1、学校编码：10384 分类号_ 密级 秘 密 （未经许可，不得外传） 学 号：200024012 UDC _ 厦 门 大 学 硕 士 学 位 论 文 用于长波长光纤通信的 InGaAs/InP PIN光电探测器的新结构和新工艺 刘 彩 虹 （Liu Caihong） 指 导 教 师： 陈 朝 教授（博导） 毕 业 院 校： 厦 门 大 学 物 理 系 学 位 级 别： 硕 士 专 业 名 称： 凝 聚 态 物 理 研 究 方 向： 集 成 光 电 子 学 论文提交日期：2003年7月26日 论文答辩日期：2003年7月30日 学位授予单位：厦 门 大 学 学位授予日期：2003年 月 日 答辩
2、委员会主席：吴正云 教授 评阅人： 陈松岩 副教授 范迎喜 高工 2003年7月 厦门大学博硕士论文摘要库目 录 论文摘要（中文）-1 论文摘要（英文）-2 第一章 引言-3 第二章 InGaAs/InP PIN光电探测器的新结构-7 2.1 PIN光电探测器的暗电流特性-7 2.2 器件新结构和异质结分离效应-10 2.3 Al2O3做钝化膜和抗反射膜-12 2.4 器件光刻掩膜版图的设计-14 2.5 器件材料的生长-18 第三章 InGaAs/InP PIN光电探测器的新工艺-21 3.1 InGaAs/InP PIN光电探测器的工艺流程-21 3.2 Al2O3蒸发及光刻工艺 -25
3、一、直接蒸发Al2O3工艺-25 二、Al2O3的光刻工艺-28 三、Al2O3薄膜的测试-29 3.3 开管Zn扩散及激光诱导Zn掺杂工艺-29 第四章 光谱响应理论计算及测试-32 4.1 InGaAs/InP 光电探测器光谱响应理论计算-32 4.2 InGaAs/InP 光电探测器光谱响应测试-41 第五章 暗电流理论计算及测试-44 第六章 结论-46 致谢-47 厦门大学博硕士论文摘要库论文摘要 为了研制出高响应度、低暗电流、低成本的用于长波长光纤通信的In0.53Ga0.47As/InP PIN光电探测器，本论文对器件的结构和工艺进行了改进，主要探索了以下的几项工作： 1、 利用
4、异质结的宽禁带窗口效应和异质结的分离效应，设计出可利用常规工艺制备的高响应度、低暗电流PIN探测器的新结构。 2、 探讨了直接蒸发Al2O3薄膜的工艺，较容易地获得致密、粘附性好的高质量掩膜。计算分析表明Al2O3薄膜是InP光敏面理想的抗反射膜材料。 3、 设计了器件光刻版图，探索并掌握了Al2O3薄膜的光刻工艺。采用传统的湿法腐蚀并尝试使用等离子干法刻蚀，均取得了较好的效果。 4、对我们提出的新结构器件进行了光谱响应和暗电流的理论计算，均与测试结果符合得较好。 关键词: InP，PIN光电探测器，异质结，Al2O3掩膜，光谱响应 厦门大学博硕士论文摘要库New Structure and
5、New Technology of InGaAs/InP PIN Photodetector for Long Wavelength Optical Fiber Communications By Liu Caihong Abstract In order to investigate a In0.53Ga0.47As/InP PIN photodetector with high-responsivity, low dark-current and low-cost properities, which applies to long-wavelength fiber optic commu
6、nication, we do some improvements on the structures and technics of the detector device. We have mainly explored some works as following: 1. Making use of the wide bandgap windows effect and the segregative effect of heterojunction, a new structure of the PIN detector of high responsibility and low
