高速光探測器以獲得更高的3 dB帶寬為目標(biāo)，減小器件臺面面積能夠使結(jié)電容降低從而提高帶寬，但同時也增大了系統(tǒng)中的光耦合損耗。針對該問題，在高速光探測器襯底背面單片集成微透鏡結(jié)構(gòu)是一種有效的解決方案，該結(jié)構(gòu)可通過補(bǔ)償對準(zhǔn)偏差來提高器件的光耦合效率。
據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，北京郵電大學(xué)信息光子學(xué)與光通信國家重點實驗室的科研團(tuán)隊在《光子學(xué)報》期刊上發(fā)表了以“高速光探測器的集成微透鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計與制備”為主題的文章。該文章第一作者為楊曉偉，通訊作者為段曉峰。
本文設(shè)計了一種面向數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的，與1.31 μm光探測器芯片單片集成的InP基微透鏡結(jié)構(gòu)；通過熱熔法制作微透鏡膠型，并利用電感耦合等離子體刻蝕實現(xiàn)微透鏡膠型轉(zhuǎn)移，電感耦合等離子體刻蝕過程選擇SiCl?和Ar作為刻蝕氣體以保證實驗的安全性；制備了一種直徑90.3 μm、冠高18.5 μm、表面形貌光滑的InP基微透鏡結(jié)構(gòu)。單片集成微透鏡的PIN光探測器在1.31 μm波長處，入射光偏離主光軸3°的情況下，光探測器的響應(yīng)度僅下降4%。
根據(jù)所設(shè)計的PIN光探測器的層厚度以及減薄后的襯底厚度，對與光探測器單片集成的InP微透鏡進(jìn)行設(shè)計。首先通過理論計算得出微透鏡直徑為100 μm 、冠高為18 μm時的曲率半徑和匯聚焦距。圖1為集成微透鏡的背入射PIN光探測器剖面示意，圖中正面為背入射PIN光測器結(jié)構(gòu)，光探測器中間區(qū)域為InGaAs材料的吸收區(qū)；背面為InP材料的微透鏡部分；底部為入射光光纖。其中，所設(shè)計PIN光探測器的工作波長為1.31 μm，材料為InGaAs/InP系，吸收區(qū)為直徑12 μm的圓形臺面。當(dāng)入射光在微透鏡表面偏離中軸線不同位置入射時，光束將匯聚至光探測器吸收區(qū)的同一焦點處。
圖1 集成微透鏡器件的剖面示意
如圖所示，其中R為微透鏡球冠的曲率半徑，h為微透鏡球冠的冠高，D為微透鏡的底面直徑，f為微透鏡的焦距。焦距是光學(xué)系統(tǒng)中重要的參數(shù)之一，微透鏡的焦距f決定著集成器件的性能。焦距過小時，經(jīng)由微透鏡耦合，入射光將會匯聚到光探測器吸收區(qū)之前的位置；焦距過大時，經(jīng)由微透鏡耦合，入射光將會匯聚到光探測器吸收區(qū)以外的位置。因此，過大或者過小的焦距均不能提高器件的光耦合效率和補(bǔ)償對準(zhǔn)偏差。本文設(shè)計的集成微透鏡底面直徑為100 μm、冠高為18 μm，該微透鏡的曲率半徑R為78.4 μm、焦距f為114 μm，滿足單片集成光探測器的需求。
仿真分析
根據(jù)理論計算的結(jié)果，利用COMSOL仿真軟件中的電磁波和波束包絡(luò)模型，在偏離主光軸的不同位置處，仿真微透鏡對準(zhǔn)直和發(fā)散角10°的兩種入射光的匯聚和偏差補(bǔ)償功能。
1）準(zhǔn)直入射光
