本发明专利技术是一种砷化镓基单片光电子集成接收机前端结构及其制作方法。针对通常采用共源－共栅结构作为增益单元的分布放大器，提出了包括栅传输线输入微带直线布局、漏传输线正反向终端微带阻抗调整、以及增益单元中电阻和若干微带线阻抗调整的方法，获得良好频域和时域响应；整合了砷化镓ＰＨＥＭＴ放大器工艺与ＭＳＭ光探测器工艺，采用反应离子刻蚀形成光探测器台面工艺、ＭＳＭ光探测器叉指电极与ＰＨＥＭＴ器件栅电极分先后制作工艺、以及三次氮化硅介质淀积形成ＭＳＭ光探测器增透和钝化介质工艺。优点：分布放大器布局紧凑，其带宽优势得到充分发挥，综合性能良好；单片集成工艺合理，兼顾ＰＨＥＭＴ放大器与ＭＳＭ光探测器特点，流水效率高。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及的是一种单片光电子集成接收机前端结构及制作方法，尤其是一种砷 化镓赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)放大器与金属-半导体-金属光探测器(MSM PD) 单片集成的设计及制造工艺，属于单片微波集成电路和光电子技术的交叉领域。
技术介绍
单片光电子集成将激光器、光探测器等光电子器件与前置放大器、限幅放大器等 微波电路制作在同一衬底之上(单芯片)，以最大程度地减小互联寄生参数对器件最高工 作速率的限制，并且消除或减少了互联焊点而有利于提高集成器件的可靠性。光探测器与 前置放大器组成的光接收机前端是单片光电子集成的两个主要方向之一。光探测器通常采 用PIN、APD和MSM三种形式，各具特点，从单片集成的角度考虑，MSM光探测器为平面结构， 工艺相对简单，易于集成，而且其电容仅为相同光敏面积PIN光探测器的l/4 l/5，在高速 率应用中具有优势。单片集成光接收机前端通常采用光探测器在上、放大电路在下的重叠 结构，因此流水过程中电路区域的上层光探测器材料需要被去除，然后才能进行放大电路 有源和无源元件的加工。由于光电转换效率的要求，光探测器通常具有较厚(微米量级) 的有源区，而高速化合物半导体微波器件层结构通常为深亚微米或数十纳米量级，流水中 将较厚的光探测器材料均匀地去除而不对其下的微波器件材料带来不利影响是一项难度 很大的工作，极具挑战性。 一般采用干法刻蚀或者湿法刻蚀终止技术来完成该区域的加工， 不过由于光探测器有源层刻蚀技术是单片光电集成接收机前端研制中的关键环节，在公开 发表的论文中，国内外研究者一般只是简单提及，或者回避这个问题，鲜有详细论述。前置 放大器是单片光电集成接收机前端的另一个组成部分，其增益、带宽和噪声性能的优化存 在冲突，需要根据实际目标进行折衷。相对于以跨阻放大器为代表的集总参数放大器，分布 参数放大器将晶体管输入、输出电容纳入人工传输线(ATL)结构，克服了前者难以避免的 宽带匹配问题，极大地拓展了带宽。分布放大器栅、漏传输线特性阻抗、截止频率、终端负载 等决定了其主要电学性能，而由于分布效应的存在，传输线布局在很大程度上影响了上述 特性，目前的设计中大量存在传输线布局可进一步改进的情况，这在一定程度上制约了分 布放大器带宽优势的充分发挥。此外，分布式放大器多采用共源-共栅(Cascode)结构， 通过调整其中的电阻与若干段微带线来获得需要的增益曲线，由于这些元件涉及放大器噪 声、增益、群延迟等性能，需要确定有效的调整方法以获得综合性能优良的前置放大器。
技术实现思路
本专利技术提出，MSM光探 测器叉指电极长度、宽度和间距设计兼顾量子效率和工作速率的要求，表面覆盖一定厚度 的氮化硅介质作为增透层和钝化层。PHEMT分布式前置放大器采用Cascode结构作为增益 单元，确立了一种方法来调整该单元中相关电阻与微带线阻抗，以获得适当的负阻效应而 在一定程度上补偿漏传输线损耗，并得到小的噪声系数与较为一致的信号群延迟；采用最短栅传输线直线布局，以消除微带线弯折带来的额外电容，有利于提高传输线截止频率，以 及縮短漏传输线中相位匹配微带线和输出微带线的长度；适当增大漏传输线反向输出末端 微带线阻抗、减小正向输出末端微带线阻抗以提高放大器高频增益。 本专利技术的技术解决方案一种砷化镓基单片光电子集成接收机前端结构，其结构 是包括分布式前置放大器和光探测器，其中分布式前置放大器PHEMT器件源极长度和宽度 为10 ii m和50 ii m、栅电极长度和宽度分别是0. 5 y m和100 y m、漏极长度和宽度分别是 10 m和50 m ;放大器采用7个共源-共栅结构作为增益单元，栅传输线终端负载、漏传 输线反向终端负载阻抗均为50 Q ，栅传输线输入微带宽度10 m、长度1780 y m，共栅晶体 管栅端串联电阻阻值15Q、共栅晶体管栅偏置电阻阻值148Q，电容为2. lpF，共源晶体管 源端微带宽度和长度分别是10 m和200 m、共源晶体管漏端与共栅晶体管源端之间的微 带宽度和长度分别是16 m和554 m，微带线宽度和长度分别是20 y m和50 y m，共栅晶体 管漏端微带宽度和长度分别是16 m和610 m，放大器输出端微带传输线宽度20 y m、长度 3120 ii m，放大器漏传输线正向输出端口微带线宽度和长度分别是30 ii m和270 y m，放大器 漏传输线反向输出端口微带线宽度和长度分别是llPm和60iim;光探测器叉指电极宽度 和长度0. 