光波导探测器结构设计及工艺研究

【摘要】：随着移动互联网和通信技术的飞速发展,5G技术在近几年成为业界焦点。光通信技术作为5G的重要支撑,对光通信芯片的性能要求也在不断提高。光电探测器作为光通信网络接收端的重要组成芯片,其性能优劣也决定了整个光通信网络系统能力。特别是在光电集成(OEIC)和光子集成(PIC)的系统中,对传统的分立型光电探测器芯片提出了新的要求,如:高速率、低功耗、易于与系统中其他器件集成等。本文介绍了高速光波导型光电探测器的结构设计和工艺研究,研究分析了影响光波导探测器各技术指标的性能参数,研究设计器件有源层结构、波导结构和外延结构。研究设计的输入耦合光栅、分布布拉格反射器结构并与芯片端面光学镀膜等结构结合有效解决了传统光波导器件水平耦合难度大、耦合效率低的问题,并同时解决了传统面入射型光电探测器响应度与频率带宽相互矛盾的问题,降低了芯片测试成本,提高测试效率。对制作该结构光波导探测所用的ICP、全息干涉曝光等半导体关键工艺进行研究、开发、调试,并得到满足光波导探测器工艺要求的各工艺参数。设计了整套合理有效的芯片工艺流程。最后对制作的芯片性能进行了测试、分析。本文的主要内容包括以下几个方面:1、研究光探测器的性能指标,对影响光探测器各技术指标的性能参数进行分析。确定满足40GHz带宽要求的光波导探测器性能。2、采用PIN设计光波导探测器的有源区域。研究计算所用半导体材料的能带结构、晶格匹配和折射率等参数,使用Silvaco和Matlab软件对PIN结构的暗电流、结电容及3dB带宽进行仿真计算。确定了满足40GHz带宽要求的PIN结构参数。3、根据光波导理论,结合Rsoft软件设计光波导的结构和耦合光栅的结构参数,设计器件的外延结构。计算了波导探测器的吸收波长并根据器件性能要求,确定波导的长度、结电容等参数。对分布布拉格反射器和光学高反膜的原理、结构进行研究,设计了反射率可达95%以上的DBR,和反射率达到99%以上的芯片端面光学高反膜。可有效提高芯片的耦合效率。4、从半导体工艺技术出发,对设计的光波导探测器所需的一些关键工艺进行研究。研究开发全息干涉曝光工艺制作耦合光栅,对器件制作所需的ICP干法刻蚀和光学介质镀膜工艺进行了理论研究。设计了光波导探测器的制作工艺流程和光刻版图。