圖2（a）~（e）為束腰10 μm的準(zhǔn)直高斯光在偏離主光軸0 μm、2.5 μm、5 μm、7.5 μm、10 μm位置處，沿水平方向入射時經(jīng)過微透鏡的光場圖，橫軸表示準(zhǔn)直入射光穿過微透鏡后傳播的距離，縱軸表示入射光偏離主光軸移動的距離。圖中黃色箭頭為入射光方向，光束經(jīng)由微透鏡，匯聚至垂直虛線標(biāo)出的焦點處。從圖中可知，各入射光經(jīng)過微透鏡后均在同一位置處實現(xiàn)匯聚，匯聚的焦距為114 μm，與理論計算結(jié)果相符。
圖2 準(zhǔn)直入射光經(jīng)過微透鏡的光場圖
2）發(fā)散角10°的入射光
在準(zhǔn)直入射光相同位置處仿真束腰10 μm、發(fā)散角10°的入射光光場圖，如圖3（a）~（e），橫軸表示發(fā)散角10°的入射光穿過微透鏡后傳播的距離，縱軸表示入射光偏離主光軸移動的距離。當(dāng)發(fā)散光作為入射光時，經(jīng)過微透鏡后依然在焦距114 μm處實現(xiàn)良好的匯聚功能。由準(zhǔn)直光和發(fā)散角10°的入射光兩次仿真可得，所設(shè)計的微透鏡在特定的焦距下能實現(xiàn)較好的匯聚功能且性能穩(wěn)定，可以提高器件的光耦合效率并補(bǔ)償對準(zhǔn)偏差。
圖3 發(fā)散入射光經(jīng)過微透鏡的光場圖
首先通過外延生長和后工藝技術(shù)制備出臺面直徑為12 μm的PIN光探測器結(jié)構(gòu)，然后對器件的襯底進(jìn)行減薄等處理，最后在光探測器背面制備出所設(shè)計的微透鏡結(jié)構(gòu)。在對襯底進(jìn)行處理時，為了防止光探測器芯片發(fā)生破損，需要將制備好的光探測器芯片通過光刻膠粘附在氮化鋁材料的載體上，再對PIN光探測器的背面襯底進(jìn)行減薄、拋光等工藝步驟的制備，在處理好的器件背面進(jìn)行微透鏡膠型的制作和微透鏡的刻蝕工藝。
微透鏡膠型的制作
制備微透鏡首先要制作膠型，然后通過刻蝕將膠型形狀轉(zhuǎn)移到襯底上形成微透鏡，本文利用光刻膠熱熔法制作微透鏡形狀的膠型。光刻膠熱熔法是制備微透鏡的常用技術(shù)，可以利用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體設(shè)備和工藝制作出形貌尺寸符合要求的微透鏡膠型。該方法實驗可重復(fù)性高，微透鏡膠型均勻性好且成本較低。
膠型的制作工藝步驟包括：勻膠、前烘、去邊膠、曝光、顯影和熱熔等。首先對InP襯底滴涂AZ4620光刻膠，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)速900 rad/s、時間20 s的低速勻膠和轉(zhuǎn)速2 000 rad/s、時間50 s的高速勻膠，接著對襯底進(jìn)行溫度90 ℃、時間150 s的前烘。為了不影響曝光質(zhì)量，曝光之前用丙酮進(jìn)行去邊膠處理；去邊膠后進(jìn)行一定時間的曝光和顯影；將顯影后的InP襯底進(jìn)行溫度140 ℃、時間150 s的高溫?zé)崛郏纬晌⑼哥R形狀的膠型。圖4為微透鏡膠型的制作步驟，其中圖4（a）為勻膠工藝后的示意圖，下方區(qū)域為InP襯底層，上方區(qū)域為AZ4620光刻膠層；圖4（b）為曝光工藝示意圖，光刻膠區(qū)域上方的物體為掩膜版，黃色箭頭為紫外光可以透過掩膜版照射光刻膠的區(qū)域；圖4（c）為顯影工藝后的示意圖，中間部分為制作的微透鏡膠型，兩邊為非透鏡膠型區(qū)域，在刻蝕后非透鏡膠型區(qū)域可以對微透鏡形成保護(hù)作用；圖4（d）為熱熔工藝后的示意圖，膠型區(qū)域熱熔成微透鏡形狀，由于非透鏡區(qū)域也受到熱熔作用，其邊緣會形成凸起的弧形。
圖4 光刻膠熱熔法的制作步驟示意
