[发明专利]高速InGaAs光电探测器芯片倒装集成结构及制作方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种高速InGaAs光电探测器芯片倒装集成结构及制作方法。

背景技术

随着光纤通信技术的不断发展，10Gb/s及以上高速光纤通信网得到了快速的发展和广泛的应用。10Gb/s InGaAs/InP PIN光电二极管(PIN-PD)或雪崩光电二极管(APD)用于高速光信号的接收检测，是10Gb/s及以上高速光纤通信中的核心芯片之一。

现有10Gb/s速率及以上PIN-PD或APD管芯采用正面垂直入射光，P、N电极异面结构，芯片正面欧姆接触P电极接触环占用了有源区面积，导致芯片光接收孔径小(小于30微米)，后续封装耦合容差小，可靠性差，不适合大批量生产；P、N电极异面结构与P延伸电极，会增加寄生参数，导致管芯频率响应特性劣化，并采用低频下传统的金丝焊接方式，影响PIN-PD或APD管芯与跨阻放大器(TIA)芯片封装后光接收机的性能。

对此，为了提高高速PIN-PD或APD管芯整体性能，采用背面入射光，顶部电极可对入射光形成反射，入射光两次穿过吸收区，等效增加吸收长度，从而提高量子效率；集成微透镜增加光接收孔径；P、N电极共面设计，减少串联电阻与寄生MOS电容。但是，背照式10Gb/s PIN-PD或APD管芯需要倒装集成后才能满足后续封装要求。

因此，管芯结构设计及其倒装集成结构设计与制作工艺就显得至关重要，不仅直接影响光电性能(尤其是频率响应特性)与倒装结构可靠性，而且还要考虑倒装后光电流输出接口与跨阻放大器(TIA)前端输入端兼容性。

发明内容

针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种高速InGaAs光电探测器芯片倒装集成结构，其结构设计简单适用，并考虑工艺制作的可行性，能够有效解决高速InGaAs光电探测器管芯倒装后芯片光电性能和结构可靠性等难点，满足高速InGaAs光电探测器高响应度、高带宽、高可靠性以及大耦合容差等实际应用技术要求。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高速InGaAs光电探测器芯片倒装集成结构，包括管芯和用于倒装焊接所述管芯的载体，所述管芯的衬底面集成微透镜，所述管芯的正面中心设有P电极，于正面中心对称设有N电极，所述载体的正面中心设有与所述P电极对应的第一金属焊盘，于正面中心对称设有与所述N电极对应的第二金属焊盘，所述第一金属焊盘上设有与所述P电极键合的第一金属凸点，所述第二金属焊盘上设有与所述N电极键合的第二金属凸点，在所述载体的正面还设有与所述第一金属焊盘金丝键合的P电极键合焊盘，以及与所述第二金属焊盘金丝键合的N电极键合焊盘。

本发明提供的高速InGaAs光电探测器芯片倒装集成结构中，所述管芯结构设计采用衬底面集成微透镜，增加光接收孔径，增大封装耦合容差；P电极和N电极同面引出且P极无延伸电极，减少寄生电容；N电极金属图形对称设计，便于倒装焊接时管芯受力均匀分布；载体倒装焊接位置图形采用对称分布设计，因而管芯与载体对准简单，可节省工艺时间，提高工艺效率；管芯与载体直接通过金属凸点倒装集成，比传统键合金丝距离短，有效减小了寄生电感影响，更加适合高速封装模块的要求，且管芯与载体倒装后光电流输出接口与跨阻放大器芯片输入接口兼容；因而本结构设计简单适用，且考虑工艺制作的可行性，能够有效解决高速InGaAs光电探测器管芯倒装后芯片光电性能和结构可靠性等难点，满足高速InGaAs光电探测器高响应度、高带宽、高可靠性以及大耦合容差等实际应用技术要求。

进一步，所述管芯的正面中心设有圆形的P电极，于正面中心对称设有包括第一N电极和第二N电极的N电极，且所述第一N电极和第二N电极之间设有开口，由此可以保证倒装焊接时管芯受力均匀分布，同时N电极金属图形两边开口又易于金属剥离工艺制作。

进一步，所述第一金属焊盘和第二金属焊盘为圆形，所述第二金属焊盘的个数为4，且这4个第二金属焊盘呈正方形设置于所述第一金属焊盘的四周并呈＂U＂形连通，由此对称均匀分布设计，可以保证管芯与载体对准简单，节省工艺时间，提高工艺效率。

进一步，所述载体的材料选自蓝宝石、氧化铝和氮化铝中的一种。

进一步，所述第一金属凸点和第二金属凸点的材料选自金、铟和金锡合金中的一种。

本发明还提供一种高速InGaAs光电探测器芯片倒装集成结构的制作方法，包括管芯制作、载体制作和倒装焊接步骤：

所述管芯制作步骤是，在所述管芯的衬底面集成微透镜，在所述管芯的正面中心制作P电极，于正面中心对称制作N电极；