一种集成光敏晶体管的制作方法

1.本发明涉及光通信及光电子技术领域，更具体的说是涉及一种集成光敏晶体管。


背景技术：

2.随着无线通信业务量的不断增长，移动通信系统不断更新换代，至今5g通信已悄然而至。人工智能、工业互联网和物联网等新型基础设施的建设离不开无线通信技术的发展。在陆地上的光载无线通信系统和在空中或海上的激光/微波混合卫星通信系统有望率先实现大容量、高传输速率的无线通信。光电转换器件作为上述两种无线通信系统中的核心部件，要求其同时具有宽带(频率响应覆盖射频到亚太赫兹波)、低功耗、高量子效率(响应度)和高输出功率等性能。由于光电转换器件中的载流子渡越时间和空间电荷效应对其带宽和输出功率存在限制，且光探测器的带宽与输出功率之间、带宽与量子效率之间相互制约。
3.因此，如何提供一种兼容性高性能强的集成光敏晶体管是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种集成光敏晶体管，为了解决现有技术中半导体光敏三极管量子效率与带宽之间相互制约的问题，对现有光敏三极管进行了结构改进。
5.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种集成光敏晶体管，包括：半绝缘衬底；
7.所述半绝缘衬底上设置有光波导，且所述光波导的末端设置有dbr反射镜；所述光波导从上至下依次包括光波导上包层、光波导芯层和光波导下包层，其中所述光波导下包层由衬底材料刻蚀而成，且所述光波导下包层和所述光波导芯层的结构相同；
8.所述光波导芯层上还分别设置有光波导上包层和两个金属薄膜集电极，所述光波导上包层设置于中部区域，两个所述金属薄膜集电极分别设置于所述光波导上包层尾部区域的两侧；
9.所述光波导上包层的宽度小于所述光波导芯层的宽度，且紧邻所述光波导上包层的两侧设置有亚集电层，所述亚集电层的上方从下至上依次设置有集电层和基层，其中所述集电层和所述基层的长度小于所述亚集电层的长度；
10.所述基层上还分别设置有发射层和两个金属薄膜基电极，两个所述金属薄膜基电极分别设置于所述发射层的两侧；
11.所述发射层的上方从下至上依次设置有发射区接触层和金属薄膜发射电极。
12.优选的，所述光波导上包层由有机聚合物固化后形成。
13.优选的，还包括缓冲层，所述缓冲层设置于所述半绝缘衬底和所述光波导芯层之间，所述缓冲层厚度为0.05μm至0.3μm，所述缓冲层至所述基层之间的所有层所用材料的折射率实部呈递增的趋势，以便使光从光波导消逝到基层中进而被吸收，所有半导体材料的
晶格均与所述半绝缘衬底匹配。
14.优选的，所述光波导芯层的厚度为0.5μm至3.0μm，掺杂类型为施主型，掺杂浓度在5
×
10
18
个原子/cm3至2
×
10
19
个原子/cm3之间；
15.所述亚集电层的厚度为0.2μm至0.5μm，掺杂类型为施主型，掺杂浓度在1
×
10
18
个原子/cm3至3
×
10
18
个原子/cm3之间；
16.所述光波导的光入射端在光入射方向上的几何形状为矩形或者锥形。
17.优选的，所述集电层的厚度为0.1μm至1μm，掺杂类型为施主型，掺杂浓度从靠近亚集电层一端1
×
10
17
个原子/cm3至2
×
10
17
个原子/cm3线性渐变到靠近间隔层(6)一端1
×
10
14
个原子/cm3至1
×
10
15
个原子/cm3；
18.所述基层和所述集电层之间还设置有间隔层，所述间隔层采用与所述半绝缘衬底晶格匹配的组分带隙线性或梯度渐变材料，相应的禁带宽度由等于所述收集层线性或梯度渐变为等于所述基层，厚度为0.03μm至0.05μm，其中靠近收集层一端0.01μm至0.015μm厚范围内掺入浓度为1.5
×
10
18
个原子/cm3的施主型杂质，靠近基层约0.02μm至0.035μm厚范围内掺入施主型杂质的浓度不高于5
