一种基于倒装键合的高速高功率平衡光电探测器

本发明属于光电子器件、微波光子学及高速光电封装，具体涉及一种基于倒装键合的高速高功率平衡光电探测器。

背景技术：

1、微波光子系统通过光域产生、传输和处理微波或毫米波信号，具有带宽大、传输损耗低和抗电磁干扰能力强等特点，已用于宽带通信、阵列雷达和射频信号处理等领域。平衡光电探测器通常由响应特性相近的两个光电二极管构成，通过差分连接使两支路中的有用信号同相叠加、共模噪声相互抵消，从而抑制激光器相对强度噪声以及掺铒光纤放大器的自发辐射噪声，提高链路增益、噪声性能和无杂散动态范围。因此，兼具高速响应和高射频输出功率的平衡光电探测器是高性能微波光子链路的重要核心器件。

2、传统pin光电二极管中电子和空穴均参与漂移，空穴迁移率较低，且在大光电流条件下容易形成空间电荷屏蔽，导致带宽下降和输出功率饱和。单行载流子光电探测器将吸收区和漂移区分离，使光生空穴在高掺杂吸收区中快速弛豫，主要由迁移率较高的电子完成向收集端的输运。通过吸收层梯度掺杂、异质结能带调控和漂移区电场优化，可进一步缩短电子渡越时间并改善高功率性能。

3、现有高速高功率平衡光电探测器主要包括波导入射和垂直入射两类。波导入射结构便于与光波导和偏置电路集成，并可通过延长吸收路径兼顾耦合效率与带宽；但其制备与光耦合结构较复杂，且高光功率下局部光场分布和热积累仍会限制饱和性能。垂直入射结构光路简单、有源区功率承载能力较高，已有器件通过电荷补偿层、悬崖层以及倒装键合等方案获得较高输出功率，但有源区尺寸增大时结电容随之增大，容易受到电阻—电容时间常数限制；在较小有源区下，光吸收量、散热路径和功率承载能力又会下降。

4、此外，平衡探测器需要两个光电二极管的幅度与相位保持匹配，并需通过低寄生的差分射频路径输出信号。常规正装结构的衬底、焊盘和引线会引入额外寄生电容、电感及热阻，使裸芯片的高速、高功率能力难以在平衡工作状态下同时发挥。已有研究证明，将高速光电二极管倒装键合至高导热金刚石基片能够缩短电连接和散热路径，但仍有必要从外延电场、异质结势垒、器件尺寸、差分共面波导和高导热封装等方面进行协同设计，以提高约50 ghz及以上频段的平衡带宽和饱和输出功率。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种基于倒装键合的高速高功率平衡光电探测器，通过外延电场调控、背入射双光电二极管结构以及金刚石基片上的低寄生差分互连，解决现有平衡光电探测器在带宽、饱和输出功率、热管理和两支路匹配之间难以兼顾的问题。具体拟解决以下技术问题：

2、1.缩短光生电子的扩散和漂移时间，减轻异质结界面势垒与高光电流下的载流子堆积；2.在维持垂直入射结构较高功率承载能力的同时降低有源区电阻—电容时间常数对带宽的限制；3.降低芯片核心温度和封装热阻，抑制高光功率工作时的热饱和或热失效；4.减少平衡光电探测器对与射频输出端之间的寄生电感和寄生电容，提高差模信号合成效率；5.使两个探测支路能够在共模噪声抵消的同时，在约50 ghz频段获得较高射频输出功率。

3、本发明的一种基于倒装键合的高速高功率平衡光电探测器，包括一块改进型单行载流子平衡光电探测器芯片、高导热金刚石基片、设置于金刚石基片上的共面波导以及用于芯片与共面波导电连接的倒装键合凸点。

4、所述改进型单行载流子平衡光电探测器芯片上设置第一光电二极管和第二光电二极管，两者采用相同外延层和相同有源区结构，分别接收两路光信号；两光电二极管的射频端以平衡方式连接至共面波导，使差模光生射频电流在输出端相加、共模光生射频电流相抵消；芯片衬底一侧作为光入射面，芯片电极侧朝向金刚石基片并与共面波导倒装连接，从而形成背入射、短电连接和低热阻的封装。