75 ii m，电极间距0. 75 y m。 —种砷化镓基单片光电子集成接收机前端结构及制作方法，包括如下设计 —、砷化镓基单片光电子集成接收机前端中的分布式前置放大器输入端微带传输线采用直线布局，其长、宽数值与晶体管输入电容及所传输的信号功率相匹配； 二、放大器漏传输线反向输出端口微带线宽度小于放大器输出端微带传输线的宽度，放大器漏传输线正向输出端口微带线宽度大于放大器输出端微带传输线的宽度，即适当增大反向端口微带阻抗，同时减小正向输出端口微带阻抗； 三、调整共源晶体管源端微带、共源晶体管漏端与共栅晶体管源端之间的微带、微 带阻抗及共栅晶体管栅端串联电阻阻值，使Cascode结构输出阻抗实部为负，以补偿漏传 输线损耗，优化过程中共栅晶体管栅端串联电阻始终小于20Q ，使放大器在获得平坦增益 曲线的同时，也具有较低的噪声系数； 四、调整共源晶体管漏端与共栅晶体管源端之间的微带与共栅晶体管漏端微带阻 抗，使得增益曲线在中、高频段略呈平滑的下降趋势，以获得一致的信号群延迟； 五、采用氯气与三氯化硼作为气源的反应离子刻蚀形成台阶高度准确、刻蚀后的 铝镓砷表面光滑平整的MSM光探测器台面，该台面高度1.4iim，刻蚀气氛为Cl2 : BC13 = 1 : 5，微波功率150W，气压10mTorr，直流偏置150V，刻蚀至1. 35 y m时撤去微波功率，气压 不变，直流偏置降至20V，直至台阶高度达到1. 4ii m ; 六、砷化镓基单片光电子集成接收机前端中的MSM光探测器叉指电极与PHEMT器 件栅电极均采用Ti/Pt/Au金属体系与砷化镓材料形成肖特基接触，因二者位于高度不同 的平面，以及金属层厚度不一致，采用先加工光探测器叉指电极，然后加工栅电极； 七、整个流程淀积三次氮化硅材料，满足作为MSM光探测器增透层的要求，并且具有较小的体泄漏电流，总厚度5500 A，分别作为辅助剥离介质、栅保护介质以及电 容介质，厚度依次为3200 A、 1000 A和1300 A，淀积气体组份NH3 : SiH4 : He分别为i : ioo : 200、i : 80 : 200、i : 100 : 200，淀积温度分别为220°c、i60°c、220°c。本专利技术的优点设计的分布放大器布局紧凑，栅、漏传输线寄生电容小，在有效减4小芯片面积的同时，充分发挥了分布参数前置放大器大带宽的优势；此外，还具有小的噪声 系数和较为一致的群延迟，即放大器频域和时域综合性能良好；MSM光探测器台面刻蚀控 制精确，表面光滑平整，损伤小，没有对后续工艺带来不利影响。尤其值得一提的是，没有采 用通常的刻蚀终止技术，简化了材料层结构设计及外延；将砷化镓PH本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种砷化镓基单片光电子集成接收机前端结构，其特征是包括分布式前置放大器和光探测器，其中分布式前置放大器ＰＨＥＭＴ器件源极长度和宽度为１０μｍ和５０μｍ、栅电极长度和宽度分别是０．５μｍ和１００μｍ、漏极长度和宽度分别是１０μｍ和５０μｍ；放大器采用７个共源－共栅结构作为增益单元，栅传输线终端负载、漏传输线反向终端负载阻抗均为５０Ω，栅传输线输入微带宽度１０μｍ、长度１７８０μｍ，共栅晶体管栅端串联电阻阻值１５Ω、共栅晶体管栅偏置电阻阻值１４８Ω，电容为２．１ｐＦ，共源晶体管源端微带宽度和长度分别是１０μｍ和２００μｍ、共源晶体管漏端与共栅晶体管源端之间的微带宽度和长度分别是１６μｍ和５５４μｍ，微带线宽度和长度分别是２０μｍ和５０μｍ，共栅晶体管漏端微带宽度和长度分别是１６μｍ和６１０μｍ，放大器输出端微带传输线宽度２０μｍ、长度３１２０μｍ，放大器漏传输线正向输出端口微带线宽度和长度分别是３０μｍ和２７０μｍ，放大器漏传输线反向输出端口微带线宽度和长度分别是１１μｍ和６０μｍ；光探测器叉指电极宽度和长度０．７５μｍ，电极间距０．７５μｍ。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：焦世龙，陈堂胜，叶玉堂，钱峰，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十五研究所，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]
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