数一 般不超过10层。通过仔细调节波导的关键尺寸参数，如厚度，周期，占空比等，可以实现极 高反射率的宽带反射性能，故本专利技术涉及的纳米波导可以在提升光探测器灵敏度，响应速 度和结构紧凑化方面发挥重要应用作用。最后，之所以没有与本专利技术类似方案，一方面是因为光电二极管(PIN)已经凭借 其低廉成本，满足一般商用需要而取得广泛应用，并且不需要内部集成谐振腔，因此人们对 光探测器的研究热情不高，同时也限制了研究思路，认为谐振结构对于探测器不是必本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米波导结构半导体光探测器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：１）在半绝缘衬底上生长光探测器的外延材料，依次生长缓冲层，底部谐振腔反射镜，下隔离层，探测器吸收层，上隔离层，顶部谐振腔反射镜；２）在步骤１）中形成的外延材料结构上，在光探测器顶镜上实现具有特定几何图样的有限周期数目纳米结构；３）去除非图形区域，直到露出欧姆接触层表面；４）利用光刻工艺，金属化工艺，剥离工艺，在经过步骤３）后的欧姆接触层表面蒸发多层金属合金，同步完成垂直腔型光探测器的欧姆接触层；５）进行光探测器的隔离和介质钝化以及开孔互连，得到所需光探测器。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨一粟，黄永清，任晓敏，段晓峰，黄辉，王琦，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]