7、dark current density, which can be made by the normal technology, was designed. 2. We have done some research on the technics of direct-vapored Al2O3thin films. It is easy to get a surface film of high-density, high-conglutination and good quality. Al2O3thin film is the material of well antireflecti
8、on coating what is got by calculating and analyzing. 3. We have designed the photoengraving layout of the detector device. On the same time we explore and master the photoengraving technics of Al2O3thin films. Either use the traditional hydro-etching or use the dry-etching of Inductively Coupled Pla
9、sma (ICP), we both get better results. 4. We do theoretic calculations of spectrum response and dark-current to the detector devices of new structure. It is consistent with the testing results. Key words: InP, PIN Photodetector, heterojunction, Al2O3covering film, spectrum response 厦门大学博硕士论文摘要库第一章 引
10、 言 随着社会的发展，二十一世纪的人类社会将是一个高度信息化的社会。光纤通信作为信息传输的主要途径，正朝着超高速超大容量迅猛发展。 早在上世纪六十年代，光纤通信就进入了准备阶段。以激光作为信息载体和以光导纤维作为信息传递的传输媒介，这两者的确立为光纤通信的发展起到决定性的作用。1970年美国贝尔实验室的Hayashi等人研制出室温下连续工作的半导体GaAs/GaAlAs双异质结注入式激光器。并经过3至4年的努力，使器件工作寿命超过10万小时，这个突破使得以激光作为信息载体成为可能。1966年英籍华裔学者高锟博士提出利用带有包层材料的石英玻璃光纤作为光通信的传输媒质1, 2。1970年，美国康宁
11、（Corning）玻璃有限公司制成了衰减为20dB/km的低损耗石英光纤。这是光通信发展史上的一个划时代事件。它使人们确立了光通信向光纤通信发展的明确目标，揭开了光纤通信发展的新篇章。 70年代开始，光纤通信以令人眩目的速度发展起来，70年代中期就进入了实用化阶段。至1983年，美、日、德、法、英、荷、意等国先后宣布：在长途通信干线方面将不再敷设电缆，而采用光缆。至今，光纤通信应用已遍及长途干线、海底通信、局域网、有线电视等各领域，已经有四代光纤通信进入了使用3。第一代的工作波长=0.85m, 属于短波长波段，传输光纤用多模光纤。光源用铝镓砷（AlGaAs）半导体激光器，光电检测器为硅材料的半
12、导体PIN光电二极管或雪崩光电二极管。这一代光通信以1977年美国芝加哥进行的速率为44.736Mbit/s的现场实验为标志。第二、第三代光纤通信的工作波长均为1.3m，属长波长波段，是石英光纤的第二个低损耗窗口，有较低的损耗且有最低的色散。相应光源是长波长铟镓砷磷/铟磷（InGaAsP/InP）半导体激光器，光电探测器采用锗材料。在1.3m的波长上，第二代用的是多模光纤，第三代实现了单模光纤通信系统。单模光纤较多模光纤色散低得多，损耗也更小。第三代光纤通信广泛地用于长途干线和跨洋通信中。80年代后期还实现了波长1.55m单模光纤通信，也就是第四代光纤通信。1.55m是石英光纤的最低损耗窗口。
13、后来，工作波长为1.55m的掺铒光纤放大器问世，又使这一波长具有更重要的意义。 光接收机的主要部件是光电探测器，主要有半导体PIN光电二极管和雪崩光电二极管两种结构。前者只探测不放大，通常在-5伏反向偏压下工作；后者探测并同时具有放大的作用，但是必须在高的反向偏压下工作。在高速传输通信系统中，雪崩光电二极管对噪声的放大厦门大学博硕士论文摘要库作用比信号的放大更显著。所以，在高频光通信中采用PIN探测器。 在天然的半导体材料中，只有Ge（禁带宽度为0.66ev，对应吸收边1.88m）可以制作用在光纤通信长波长（1.3-1.6m）波段的光电探测器，但是Ge的禁带宽度较小，制作的器件在室温或高于室温