×
10
15
个原子/cm3。
19.优选的，所述基层对应的材料禁带宽度小于被探测光子能量，厚度为0.02μm至0.2μm，掺杂类型为受主型，掺杂浓度在1
×
10
18
个原子/cm3至1
×
10
19
个原子/cm3之间；
20.所述发射层厚度为0.1μm至1μm，掺杂类型为施主型，掺杂浓度从靠近所述基层一端为1
×
10
16
个原子/cm3至5
×
10
17
个原子/cm3线性渐变到靠近发射区接触层一端为1
×
10
19
个原子/cm3至3
×
10
19
个原子/cm3；发射区接触层的厚度为0.02μm至0.06μm，掺杂类型为施主型，掺杂浓度大于等于3
×
10
19
个原子/cm3。
21.优选的，所述金属薄膜集电极的厚度小于集电区厚度，与集电区的间距大于0.08μm；所述金属薄膜基电极的厚度小于发射区厚度，与发射区的间距大于0.05μm；所述金属薄膜发射电极的厚度大于0.5μm；其中亚集电层和集电层构成集电区，发射层和发射区接触层构成发射区。
22.优选的，所述光波导下包层的厚度为2μm至4μm，所述光波导上包层的厚度为1μm至3μm。
23.优选的，所述dbr反射镜由光刻、蚀刻、有机聚合物旋涂和固化等工艺制备而成，从而实现单片集成；构成所述dbr反射镜的半导体在入射光方向上的厚度等于nλ/(4n1)，其中n取正奇数，λ为被探测光波长，n1为光波导芯层的折射率实部；构成所述dbr反射镜的固化的有机聚合物在入射光方向上的厚度等于lλ/(4n2)，其中l取正奇数，λ为被探测光波长，n2为固化的有机聚合物的折射率实部；所述dbr反射镜所含半导体/有机聚合物绝缘体对数由所要达到的光反射率确定。
24.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种与dbr反射镜及具有下包层和有机聚合物上包层波导单片集成的光敏晶体管。所设计结构中，一方面，提出以衬底材料通过刻蚀制备光波导下包层、以有机聚合物通过固化制备光波导上包层；另一方面，在光波导的末端制作由半导体和固化的有机聚合物绝缘体构成的dbr反射镜。当光纤与所设计结构耦合时，因光波导包层的存在可以提高光耦合效率及光波导对光能量的束缚能力；光信号耦合进入光波导后，因光波导芯层、集电区、基层的有效折射率实部依次增大，所以一部分光信号将消逝进入基层被吸收，从而引起基极电流发生变化，且这变化量会
被晶体管放大输出。一直沿着光波导传输的部风光信号到达光波导末端后，会被dbr反射镜反射再次通过光波导，实现二次吸收，提高了器件的有效吸收长度。因此，为达到相同的量子效率，相同条件下与普通结构相比，本发明所提出的结构可以采用较小的有源台面面积来提高器件的带宽和响应速度。所以，本发明提供了一种解耦光敏三极管带宽和量子效率相互制约关系的技术方案，展示了一种能同时实现宽带、高量子效率、高输出功率的有益结构，具备广泛用于光纤通信、卫星通信及光信号处理等领域的巨大潜力。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
26.图1附图为本发明一种集成光敏晶体管提供的整体结构示意图；
27.图2附图为本发明一种集成光敏晶体管提供的在垂直于入射光方向上有源区的横截面示意图。
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.本发明实施例公开了参见图1所示的器件立体示意图、图2所示的器件在垂直于光入射方向上有源区的横截面示意图，作为具体实施例，本发明的与dbr反射镜15及具有下包层和有机聚合物上包层波导单片集成的光敏晶体管包括由底层至顶层的外延层依次为：半绝缘衬底1、缓冲层2、集电区接触层3、亚集电层4、集电层5、间隔层6、基层7、发射层8、发射区接触层9，所述集电区接触层3也是光波导芯层，亚集电层4也是光匹配层，集电区接触层上集电区两侧一定区域内有金属薄膜集电极12a，12b，基层上发射区两侧一定区域内有金属薄膜基电极13a，13b，发射区接触层上有金属薄膜发射电极14。其中亚集电层(4)、集电层(5)及间隔层(6)构成集电区。