5、所述第一光电二极管和第二光电二极管均采用inp/ingaas改进型单行载流子外延结构；自p型接触侧朝n型接触侧依次包括：p型接触层、p型inp层、能带渐变层、梯度掺杂的未耗尽ingaas吸收层、低掺杂耗尽ingaas吸收层、能带渐变层、n型inp悬崖层、n型inp漂移层、p型掺杂牺牲层以及n型接触层。

6、所述p型掺杂牺牲层位于漂移区内并作为电荷调控层，用于重新分配漂移区电场，使光生电子在至少部分漂移路径中维持过冲速度或近弹道输运状态；未耗尽ingaas吸收层由多个掺杂浓度沿电子输运方向逐级降低的子层构成，以形成阶梯状电势并促进电子扩散；耗尽ingaas吸收层用于在高场中产生并输运载流子，缓解高功率下载流子堆积；ingaas吸收层与inp层之间设置ingaasp四元化合物渐变层，用于平滑导带不连续；悬崖层用于增强吸收区与漂移区异质结附近的电场，降低界面载流子阻塞。

7、所述未耗尽ingaas吸收层总厚度为120 nm，由三层厚度均为40 nm的p型ingaas组成，其掺杂浓度依次为2×1018cm-3、1×1018cm-3和5×1017cm-3；耗尽ingaas吸收层为厚度40nm、掺杂浓度1×1016cm-3的n型ingaas；悬崖层为厚度30 nm、掺杂浓度3×1017cm-3的n型inp；漂移层为厚度250 nm、掺杂浓度1×1016cm-3的n型inp；p型掺杂牺牲层厚度为50 nm、掺杂浓度7×1017cm-3。

8、本发明的一种基于倒装键合的高速高功率平衡光电探测器的制备方法，包括以下步骤：

9、步骤1：在外延片上定义成对的圆形有源区，通过干法刻蚀形成双台面结构。

10、步骤2：在重掺杂p型ingaas层和重掺杂n型inp层上分别形成p型和n型欧姆接触，并制作关于差分输出端对称的电极焊盘。

11、步骤3：对inp衬底背面进行抛光，在背面沉积255 nm厚的sio2抗反射层，使工作波长1550 nm的光从衬底一侧入射。

12、步骤4：将晶圆切割为约1 mm×1.3 mm芯片；在高导热金刚石基片上制作与芯片焊盘对应的共面波导和键合区。

13、步骤5：使用高精度倒装贴装设备对准芯片与金刚石基片，使芯片电极面朝向基片并完成凸点键合，形成短而对称的射频互连。

14、步骤6：检查两个光电二极管的直流导通、反向漏电和共面波导连续性，并在背入射条件下完成光纤对准。

15、本发明和现有技术相比的有益技术效果为：

16、1. p型掺杂牺牲层与漂移层共同调控电场，使电子在漂移区保持较高输运速度，降低渡越时间并缓解高功率下的空间电荷屏蔽。

17、2.梯度掺杂未耗尽吸收层、耗尽吸收层、ingaasp渐变层和悬崖层协同降低电子扩散及异质结跨越时间，提高高速响应的一致性。

18、3.倒装键合将光电二极管电极直接连接至金刚石基片上的共面波导，缩短射频连接路径并利用金刚石高导热特性降低芯片核心温度。

19、4.验证样品在−3 v单侧偏压下暗电流低于200 na，在1550 nm处响应度为0.12 a/w，说明优化结构未以明显增加暗电流为代价。

20、5.有源区直径为4 μm、6 μm和8 μm的平衡器件在差模下分别获得52 ghz、42 ghz和40 ghz的3 db带宽，均高于相应单侧器件的47 ghz、41 ghz和37 ghz。

21、6.差模工作时，平衡器件对的饱和射频输出功率相较单侧器件提高约6 db；8 μm器件在47 ghz处达到14 dbm，6 μm器件在50 ghz处达到8 dbm。