14、下工作时噪声较高。在1.31m1.55m长波长下工作的光电探测器一般采用In0.53Ga0.47As/InP材料。In0.53Ga0.47As材料的禁带宽度为0.75eV，它的吸收谱可以覆盖1.00-1.65m的光纤通讯波段，包括了石英光纤的1.3m低色散及1.55m低损耗两个窗口，是制作光通信波段光电探测器的理想材料。它和InP材料可以做到完全晶格匹配，因此可以在InP衬底上生长出质量很高的外延层，In0.53Ga0.47As材料的电子迁移率非常高。这些特点使得In0.53Ga0.47As/InP PIN光电探测器可以具有极高的响应速度和很小的暗电流4-6。 从光注入方向来说，In0.53G
15、a0.47As/InP PIN光电探测器有两种方式：一种是背面光注入型，即从N型InP衬底进光；另一种是正面光注入型，即从P型面进光。背面光注入型器件由于InP衬底（Eg=1.35eV）对长波长是透光层，表面反射系数较小，若材料参数控制适当的话，光生载流子可以直接在耗尽层内产生，这种结构具有量子效率高、结电容小等优点。但是这种结构中，入射光离PN结距离较远，光的发散使器件侧壁产生吸收作用，影响频率特性。而且器件的量子效率和暗电流受材料生长的很大限制，重复性差，工艺制作也较复杂。正面光注入型器件相对背面光注入型而言，工艺较为简单，入射光离PN结很近，耦合效果好。它存在的诸如扩散结深控制、结电容较
16、大等缺点通过合理的参数设计以及一些特殊的工艺技术是可以克服的7。 In0.53Ga0.47As/InP PIN光电探测器常见的有台面和平面两种。八十年代中后期，由于材料生产和工艺的限制，高速PIN均采用台面结构。由于台面结构的PN结暴露在外界，因而稳定性和可靠性存在严重的先天不足，其性能一般比平面器件差8。随着MOCVD技术的出现与实用化以及平面技术的完善，台面结构PIN已基本被淘汰，为平面结构所代替。目前，传输速率为10Gbit/s以上的平面PIN在国外已商品化，如英国的BT&D、加拿大的北方电信、日本的三菱公司及NEC公司和德国的西门子公司等。 目前大部分常规器件均采用正面光注入光的平面结
17、构，我们在此基础上进行改进，利用异质结分离效应设计了一种新结构。从理论上定性的分析看出，新结构可使器件具有较低的暗电流特性。 介质膜的选择是影响器件暗电流的一个重要因素，要求介质膜对器件有很好的屏蔽效应。In0.53Ga0.47As/InP PIN光电探测器通常采用的是SiO2或者SiO2+Si3N4作为介质膜钝化保护芯片，同时作为Zn选择扩散的屏蔽阻挡层。SiO2的主要缺点是抗辐射性能不好、抗离子沾污厦门大学博硕士论文摘要库（特别是Na+）能力差9。而SiO2+Si3N4的双层结构增加了生长和选择腐蚀上的困难。我们采用较简单的方法生长了致密性较好的Al2O3薄膜作为钝化膜，并用其作为抗反射膜
18、，理论分析是作为In0.53Ga0.47As/InP PIN光电探测器器件的理想抗反射膜材料。 我国在八十年代初就开始自主地研制长波长光电探测器的材料和器件，材料生长从液向外延（LPE）技术向MOCVD技术过渡，器件结构由台面向平面过渡，基本满足了国内通信和军工的需要。但至今尚不能形成大批量的生产能力，一直存在材料质量不高、器件成本太高、产品性能不稳定等问题。至今国内所需要的光电探测器芯片和器件主要都靠进口，国内产品所占的份额很小。而国内企业主要从事进口芯片的封装工作。随着我国信息产业的发展，我国将成为世界上最大的光电探测器市场。然而至今这个市场的75%以上仍然主要被进口产品占领，加入WTO以
19、后的情况将更加严峻。所以，发展具有独立知识产权的民族光通信器件产业，积极开发国内外市场是当务之急。目前,国内InGaAsP/InP的PIN光电探测器主要工作在155Mbps-2.5Gbps的光纤通信、计算机网络和有线电视网络上。也有少部分低频、高响应度器件的需求主要用于监控和仪器设备上。随着高速大容量光纤通信的发展，10Gbps的探测器已经开始进入市场。具有量子阱、谐振腔、光波导等新结构和可调谐、能放大等新功能的探测器也在积极研究中。本论文的主要任务就是要对In0.53Ga0.47As/InP PIN光电探测器的结构和工艺进行改进以提高器件的性能，研制具有高性价比的有较强竞争能力的用于长波长光