30.此外，由衬底材料经刻蚀后构成的光波导下包层10及由有机聚合物固化后形成的光波导上包层11与光波导芯层3构成光波导；在光波导的末端单片集成由半导体和固化的有机聚合物构成的dbr反射镜15。
31.实施例中缓冲层的厚度为0.2μm，众外延层中从缓冲层至基层所用材料的折射率实部具有递增的趋势，以便使光从光波导消逝到基层中，所有半导体材料的晶格都与衬底匹配。
32.集电区接触层3同时也是光波导芯层，厚度为1.0μm，掺杂类型为施主型，掺杂浓度为1
×
10
19
个原子/cm3；亚集电层4的厚度为0.3μm，掺杂类型为施主型，掺杂浓度为2
×
10
18
个原子/cm3；光波导的光入射端在光入射方向上的几何形状为锥形；集电层5的厚度为0.3μm，掺杂类型为施主型，掺杂浓度从靠近亚集电层4一端1
×
10
17
个原子/cm3至2
×
10
17
个原子/
cm3线性渐变到靠近间隔层(6)一端1
×
10
14
个原子/cm3至1
×
10
15
个原子/cm3。
33.间隔层6采用与衬底晶格匹配的组分带隙线性或梯度渐变材料，相应的禁带宽度由等于收集层5线性或梯度渐变为等于基层7，若线性渐变材料外延生长困难则采用梯度渐变，厚度约为0.03μm左右，其中靠近收集层一端约0.01μm厚范围内掺入浓度为1.5
×
10
18
个原子/cm3的施主型杂质，靠近基层约0.02μm厚范围内掺入施主型杂质的浓度不高于5
×
10
15
个原子/cm3；基层7对应的材料禁带宽度小于被探测光子能量，厚度为0.05μm，掺杂类型为受主型，掺杂浓度在2
×
10
18
个原子/cm3；间隔层与基层的材料、层厚度、及掺杂分布是为了平滑导带、调控内电场分布，便于电子从基层渡越到收集层。
34.发射层8厚度为0.2μm，掺杂类型为施主型，掺杂浓度从靠近基层7一端约为1
×
10
17
个原子/cm3线性渐变到靠近发射区接触层8一端约为1
×
10
19
个原子/cm3；发射区接触层9的厚度约为0.05μm，掺杂类型为施主型，掺杂浓度约为2
×
10
19
个原子/cm3。
35.金属薄膜集电极12a，12b与集电区的间距为0.1μm，厚度为0.25μm、垂直于入射光方向上的宽度为7μm、平行于入射光方向上的长度为6μm；金属薄膜基电极13a，13b与发射区的间距为0.1μm，金属薄膜基电极的厚度为0.2μm、垂直于入射光方向上的宽度为0.35μm、平行于入射光方向上的长度为6μm；金属薄膜发射电极14的厚度为1μm，垂直于入射光方向上的宽度为0.5μm、平行于入射光方向上的长度为6μm。
36.光波导下包层10的厚度为3μm左右，及光波导上包层11的厚度为1μm左右。
37.在光波导的末端制备半导体的几何宽度为7λ/(4n1)和有机物绝缘体的几何宽度为λ/(4n1)所构成的dbr反射镜15，所含半导体/有机物绝缘体对数为5，其中n1为光波导芯层的折射率实部、n2为固化的有机聚合物绝缘体的折射率实部。
38.有源台面在平行入射光方向上的长度l2为6μm，发射区、集电区在垂直入射光方向上的宽度分别为0.5μm、1μm；亚集电层在平行光入射方向上的尺寸比集电层长7μm(l3)，光波导入射端的长度取20μm(l1)。
39.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
40.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。