一种砷化镓基单片光电子集成接收机前端结构及制作方法

摘要

本发明是一种砷化镓基单片光电子集成接收机前端结构及其制作方法。针对通常采用共源-共栅结构作为增益单元的分布放大器，提出了包括栅传输线输入微带直线布局、漏传输线正反向终端微带阻抗调整、以及增益单元中电阻和若干微带线阻抗调整的方法，获得良好频域和时域响应；整合了砷化镓PHEMT放大器工艺与MSM光探测器工艺，采用反应离子刻蚀形成光探测器台面工艺、MSM光探测器叉指电极与PHEMT器件栅电极分先后制作工艺、以及三次氮化硅介质淀积形成MSM光探测器增透和钝化介质工艺。优点：分布放大器布局紧凑，其带宽优势得到充分发挥，综合性能良好；单片集成工艺合理，兼顾PHEMT放大器与MSM光探测器特点，流水效率高。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种单片光电子集成接收机前端结构及制作方法，尤其是一种砷化镓赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)放大器与金属-半导体-金属光探测器(MSM PD)单片集成的设计及制造工艺，属于单片微波集成电路和光电子技术的交叉领域。

背景技术

单片光电子集成将激光器、光探测器等光电子器件与前置放大器、限幅放大器等微波电路制作在同一衬底之上(单芯片)，以最大程度地减小互联寄生参数对器件最高工作速率的限制，并且消除或减少了互联焊点而有利于提高集成器件的可靠性。光探测器与前置放大器组成的光接收机前端是单片光电子集成的两个主要方向之一。光探测器通常采用PIN、APD和MSM三种形式，各具特点，从单片集成的角度考虑，MSM光探测器为平面结构，工艺相对简单，易于集成，而且其电容仅为相同光敏面积PIN光探测器的1/4～1/5，在高速率应用中具有优势。单片集成光接收机前端通常采用光探测器在上、放大电路在下的重叠结构，因此流水过程中电路区域的上层光探测器材料需要被去除，然后才能进行放大电路有源和无源元件的加工。由于光电转换效率的要求，光探测器通常具有较厚(微米量级)的有源区，而高速化合物半导体微波器件层结构通常为深亚微米或数十纳米量级，流水中将较厚的光探测器材料均匀地去除而不对其下的微波器件材料带来不利影响是一项难度很大的工作，极具挑战性。一般采用干法刻蚀或者湿法刻蚀终止技术来完成该区域的加工，不过由于光探测器有源层刻蚀技术是单片光电集成接收机前端研制中的关键环节，在公开发表的论文中，国内外研究者一般只是简单提及，或者回避这个问题，鲜有详细论述。前置放大器是单片光电集成接收机前端的另一个组成部分，其增益、带宽和噪声性能的优化存在冲突，需要根据实际目标进行折衷。相对于以跨阻放大器为代表的集总参数放大器，分布参数放大器将晶体管输入、输出电容纳入人工传输线(ATL)结构，克服了前者难以避免的宽带匹配问题，极大地拓展了带宽。分布放大器栅、漏传输线特性阻抗、截止频率、终端负载等决定了其主要电学性能，而由于分布效应的存在，传输线布局在很大程度上影响了上述特性，目前的设计中大量存在传输线布局可进一步改进的情况，这在一定程度上制约了分布放大器带宽优势的充分发挥。此外，分布式放大器多采用共源-共栅(Cascode)结构，通过调整其中的电阻与若干段微带线来获得需要的增益曲线，由于这些元件涉及放大器噪声、增益、群延迟等性能，需要确定有效的调整方法以获得综合性能优良的前置放大器。

发明内容

本发明提出一种砷化镓基单片光电子集成接收机前端结构及制作方法，MSM光探测器叉指电极长度、宽度和间距设计兼顾量子效率和工作速率的要求，表面覆盖一定厚度的氮化硅介质作为增透层和钝化层。PHEMT分布式前置放大器采用Cascode结构作为增益单元，确立了一种方法来调整该单元中相关电阻与微带线阻抗，以获得适当的负阻效应而在一定程度上补偿漏传输线损耗，并得到小的噪声系数与较为一致的信号群延迟；采用最短栅传输线直线布局，以消除微带线弯折带来的额外电容，有利于提高传输线截止频率，以及缩短漏传输线中相位匹配微带线和输出微带线的长度；适当增大漏传输线反向输出末端微带线阻抗、减小正向输出末端微带线阻抗以提高放大器高频增益。