20、纤通信的InGaAsP/InP的PIN光电探测器。 参考文献： 1 K. C. Kao, G. A. Hockham, Dielectric fiber surface Waveguides for optical frequencies, PIEE, 1966, July, p1151. 2 K. C. Kao, T. W. Davis, Spectrophotometric studies of ultro low loss optical glasses, J. Sci. Intrum. 1968, Nov. p423. 3 李玲，黄永清编著，光纤通信基础，1999年，国防工业出版社，第
21、一章，p4. 4 Otsuji T, Sahri N, Naofumi Shimizu, et al., A 105-GHz Bandwidth Optical-to-Electrical Conversion Stimulus Probe Head Employing a Unitraveling-carrier Photodiodes”, IEEE photo.tech.lett., 1999,vol.11, p1033. 5 Kato K, Hata S, Kozen A, et al., A high-efficiency 50GHz InGaAs multimode waveguid
22、e photodetector, IEEE J Q Electron, 1992, vol.28, 厦门大学博硕士论文摘要库p2728. 6 Makiuchi M, Hamaguchi H, Mikawa T, et al., Easily manufactured high-speed back-illuminated GaInAs/InP p-i-n photodiode, 1991,vol.3, p530. 7 张燕斌，李世海，张胜琼等，长波长光纤通讯用的In0.53Ga0.47As/InP PIN 光电二极管，固体电子学研究与进展，Vol.5, No.3, Aug., 1985. 8
23、Skrimshire C P, Farr J R, Sloan D F, et al., “Reliability of mesa and planar InGaAs PIN photodiodes”, Optoelectronics, IEE proceedings, J, vol. 137, Issue:1, Feb.,1998, p74-78. 9 梁鹿亭编译,半导体器件表面钝化技术，北京：科学出版社，1979，p467. 厦门大学博硕士论文摘要库第二章 InGaAs/InP PIN光电探测器的新结构 光电探测器的材料和器件设计直接决定了器件的性能和成本，是器件研制中最重要的问题。针对目
24、前InGaAs/InP PIN光电探测器存在暗电流较大、响应度偏低、性能不够稳定、成本较高等问题，根据光电探测器暗电流的基本原理特性，我们在器件的结构上作了改进。利用异质结分离效应可以在很大程度上减小器件的暗电流。再加上采用Al2O3作为钝化膜，可以对芯片起到很好的屏蔽作用，这对提高器件的暗电流性能也是很重要的。 2.1 PIN光电探测器的暗电流特性 光电二极管的暗电流由体内电流Iin 和体表电流Ids两部分组成。对于精心设计并经理想工艺制备的PIN 光电二极管而言，产生复合电流Igr 及扩散电流Idiff之和表示在低偏压下器件所可能达到的最低暗电流。当电场足够高的时候，暗电流的大小主要由隧道
25、电流Itun 决定。因此，InGaAs/InP PIN光电探测器的体内暗电流表示如下式： Iin= Igr+ Idiff+ Itun以下分别讨论暗电流的各个主要成分： 1、产生-复合电流Igr 在 InGaAs/InP PIN光电二极管中， 在耗尽区的电子空穴对的产生和复合而形成的电流Igr大约是2Igr = )/exp(1( KTeVAWeneffi其中，e是电子电荷，k是 Boltzmann 常数，T 是异质结的温度，V是负的反偏压。A是结面积，W是耗尽区宽度， eff是有效载流子寿命，ni为本征载流子浓度，其值为 ni= )2exp()(109.42343205KTETmmmgpn其中，