通過熱熔法制作出底面直徑為100 μm、冠高為13 μm的膠型，為了觀察所制作膠型的表面形貌，利用電子束蒸發(fā)（PVD）設(shè)備在膠型表面鍍一層Au，然后利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察。圖5為光學(xué)顯微鏡下鍍Au后的膠型圖，圖6為SEM圖。由圖可知，微透鏡膠型邊緣無缺損較為完整，表面無凹陷較為光滑，具有較好的均勻性和一致性。
圖5 膠型鍍Au的光學(xué)顯微鏡圖
圖6 膠型鍍Au的SEM圖
微透鏡的刻蝕
將制作好的微透鏡膠型進(jìn)行ICP刻蝕，從而把膠型的微透鏡形狀轉(zhuǎn)移到襯底上，最終在襯底上形成InP材料的微透鏡。從實驗安全角度考慮，ICP刻蝕采用較為安全的SiCl?氣體和惰性氣體Ar。SiCl?氣體為主要的刻蝕氣體，在射頻下產(chǎn)生的活性自由基與InP材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)來進(jìn)行刻蝕；兩種氣體產(chǎn)生的氬離子和氯離子對光刻膠進(jìn)行物理轟擊作用，同時也對反應(yīng)過程中產(chǎn)生的生成物進(jìn)行轟擊去除，增加微透鏡表面形貌的光滑程度。
在ICP刻蝕過程中，對影響刻蝕的不同條件進(jìn)行研究和實驗，然后通過刻蝕制備出滿足設(shè)計需求的集成微透鏡。實驗對腔壓、Ar流量、RF功率這幾個影響ICP刻蝕的重要因素進(jìn)行分析：
1）腔壓
圖7為不同腔壓下的刻蝕情況，其中A~D分別為腔壓0.798 Pa、0.399 Pa、0.332 5 Pa和0.266 Pa下刻蝕微透鏡的光學(xué)顯微鏡照片。在腔壓0.266 Pa時，刻蝕的微透鏡表面比較光滑，冠高為17.4 μm，實驗結(jié)果較好。在一定范圍內(nèi)，當(dāng)腔壓逐漸減小時，ICP刻蝕反應(yīng)腔內(nèi)氣體電離出的離子和活性自由基減少，減緩離子對光刻膠的物理作用，降低活性自由基對InP材料的化學(xué)反應(yīng)速率，導(dǎo)致刻蝕時間加長，而且去光刻膠的速率慢于刻蝕InP的速率，最終在減小腔壓下刻蝕出的微透鏡拱高是逐漸增大的。
圖7 不同腔壓的微透鏡高度
2）Ar流量
圖8為改變Ar流量時，微透鏡拱高的變化，其中A~D分別表示Ar流量為10 sccm、12 sccm、13 sccm和14 sccm下刻蝕的微透鏡在光學(xué)顯微鏡下的圖片。在Ar流量為13 sccm時，刻蝕的微透鏡表面光滑，冠高為16.7 μm，實驗結(jié)果較好。在一定范圍內(nèi)，Ar流量較小時，如A和B所示，刻蝕出的微透鏡邊緣會出現(xiàn)波紋形的條狀坑，這是由于反應(yīng)生成物淀積到微透鏡表面導(dǎo)致的。隨著Ar流量的逐漸增大，可以較快地去除掉淀積在微透鏡表面的反應(yīng)生成物，使微透鏡表面的光滑程度有所改善。但是當(dāng)Ar流量過大時，如D所示，刻蝕出的微透鏡表面會出現(xiàn)密集的點狀坑，此現(xiàn)象是由于物理濺射作用太強(qiáng)，導(dǎo)致微透鏡表面的粗糙程度增大，而過大的Ar流量會降低微透鏡的拱高。
圖8 不同Ar流量的微透鏡高度
3）RF功率
圖9為改變RF功率時，刻蝕微透鏡的時間變化，其中A~D分別表示RF功率為60 W、90 W、105 W和120 W時刻蝕微透鏡的光學(xué)顯微鏡照片。在RF功率為105 W、刻蝕時間為105 min時，刻蝕的微透鏡表面光滑，冠高為18.5 μm，實驗結(jié)果較好。在一定范圍內(nèi)，RF功率逐漸增大時，垂直方向的電場作用力逐漸增強(qiáng)，加強(qiáng)了刻蝕的物理濺射作用，使去除光刻膠的速度V1和InP刻蝕速度V2加快，從而增大刻蝕速率，縮短刻蝕時間，由于V2大于V1，使得微透鏡的拱高更高。另一方面，物理濺射作用增強(qiáng)，能有效去除掉淀積在表面的反應(yīng)生成物，使刻蝕表面更加光滑。