本发明的技术解决方案：一种砷化镓基单片光电子集成接收机前端结构，其结构是包括分布式前置放大器和光探测器，其中分布式前置放大器PHEMT器件源极长度和宽度为10μm和50μm、栅电极长度和宽度分别是0.5μm和100μm、漏极长度和宽度分别是10μm和50μm；放大器采用7个共源-共栅结构作为增益单元，栅传输线终端负载、漏传输线反向终端负载阻抗均为50Ω，栅传输线输入微带宽度10μm、长度1780μm，共栅晶体管栅端串联电阻阻值15Ω、共栅晶体管栅偏置电阻阻值148Ω，电容为2.1pF，共源晶体管源端微带宽度和长度分别是10μm和200μm、共源晶体管漏端与共栅晶体管源端之间的微带宽度和长度分别是16μm和554μm，微带线宽度和长度分别是20μm和50μm，共栅晶体管漏端微带宽度和长度分别是16μm和610μm，放大器输出端微带传输线宽度20μm、长度3120μm，放大器漏传输线正向输出端口微带线宽度和长度分别是30μm和270μm，放大器漏传输线反向输出端口微带线宽度和长度分别是11μm和60μm；光探测器叉指电极宽度和长度0.75μm，电极间距0.75μm。

一种砷化镓基单片光电子集成接收机前端结构及制作方法，包括如下设计：

一、砷化镓基单片光电子集成接收机前端中的分布式前置放大器输入端微带传输线采用直线布局，其长、宽数值与晶体管输入电容及所传输的信号功率相匹配；

二、放大器漏传输线反向输出端口微带线宽度小于放大器输出端微带传输线的宽度，放大器漏传输线正向输出端口微带线宽度大于放大器输出端微带传输线的宽度，即适当增大反向端口微带阻抗，同时减小正向输出端口微带阻抗；

三、调整共源晶体管源端微带、共源晶体管漏端与共栅晶体管源端之间的微带、微带阻抗及共栅晶体管栅端串联电阻阻值，使Cascode结构输出阻抗实部为负，以补偿漏传输线损耗，优化过程中共栅晶体管栅端串联电阻始终小于20Ω，使放大器在获得平坦增益曲线的同时，也具有较低的噪声系数；

四、调整共源晶体管漏端与共栅晶体管源端之间的微带与共栅晶体管漏端微带阻抗，使得增益曲线在中、高频段略呈平滑的下降趋势，以获得一致的信号群延迟；

五、采用氯气与三氯化硼作为气源的反应离子刻蚀形成台阶高度准确、刻蚀后的铝镓砷表面光滑平整的MSM光探测器台面，该台面高度1.4μm，刻蚀气氛为Cl₂∶BCl₃＝1∶5，微波功率150W，气压10mTorr，直流偏置150V，刻蚀至1.35μm时撤去微波功率，气压不变，直流偏置降至20V，直至台阶高度达到1.4μm；

六、砷化镓基单片光电子集成接收机前端中的MSM光探测器叉指电极与PHEMT器件栅电极均采用Ti/Pt/Au金属体系与砷化镓材料形成肖特基接触，因二者位于高度不同的平面，以及金属层厚度不一致，采用先加工光探测器叉指电极，然后加工栅电极；

七、整个流程淀积三次氮化硅材料，满足作为MSM光探测器增透层的要求，并且具有较小的体泄漏电流，总厚度5500分别作为辅助剥离介质、栅保护介质以及电容介质，厚度依次为32001000和1300淀积气体组份NH3∶SiH4∶He分别为1∶100∶200、1∶80∶200、1∶100∶200，淀积温度分别为220℃、160℃、220℃。

