高速光探測(cè)器以獲得更高的3 dB帶寬為目標(biāo)，減小器件臺(tái)面面積能夠使結(jié)電容降低從而提高帶寬，但同時(shí)也增大了系統(tǒng)中的光耦合損耗。針對(duì)該問題，在高速光探測(cè)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(duì)準(zhǔn)偏差來提高器件的光耦合效率。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，北京郵電大學(xué)信息光子學(xué)與光通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研團(tuán)隊(duì)在《光子學(xué)報(bào)》期刊上發(fā)表了以“高速光探測(cè)器的集成微透鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)了一種面向數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的，與1.31 μm光探測(cè)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(cè)器在1.31 μm波長處，入射光偏離主光軸3°的情況下，光探測(cè)器的響應(yīng)度僅下降4%。

微透鏡的設(shè)計(jì)

理論設(shè)計(jì)

根據(jù)所設(shè)計(jì)的PIN光探測(cè)器的層厚度以及減薄后的襯底厚度，對(duì)與光探測(cè)器單片集成的InP微透鏡進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先通過理論計(jì)算得出微透鏡直徑為100 μm 、冠高為18 μm時(shí)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(cè)器剖面示意，圖中正面為背入射PIN光測(cè)器結(jié)構(gòu)，光探測(cè)器中間區(qū)域?yàn)镮nGaAs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(jì)PIN光探測(cè)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(tái)面。當(dāng)入射光在微透鏡表面偏離中軸線不同位置入射時(shí)，光束將匯聚至光探測(cè)器吸收區(qū)的同一焦點(diǎn)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(shí)，經(jīng)由微透鏡耦合，入射光將會(huì)匯聚到光探測(cè)器吸收區(qū)之前的位置；焦距過大時(shí)，經(jīng)由微透鏡耦合，入射光將會(huì)匯聚到光探測(cè)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(duì)準(zhǔn)偏差。本文設(shè)計(jì)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(cè)器的需求。

仿真分析

根據(jù)理論計(jì)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(duì)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(shí)經(jīng)過微透鏡的光場(chǎng)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(dòng)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)匯聚，匯聚的焦距為114 μm，與理論計(jì)算結(jié)果相符。

圖2 準(zhǔn)直入射光經(jīng)過微透鏡的光場(chǎng)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(chǎng)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(dòng)的距離。當(dāng)發(fā)散光作為入射光時(shí)，經(jīng)過微透鏡后依然在焦距114 μm處實(shí)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(jì)的微透鏡在特定的焦距下能實(shí)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(duì)準(zhǔn)偏差。

圖3 發(fā)散入射光經(jīng)過微透鏡的光場(chǎng)圖

微透鏡的制備

首先通過外延生長和后工藝技術(shù)制備出臺(tái)面直徑為12 μm的PIN光探測(cè)器結(jié)構(gòu)，然后對(duì)器件的襯底進(jìn)行減薄等處理，最后在光探測(cè)器背面制備出所設(shè)計(jì)的微透鏡結(jié)構(gòu)。在對(duì)襯底進(jìn)行處理時(shí)，為了防止光探測(cè)器芯片發(fā)生破損，需要將制備好的光探測(cè)器芯片通過光刻膠粘附在氮化鋁材料的載體上，再對(duì)PIN光探測(cè)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(shí)驗(yàn)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(duì)InP襯底滴涂AZ4620光刻膠，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)速900 rad/s、時(shí)間20 s的低速勻膠和轉(zhuǎn)速2 000 rad/s、時(shí)間50 s的高速勻膠，接著對(duì)襯底進(jìn)行溫度90 ℃、時(shí)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(shí)間的曝光和顯影；將顯影后的InP襯底進(jìn)行溫度140 ℃、時(shí)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?yàn)镮nP襯底層，上方區(qū)域?yàn)锳Z4620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(duì)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(huì)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(shí)驗(yàn)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(duì)光刻膠進(jìn)行物理轟擊作用，同時(shí)也對(duì)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(duì)影響刻蝕的不同條件進(jìn)行研究和實(shí)驗(yàn)，然后通過刻蝕制備出滿足設(shè)計(jì)需求的集成微透鏡。實(shí)驗(yàn)對(duì)腔壓、Ar流量、RF功率這幾個(gè)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(shí)，刻蝕的微透鏡表面比較光滑，冠高為17.4 μm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好。在一定范圍內(nèi)，當(dāng)腔壓逐漸減小時(shí)，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(duì)光刻膠的物理作用，降低活性自由基對(duì)InP材料的化學(xué)反應(yīng)速率，導(dǎo)致刻蝕時(shí)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(shí)，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(shí)，刻蝕的微透鏡表面光滑，冠高為16.7 μm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好。在一定范圍內(nèi)，Ar流量較小時(shí)，如A和B所示，刻蝕出的微透鏡邊緣會(huì)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(shí)，如D所示，刻蝕出的微透鏡表面會(huì)出現(xiàn)密集的點(diǎn)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(huì)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(shí)，刻蝕微透鏡的時(shí)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(shí)刻蝕微透鏡的光學(xué)顯微鏡照片。在RF功率為105 W、刻蝕時(shí)間為105 min時(shí)，刻蝕的微透鏡表面光滑，冠高為18.5 μm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好。在一定范圍內(nèi)，RF功率逐漸增大時(shí)，垂直方向的電場(chǎng)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(shí)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(shí)間

結(jié)合仿真和實(shí)驗(yàn)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(shí)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

測(cè)試

在1.31 μm波長的入射光下，利用源表、光纖、探針臺(tái)等儀器對(duì)背面單片集成微透鏡的PIN光探測(cè)器進(jìn)行響應(yīng)度測(cè)試。在測(cè)試過程中，波長為1.31 μm激光器輸出的光信號(hào)通過光纖入射到光探測(cè)器中，光探測(cè)器產(chǎn)生的電信號(hào)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(duì)應(yīng)的光電流數(shù)值，最終計(jì)算出PIN光探測(cè)器的響應(yīng)度。圖11為光探測(cè)器的響應(yīng)度測(cè)試圖片。

圖11 光探測(cè)器響應(yīng)度的測(cè)試圖

圖12為測(cè)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(shí)，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(duì)制備的器件進(jìn)行入射光不同位置處的響應(yīng)度測(cè)試，其中，定義入射光在主光軸位置入射時(shí)的角度為0°，然后對(duì)入射光偏離主光軸15°范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，得到各個(gè)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(shí)，測(cè)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(shí)，器件響應(yīng)度比在0°入射時(shí)降低4%左右；當(dāng)入射光位置偏離主光軸6°時(shí)，器件響應(yīng)度比在0°入射時(shí)降低16%左右；當(dāng)入射光位置偏離主光軸大于6°時(shí)，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

結(jié)論

本文設(shè)計(jì)、仿真并制備了單片集成在光探測(cè)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(duì)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(shí)現(xiàn)匯聚功能，滿足集成在光探測(cè)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?？涛g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(duì)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(duì)集成微透鏡的背入射PIN光探測(cè)器進(jìn)行響應(yīng)度測(cè)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(cè)器的響應(yīng)度僅下降4%，所制備的InP微透鏡滿足設(shè)計(jì)需求。

審核編輯：彭菁