圖9 不同RF功率的微透鏡刻蝕時間
結(jié)合仿真和實驗條件的優(yōu)化，最終選擇SiCl4流量為13 sccm、Ar流量為13 sccm、腔壓為2 mTorr、ICP功率為500 W、RF功率為105 W的ICP刻蝕條件，在105 min的刻蝕時間后，制備出直徑為90.3 μm、冠高為18.5 μm、表面光滑的InP微透鏡。圖10為所制備的InP微透鏡的SEM圖，所制備的微透鏡邊緣無缺陷較為完整，表面無生成物附著、無凹陷的坑狀特征，形貌比較光滑。
圖10 可集成微透鏡的SEM圖
在1.31 μm波長的入射光下，利用源表、光纖、探針臺等儀器對背面單片集成微透鏡的PIN光探測器進(jìn)行響應(yīng)度測試。在測試過程中，波長為1.31 μm激光器輸出的光信號通過光纖入射到光探測器中，光探測器產(chǎn)生的電信號經(jīng)過高頻線進(jìn)入到源表，改變激光器的輸出光功率并記錄源表上對應(yīng)的光電流數(shù)值，最終計算出PIN光探測器的響應(yīng)度。圖11為光探測器的響應(yīng)度測試圖片。
圖11 光探測器響應(yīng)度的測試圖
圖12為測試的器件響應(yīng)度隨所加反向偏壓變化的歸一化（NOR）擬合曲線，其中插圖為所制備集成器件的背面圖片，橫軸為所加的反向偏壓，縱軸為歸一化后的器件響應(yīng)度，從圖中可以看出，當(dāng)反向偏壓從0 V變化到6 V時，器件的響應(yīng)度逐漸增大。
圖12 不同反向偏壓下的歸一化響應(yīng)度
對制備的器件進(jìn)行入射光不同位置處的響應(yīng)度測試，其中，定義入射光在主光軸位置入射時的角度為0°，然后對入射光偏離主光軸15°范圍內(nèi)進(jìn)行測試，得到各個不同位置處入射光的響應(yīng)度。入射光偏離主光軸15°范圍內(nèi)入射時，測得的器件響應(yīng)度的歸一化擬合曲線如圖13，橫軸為入射光所偏移的角度，縱軸為器件歸一化后的響應(yīng)度。由圖可知，當(dāng)入射光位置偏離主光軸3°時，器件響應(yīng)度比在0°入射時降低4%左右；當(dāng)入射光位置偏離主光軸6°時，器件響應(yīng)度比在0°入射時降低16%左右；當(dāng)入射光位置偏離主光軸大于6°時，器件的響應(yīng)度迅速下降。
圖13 不同位置處的歸一化響應(yīng)度
本文設(shè)計、仿真并制備了單片集成在光探測器背面的InP微透鏡，能夠提高器件的光耦合效率并補(bǔ)償對準(zhǔn)偏差。通過仿真得到，在準(zhǔn)直和發(fā)散角10°的兩種光入射下，直徑100 μm、冠高18 μm的微透鏡均在焦距114 μm處實現(xiàn)匯聚功能，滿足集成在光探測器背面的要求。利用光刻膠熱熔法，制作了表面光滑無凹陷的微透鏡膠型。刻蝕氣體采用較為安全的SiCl?和Ar，通過研究腔壓、刻蝕氣體流量和RF功率等條件對ICP刻蝕的影響，最終選擇SiCl?流量13 sccm、Ar流量13 sccm、反應(yīng)腔內(nèi)壓強(qiáng)0.266 Pa、RF功率105 W的ICP刻蝕條件，制備出直徑90.3 μm、拱高18.5 μm、表面形貌光滑的InP微透鏡。對集成微透鏡的背入射PIN光探測器進(jìn)行響應(yīng)度測試，在1.31 μm波長的入射光偏離主光軸3°方向入射下，光探測器的響應(yīng)度僅下降4%，所制備的InP微透鏡滿足設(shè)計需求。
這項研究獲得創(chuàng)新研究群體項目（No. 62021005）和國家重點研發(fā)計劃（No. 2018YFB2200803）的資助和支持。
DOI: 10.3788/gzxb20235208.0823001