26、pnmm、 分别为材料的电子和空穴有效质量，m0为电子质量，T 为绝对温度，Eg为材料禁带宽度。 当偏压大于零点几伏时，Igr表达式中的指数项可以忽略。因此，产生复合电流Igr 的大小与耗尽区的体积成正比；与耗尽区内载流子的有效寿命成反比；通过ni随禁带宽度及温度变化。 厦门大学博硕士论文摘要库对于单边突变结的耗尽层宽度 W(V) = )(20VVqNbiDs3其中 Vbi 是内建电场；s是半导体材料的介电常数；0是真空电容率；V 为外加偏压，加反向偏压时取 + 号，加正向偏压时取 号。单边突变结的内建电场可以由式)/ln(2iDAbinNNkTqV =3到，其中NA和 ND 分别是 PN 结
27、两侧的受主和施主浓度。 2、扩散电流 扩散电流 Idiff起源于耗尽区四周的非耗尽层P区和n区内热激发的少数载流子向耗尽区的扩散，其扩散电流 Idiff由下式给出3)/exp(1( KTeVIIsdiff= 其中，V是负偏压，I s是饱和电流，由以下公式给出4， )(2DnppApnnisNADNADenI+= Dn和DP分别是P区及n区内少数载流子的扩散系数，n和P则分别是P 区及n 区少数载流子的寿命, AP及An分别为耗尽区与P 区及n区的交界面面积，NA和ND分别为P 区的受主和n 区的施主浓度。对于一个P区载流子浓度非常高的二极管而言，扩散电流主要来自n区。由于扩散电流与ni2成正比
28、，而产生复合电流与 ni成正比，因此，当材料的禁带宽度比较窄或者在高温情况下，扩散电流比产生复合电流更为重要。 3、隧穿电流 在高压产生足够高的电场下，隧穿电流是主要的暗电流形式。当所加电压满足eEVVgbi/+ 情况下，直接价带半导体的隧穿电流可以表示为20 ：/exp23210 mgtunEeEmAI 其中，m0是自由电子的质量；Em是结区峰值电场，即最大结电场WVVEbim/)(2 +=；是普朗克常数除以2；参数210)/( mme= ，依赖于隧道位垒的细致形状；em是电子有效质量，取决于载流子的厦门大学博硕士论文摘要库具体形式，对于带间过程来说其量级为1；因子是基于隧穿载流子的初始和最
29、终状态，通过禁带中陷阱能级的隧穿和带间隧穿的因子是不同的，对于带间隧穿)4/(/222321 VEeEmmgc=，而对于通过禁带陷阱能级的隧穿，因子取决于陷阱能级的密度，其值与带间隧穿的值稍有不同。 由于Eg(T)随温度的升高而减小，所以隧穿电流随温度升高而增加。但Eg(T)随温度的变化很小，所以隧穿电流Itun受温度影响远小于产生复合电流Igr 和扩散电流Idiff 受温度的影响。从隧穿电流表达式的指数项可以看出，窄带隙材料的隧穿电流较宽带隙材料对暗电流的影响更为严重。雪崩二极管工作于高电场条件下，因而隧穿现象比典型的PIN光电二极管要严重得多。同时，隧穿现象在重掺杂材料中特别重要，重掺杂材
30、料在较低的外加偏压下就会达到很高的电场。 4、表面暗电流 表面产生的暗电流 Ids可表示为： 20SqnAIiids= 其中，Ai为 PN 结面积；ni为本征载流子浓度；S0为表面复合速度，可表示为stthnNvS =0，n是电子表面俘获截面，thv是载流子运动速度，Nst是单位面积表面复合中心密度。Nst与介质膜的界面态密度密切相关，界面态密度越小，表面暗电流也越小。 2.2 器件新结构和异质结分离效应 常规和本工作的InGaAs/InP PIN光电探测器的结构分别如图（a）和图（b）所示。常规InGaAs/InP PIN光电探测器的结构和制 备如下： 在（100）取向的n+-InP 衬底上
31、生长一薄的过渡层（buffer），然后生长23 m与InP晶格匹配的非掺杂的I-In0.53Ga0.47As 有源层，再生长11.5 m 的非掺杂InGaAsP（禁带宽度为1.19eV）窗口层。以SiO2和Si3N4双层膜作为介质钝化膜，并在其上光刻出窗口进行选择扩散。以ZnP2为源用闭管扩散方法扩散Zn，在有源层内形成P-I结。在光照面蒸发AuZn/Au合金，光刻腐蚀形成P型欧姆接触电极；背光面蒸发AuGeNi/Au薄膜并合金形成N型的欧姆接触电极。 厦门大学博硕士论文摘要库(a) 常规平面结构 （b）改进后平面结构 图2.2.1 InGaAs/InP PIN光电探测器的剖面示意图 改进后的
32、图（b）结构主要作了以下四方面的修改： 1、将窗口层由常规InGaAsP改为i-InP； 2、采用Al2O3作为钝化膜和抗反射膜； 3、P-I结位置由常规的InGaAs有源层改为位于I-InP 窗口层； 本设计方案是将锌扩散到I -InP顶层中靠近i-In0.53Ga0.47As光敏层处，但是没有到达光敏层。形成P+-InP(顶层)/ i-InP/i-In0.53Ga0.47As(光敏层)/i-InP(缓冲层)/N-InP（衬底）的PIN双异质结结构。当对PIN管施加-5V的反向工作偏压时，使PI结的耗尽层厚度增大并到达i-In0.53Ga0.47As光敏层内。这样可以利用异质结的分离效应，大