本发明的优点：设计的分布放大器布局紧凑，栅、漏传输线寄生电容小，在有效减小芯片面积的同时，充分发挥了分布参数前置放大器大带宽的优势；此外，还具有小的噪声系数和较为一致的群延迟，即放大器频域和时域综合性能良好；MSM光探测器台面刻蚀控制精确，表面光滑平整，损伤小，没有对后续工艺带来不利影响。尤其值得一提的是，没有采用通常的刻蚀终止技术，简化了材料层结构设计及外延；将砷化镓PHEMT放大器工艺与MSM光探测器工艺有机地整合在一起，提高了流水效率，并兼顾了各自特点，大大提高了一次投片成功率，有利于批量生产。

附图说明

附图1是本发明的单片光电子集成接收机前端材料示意图

附图2是本发明的单片光电子集成接收机前端结构示意图。

附图3是本发明的分布式前置放大器原理框图。

附图4是本发明的分布式前置放大器增益单元框图。

附图5是本发明的金属-半导体-金属光探测器示意图。

附图6是本发明的赝配高电子迁移率晶体管示意图。

附图中1是前置放大器，2是光探测器，3是RIE刻蚀后的铝镓砷表面，4是连接光探测器与放大器的空气桥，5是放大器输入端压点、6是放大器输入端微带传输线、7是放大器栅传输线终端负载，8～14是相同的七个Cascode增益单元，15是放大器漏传输线反向终端负载，16是放大器漏传输线反向输出端口微带线，17是放大器输出端微带传输线，18是放大器漏传输线正向输出端口微带线，19是放大器输出端压点，20是共源晶体管源端微带，21是共源晶体管，22是共栅晶体管栅端串联电容，23是共源晶体管漏端与共栅晶体管源端之间的微带，24是共栅晶体管栅端串联电阻、25是微带，26是共栅晶体管，27是共栅晶体管栅偏置电阻，28是共栅晶体管漏端微带，29、32分别是光探测器叉指电极引出端压点，30、31均是光探测器叉指电极，32是PHEMT器件漏极引出端，33是PHEMT源极、34是栅电极、35是漏极，36是栅极引出端。

具体实施方式

实施例1：设计砷化镓基单片光电子集成接收机前端，其结构包括分布式前置放大器和光探测器，其中分布式前置放大器PHEMT器件源极33长度和宽度分别是10μm和50μm、栅极34长度和宽度分别是0.5μm和100μm、漏极35长度和宽度分别是10μm和50μm；放大器采用7个共源-共栅结构作为增益单元，栅传输线终端负载7、漏传输线反向终端负载15阻抗均为50Ω，栅传输线输入微带6宽度10μm、长度1780μm微米，电阻24、27阻值分别为15Ω、148Ω，电容22为2.1pF，微带线20宽度和长度分别是10μm和200μm、微带线23宽度和长度分别是16μm和554μm，微带线25宽度和长度分别是20μm和50μm，微带线28宽度和长度分别是16μm和610μm，漏传输线输出微带17宽度20μm、长度3120μm，正向、反向输出端口微带18宽度和长度分别是30μm和270μm，正向、反向输出端口微带16宽度和长度分别是11μm和60μm；光探测器叉指电极30、光探测器叉指电极31宽度和长度0.75μm，电极间距0.75μm。

砷化镓基单片光电子集成接收机前端的制作方法

光探测器台面设计高度1.4μm，RIE刻蚀气氛为Cl₂∶BCl₃＝1∶5，微波功率150W，气压10mTorr，直流偏置150V，刻蚀至1.35μm时撤去微波功率，气压不变，直流偏置降至20V，直至台阶高度达到1.4μm；

氮化硅介质总厚度5500其中辅助剥离介质厚度3200栅保护介质厚度1000电容介质厚度1300气体组份NH3∶SiH4∶He分别为1∶100∶200、1∶80∶200、1∶100∶200，淀积温度分别为220℃、160℃、220℃。

