[发明专利]波导光探测器和异质结双极性晶体管的单片集成方法

说明书

技术领域

本发明属光电技术领域，具体涉及一种波导光探测器和异质结双极性晶体管的单片集成方法。

背景技术

随着光纤通信技术的飞速发展，对高速、大容量的光电器件需求日益增长，而单片光电集成电路(OEIC)相比于混合集成电路，具有寄生效应小、体积小，成品率高，装配容易，成本低，可靠性好等优点，从而成为当前高速光通信系统关键器件研究的热点和未来发展的趋势。

光探测器和跨阻放大器集成电路单片集成方案主要有pin-PD与HBT(Heterostructer bipolar transistor)/HEMT(Heigh electronic mobiletransistor)、MSM(Metal semiconductor metal)-PD与HBT/HEMT和WGPD(Waveguide photodiode)与HBT/HEMT集成。与其他集成方案相比，pin-PD与HBT(异质结双极性晶体管)集成方案由于其Pin光探测器采用HBT的集电结形成，从外延材料结构到器件制作工艺基本与HBT集成电路工艺兼容，加之HBT在工作频率、功耗和阈值电压均匀性等方面的优势，逐步形成高速OEIC光接收机的主流集成方案。目前报道的Pin/HBT OEIC光接收机大多采用光正面入射方式，由于兼顾Pin光探测器的响应度和HBT的工作频率，需要对HBT集电区厚度进行折衷设计，这在某种程度上限制了OEIC光接收机的性能，使得高速率和高响应度、高灵敏度无法同时获得；而WGPD(波导光探测器)与HBT或HEMT集成则可以克服这一限制，该方案主要优势在于WGPD结构中，光生载流子和光入射吸收方向相互垂直，其特点是传输速率高，易于实现全光集成，成为当前高速、大容量光通信关键器件领域的研究热点。

目前，实现WGPD/HEMT或WGPD/HBT组合方式通常有以下两种方式：一是采用二次外延技术，即生长完一类器件材料，将需要生长另一类器件的区域刻掉，然后在该区域再生长另一类器件材料结构；二是采用垂直堆栈结构，即WGPD在下，HBT/HEMT在上，或是HBT/HEMT在下，WGPD在上。如德国的Heinrich-Hertz研究所和日本NTT公司以及韩国均报道了上述的单片集成。

上述两种实现单片集成的方法，都存在明显的不足，二次外延技术面临着反应室腔体和芯片清洗、光刻对位等技术难题；而垂直堆栈结构面临外延材料层数多，结构复杂，器件台面高、加工工艺难度大等问题。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种波导光探测器和异质结双极性晶体管的单片集成方法，该方法可以在同一外延材料上实现WGPD和HBT的单片集成，同步完成HBT的发射极金属接触层和WGPD的P型欧姆接触层以及HBT的集电极金属接触层和WGPD的N型欧姆接触层的加工，该方法具有材料结构简单，工艺简单且兼容性好，加工容易的特点，同时降低了器件垂直高度差，易于金属互联，器件成品率高、可靠性好。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：一种波导光探测器和异质结双极性晶体管的单片集成方法，该方法通过在HBT外延材料结构上，利用Zn扩散工艺将HBT发射极区N型材料转变为P型材料，使其成为波导光探测器的上包层，同时实现PN结功能，而集电极部的材料同时可以作为波导光探测器的吸收层，次集电极部的材料则构成波导光探测器的下包层，实现在同一外延材料上实现波导光探测器和HBT的单片集成，该方法包括以下步骤：

1)在半绝缘衬底上用MOCVD系统或MBE系统生长HBT和WGPD共用外延材料，依次生长缓冲层、N型欧姆接触层、N型次集电极层、非故意掺杂集电极层、P型基极层、N型发射极层，其中N型次集电极和非故意掺杂集电极层构成集电极层，

2)在步骤1)中形成的外延材料结构上，通过光刻工艺露出WGPD需要进行Zn扩散的区域，用SiN作掩蔽进行Zn扩散，扩散直到P型基极层界面，

3)利用半导体微细加工工艺中的光刻工艺和金属化工艺，蒸发多层金属合金，同步完成HBT的发射极金属接触层和WGPD的P型欧姆接触电极层，

4)采用光刻胶保护WGPD Zn扩散区域，余下的区域采用湿法腐蚀腐蚀掉N型发射极层材料，直到露出P型基极层表面，接着进行光刻和金属化工艺，蒸发多层金属合金，完成HBT的基极金属接触层，

5)利用光刻胶保护已完成的HBT的发射极-基极区域和WGPD Zn扩散区域，接着腐蚀掉集电极层，直到露出N型欧姆接触层表面，