33、大降低器件的暗电流。因为和常规结构一样，入射光仍然可以在i-In0.53Ga0.47As光敏层内产生光生载流子，但它的暗电流却大大降低了。 根据体内暗电流的表达式可以看出：产生复合电流Igr、扩散电流Idif和隧穿电流Itun 这三部分体内暗电流都和材料的本征载流子浓度in或者禁带宽度gE有关。产生复合电流Igr正比于in；扩散电流Idif正比于2in；隧穿电流Itun和gE成反比。而材料的in是由其禁带宽度gE决定的，有KTEgVCieNNn2/=关系，即)2/exp( KTEngi。显然增N-InP+N-InPi-In Ga As0.53 0.47i-InP P+Zn/AuAl O23Au
34、GeNi/AuN-InP+N-InPi-In Ga As0.53 0.47P+Zn/AuAuGeNi/AuSiO2InGaAsP增透膜厦门大学博硕士论文摘要库大gE将大大减少in，从而使得产生复合电流Igr、扩散电流Idif和隧穿电流Itun 这三部分体内暗电流都大大减少。因此，光电探测器的暗电流是和材料的禁带宽度密切相关的，材料的禁带宽度越大，器件的暗电流越小。 我们将结的位置设计在InP窗口中，InP室温下gE1.34eV，其本征载流子浓度37104.1= cmni。而常规结构的结位于In0.53Ga0.47As有源层中，In0.53Ga0.47As在室温下eVEg75.0=，其本征载流子
35、浓度311104.5= cmni。因此选用InP作为窗口层材料时本征载流子浓度ni将减少3.85104倍。为了使得有源区仍在In0.53Ga0.47As区以保证对1.311.55 m 波长入射光敏感，我们让器件在5伏反置偏压下工作，并设计使得InP P-I结的耗尽区在5伏反置偏压下扩展到In0.53Ga0.47As区内。这样利用P+-InP/I-InP/I-InGaAs异质结结区与吸收区的分离效应，P-I结的暗电流仍然由宽禁带的InP所决定，而对1.311.55 m 波长入射光敏感的区域仍然是In0.53Ga0.47As。 所以，在同样的工艺条件下，按本方案设计的暗电流将比按常规结构设计制备的
36、暗电流小得多，也就大大提高了器件的性价比。 2.3 Al2O3做钝化膜和抗反射膜 一、Al2O3做钝化膜 几乎半导体的所有特性都在某种程度上取决于它最外面一层原子的性质、排列和周围情况。半导体的表面是指半导体和绝缘体或环境气氛之间不连续的三维区域。在晶体表面，晶格场的周期性被破坏，表面原子通常离开其理想位置，使得表面结构的电性能不同于体内结构，在表面上形成局部的电子能态，这种能态称为表面态或界面态5。表面钝化的目的是使半导体和绝缘体系统中的表面电荷（尤其是可动电荷）减少到允许的水平，并使其电荷情况稳定化，不随外界条件之变化而变化。界面态密度的大小直接影响到表面复合速度，是影响器件表面暗电流的重
37、要因素。 常规的InGaAs/InP PIN 光电探测器工艺是在材料表面生长一层SiO2薄膜或SiO2Si3N4薄膜作为钝化膜，一方面对芯片起钝化保护作用，另一方面对P+型杂质锌的选择扩散起阻挡和掩蔽作用。SiO2薄膜虽然具有较低的界面态密度和较为理想的电学参数，但是其结构疏松，对杂质Zn扩散的屏蔽作用不很理想，造成暗电流增大、反向击穿电压厦门大学博硕士论文摘要库降低、性能不稳定等问题。尤其是SiO2中的可动钠离子是影响器件稳定性和可靠性的主要因素。由于钠离子带正电，将导致半导体表面向n 型转变，产生沟道型漏电，这对我们PIN器件的表面有很大的影响。Si3N4薄膜的界面态密度较SiO2薄膜稍高
38、，其绝缘性能和屏蔽作用良好，不过其生产设备的投资较高，生产过程较复杂，不利于生产成本的降低；而在SiO2薄膜上再生长一层Si3N4薄膜，形成SiO2Si3N4双层薄膜作为钝化膜，其效果比单层的SiO2薄膜和Si3N4薄膜都好，但是SiO2Si3N4的双层薄膜增加了在钝化膜生长和选择腐蚀上的复杂性，生产成本增加。 我们选择Al2O3薄膜作为InP /InGaAs/InP PIN 光电探测器的掩蔽钝化膜。相对SiO2和 Si3N4而言，它主要有以下优点6：1、它的结构致密，密度可达3.5-4.0g/cm3，对锌选择扩散的阻挡和掩蔽效果良好。2、介电常数约为7.5，是SiO2的两倍，有很好的绝缘性能