实施例2：设计砷化镓基单片光电子集成接收机前端，其结构包括分布式前置放大器和光探测器，其中分布式前置放大器PHEMT器件源极33长度和宽度分别是10μm和50μm，栅极长度和宽度分别是340.5μm和100μm，漏极35长度和宽度分别是10μm和50μm；放大器采用7个共源-共栅结构作为增益单元，传输线特性阻抗及终端负载7、15阻抗均为50Ω，栅传输线输入微带6宽度10μm、长度1780μm微米，电阻24、27阻值分别为22Ω、148Ω，电容22为2.1pF，微带线20宽度和长度分别是10μm和200μm、微带线23宽度和长度分别是16μm和500μm、微带线25宽度和长度分别是20μm和50μm、微带线28宽度和长度分别是16μm和550μm，漏传输线输出微带17宽度20μm、长度3300μm，正向、反向输出端口微带18宽度和长度分别是30μm和270μm，正向、反向输出端口微带16宽度和长度分别是11μm和60μm；光探测器叉指电极30、光探测器叉指电极31宽度和长度0.75μm，电极间距0.75μm。

砷化镓基单片光电子集成接收机前端的制作方法

光探测器台面设计高度1.4μm，RIE刻蚀气氛为BCl₃，微波功率150W，气压10mTorr，直流偏置150V，刻蚀至1.35μm时撤去微波功率，气压不变，直流偏置降至20V，直至台阶高度达到1.4μm。

氮化硅介质总厚度5500其中辅助剥离介质、栅保护介质、电容介质厚度分别为320010001300气体组份NH3∶SiH4∶He均为1∶80∶200，淀积温度分别为240℃、160℃、240℃。

具体实施时，

1)分布式前置放大器设计中，首先提取包括S参数、输入输出电容等在内的晶体管模型，并设定传输线特性阻抗，然后根据电路原理进行原理图布局、模拟，以得到适当的正、反向增益曲线、输入输出端口驻波比曲线、噪声系数、稳定因子、群延迟曲线、眼图等为目标。考虑到光探测器输出光电流一般较小，栅传输线输入微带宽度及长度选择余地较大，可在适当范围内调整其宽度及长度，并结合史密斯圆图对图3所示Cascode增益单元中相关无源元件进行调整(关键元件参数调整方法及要求已在技术方案特征一节中叙述)，从而得到如前所述的相应输出曲线。最后根据晶体管横向和纵向尺寸，以及由电路模拟和设计规则确定的相关无源元件尺寸，确定符合栅传输线输入微带直线布局的方案，并依此进行版图设计，其合理性通过电磁场模拟确认；

2)采用反应离子刻蚀形成光探测器台面，在一定的微波功率、气压以及直流偏置下，通过调整混合气体中氯气与三氯化硼比例来获得适当的刻蚀速率、各向异性效果、以及表面形貌。由于常规干法刻蚀所致表面损伤可能对PHEMT器件性能带来不利影响，刻蚀过程中采用较低的偏置电压和中等微波功率，并在刻蚀结束前的一段时间内撤去微波功率、进一步降低偏置电压而保持其它参数不变，如此，损伤层得以有效去除，而且放大器区域材料表面3光滑平整，粗糙度接近刻蚀前的表面；

3)光探测器叉指电极长度通常选择略大于光纤直径(数十微米)，考虑到量子效率和工作速率的要求，电极宽度和间距在亚微米至微米量级，因此，叉指电极呈密集狭长的LINE/SPACE结构，在金属剥离工艺上存在一定难度，这一点与PHEMT器件栅电极有所区别，二者共同之处在于：均对光刻工艺要求很高，对光刻条件中的最佳焦平面位置及曝光时间要求严格。流水过程中必须面对的是：光探测器叉指电极与PHEMT器件栅电极位于高度不同的两个平面上，光刻机焦深难以同时满足二者要求。因此，采用叉指电极在前、栅电极在后制作的方案，光刻条件完全一致，叉指电极金属层厚度略小于栅电极，以利于金属剥离；

4)介质生长分三次完成，依次是辅助剥离介质、栅保护介质和电容介质，分别用于源漏电极、电阻、一次布线等金属化后的剥离、栅电极保护，以及MIM电容制作，同时，这三层介质也作为光探测器增透和钝化层，其厚度满足介质上下两个表面反射光干涉相长的要求。采用氨气(NH3)、硅烷(SiH₄)和氦气(H₂)作为反应气体，在一定范围内优化组份、温度等淀积条件，使得电场作用下的介质具有较小的体泄漏电流，有利于提高光探测器灵敏度。