39、，漏电流小。3、抗辐射能力比SiO2和 Si3N4都强，且具有一定的抗化学腐蚀能力。 4、Al2O3/InP界面的界面态密度很小（小于51011cm-2）, 使表面复合减小，暗电流减小。5、Al2O3膜中没有正电荷，不会产生沟道漏电流。我们用简单的真空镀膜设备，在InP基上蒸发生长了性能良好的Al2O3膜。 二、Al2O3做抗反射膜 当入射光照射到半导体表面时，将有一部分光被反射，这样造成入射到器件的光子数减少，直接影响到探测器的量子效率和响应度。为了尽量减少反射损失，通常要在半导体表面镀上抗反射膜（又称增透膜）。抗反射膜的原理，如图3.1.2所示。 图2.3.1抗反射膜的原理 图中no、na
40、、nInP分别为空气、介质膜和InP材料的折射率。r1和r2分别是空气介质膜和介质膜InP界面上的反射系数。d为介质膜的厚度。根据入射光和反射光的干涉原理可求得总的反射率r为： r2dInPnInPnan0厦门大学博硕士论文摘要库+=cos21cos2212221212221rrrrrrrrr 式中为介质膜厚度引起的相位角。1r、2r和分别为： aannnnr+=001； InPaInPannnnr+=2； nd04= 当波长为0的光垂直入射时，若膜层光学厚度为0的四分之一，即4/0=dna，则总反射率r有以下关系： 20202+=InPaInPannnnnnr 为了使反射损失达到最小，即希望
41、r0，就应有InPannn0=。即对于垂直入射光，当抗反射膜介电场数InPannn0=，厚度and 4/0=时，抗反射效果最好。 已知 no1，nInP3.3（01.311.55 m），则最佳的介质膜的折射率na应为1.82。常规的被选用的抗反射介质膜为无定型的SiO2和Si3N4,它们的折射率分别为1.46和2.05, 不符合最佳的抗反射设计要求，需要采用多层设计，这显然增加了芯片成本。我们所生长的Al2O3介质膜的折射率刚好在1.7-1.9之间，符合最佳的抗反射设计要求。当入射光波长01.311.55 m时，最佳厚度为and 4/0=0.1880.223 m。 2.4 器件光刻掩膜版图的设
42、计 光刻的基本工艺流程如下：涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、腐蚀和去胶七个步骤。光刻过程中的每一个步骤对光刻质量都有直接的影响，所以必须选择合适的工艺条件，严格做好光刻每一步，保证可使图形正确，清晰，没有钻蚀、毛刺、针孔和小岛等缺陷。 每次光刻都需要一块具有特定几何图形的光刻掩膜（俗称光刻版）。光刻工艺对光刻版的要求主要有以下几点：1、图形的尺寸要准确。图形的大小和间距必须符合设计要求，图形不发生畸变。2、整套光刻版中的各块版能一一套准，套准误差要尽量小。3、版的黑白区反差要高。4、图形边缘要光滑陡直，无毛刺，过渡区要小。5、版面要光洁，没有较大的针孔、小岛和划痕等缺陷。6、版要坚固耐磨，不易厦
43、门大学博硕士论文摘要库变形。 光刻过程中所用的光刻版是由我们设计，委托石家庄十三所加工制作的。我们设计了三种光敏面积的版图，包括光敏面直径分别为30m、75m的两种版图（PIN30，PIN75）以及光敏面积等效于直径为300m的一种版图(PIN300)。设计用的是Ledit8.3软件。版图单元如2.4.1，每个单元面积均为420m420m。 PIN30 PIN75 PIN300 图2.4.1 光刻版图单元 每种版图均有三块分立版图，分别绘制如下（以PIN75为例）。 1、第一版：光刻选择扩散窗口。 对于光敏面直径为75m的版图，我们设计扩散窗口的直径为85m。这是为了确保下一步做的电极能较快较
44、充分的传导电流。 厦门大学博硕士论文摘要库Degree papers are in the “Xiamen University Electronic Theses and Dissertations Database”. Fulltexts are available in the following ways: 1. If your library is a CALIS member libraries, please log on http:/ and submitrequests online, or consult the interlibrary loan department in your library. 2. For users of non-CALIS member libraries, please mail to for delivery details.厦门大学博硕士论文摘要库
