摘要
本研究采用三维异构集成技术实现单行载流子光电二极管与微波集成电路芯片堆叠集成，研制出一款微波光子应用的高功率、宽带探测器芯片。通过优化单行载流子光电二极管的材料掺杂和外延工艺，显著提高了功率承受能力；采用集成背入射透镜和增设金属反射层的设计，有效提升了响应度；通过提取光电二极管的精确模型并采用阻抗补偿及宽带匹配电路设计技术，成功增强了宽带特性。将光电二极管芯片倒装集成在微波集成电路芯片上，大幅减小了芯片互连电路对高频性能的不利影响；采用高导热率底层芯片的设计，极大提升了探测器芯片的导热性能和高功率处理特性。研制的三维异构集成光电探测器1 dB带宽高达42 GHz，射频回波损耗优于11 dB，响应度优于0.85 A/W，暗电流低于50 nA，饱和输入光功率超过120 mW。三维异构集成微波光子探测器芯片实现了优异的带宽和响应度特性，该设计方法为微波光子应用提供了创新性的解决方案。
关键词
随着新一代高速、大容量移动通信的迅猛发展，微波光子技术作为微波与光子技术交汇的前沿领域，在提升信号传输效率和降低系统功耗方面展现出独特的价值。该技术通过结合微波技术的高效传输和光子技术的低损耗特性，为移动通信对高工作频率的追求和应对空间传输损耗的挑战提供了创新解决方案。特别是射频光传技术，将微波信号转换成光信号并利用光纤进行传输，为天线远距离布置、分布式阵列和无线网络广域覆盖等提供了有力支撑，有望给这些领域带来重要的技术进
单行载流子光电二极管（UTC-PD）仅由电子作为载流子，较传统PIN光电二极管具有更高的饱和电流和更快的响应速度，已成为高功率及高速探测器的理想选择。然而单行载流子光电二极管在追求高饱和输入光功率、高响应度和高工作频率这三个关键性能指标过程中，面临着内在的矛盾和技术难题。例如，为了实现高饱和输入光功率，芯片需要能够承受大光电流；高工作频率的实现要求器件具有低的寄生参量和小的感光面积，但这些因素又限制了输入光功率的提高。因此，研究者在提升这些性能指标时，需要在相互矛盾的指标之间找到平衡
本文解决了单行载流子光电二极管光生载流子的高速输运机理、材料外延技术、崖层和吸收层厚度设计在内的一系列关键技术挑战，成功研发出高功率光电二极管。基于芯片三维异构集成工艺，突破了芯片间高频互连技术，显著降低了芯片间信号互连寄生特性影响，大幅提升了探测器的工作频率。通过引入芯片高效散热技术，提高了芯片的热导率，增强了微小感光面积和高电流密度的光电二极管芯片的可靠性。因此，本研究实现的宽带、高功率三维异构集成微波光子探测器芯片，在带宽、响应度、饱和输入光功率等关键指标上实现了显著提升，1 dB带宽超过42 GHz、响应度优于0.85 A/W、暗电流低于50 nA。微波与光子器件三维异构集成的设计方法，为微波光子器件的应用提供了创新性的解决方案。
当光电二极管输入高功率光信号时，其本征区电场受到空间电荷Screening效应等因素的影响，导致光生载流子向耗尽层迁移时，空间电荷在其分布中会形成一个与偏置电场方向相反的电
本研究中，我们设计的单行载流子光电二极管芯片材料结构为500 nm至800 nm厚的P型掺杂的InGaAs吸收层和一个100 nm至300 nm厚的i型非掺杂的InGaAs吸收层，这一结构位于一个400 nm厚的P+掺杂的InP阻挡层与一个10 nm至50 nm厚的N型InP崖层之间。此外，P/N接触层采用重掺杂的InGaAs和InP结构，以形成有效的欧姆接触。为了提升单行载流子光电二极管的频率响应性能，采用湿法刻蚀工艺形成T型结构台面，以降低二极管的结电容和减小欧姆接触电阻。基于InP材料的光电芯片工艺，我们制备了直径20 μm光敏面的改进型UTC-PD芯片，其结构设计详细展示如
图1 单行载流子光电二极管结构图
Fig.1 schematic cross-sectional view of the UTC photodiode
面感光型光电二极管的感光面积与寄生结电容成正比，是影响其工作频率的一个关键因素。一般通过减小感光面积来降低结电容，从而提升工作频
图2 微透镜光路仿真
Fig. 2 The schematic diagram of micro-lens simulation
在本研究中，我们通过在光电二极管的电极层上镀覆高反射率的薄膜来增强其对光信号的吸收效能。入射光穿过PN结吸收层后，透射光信号被反射膜所反射，从而增加了等效的光吸收长度，实现对入射光的二次吸收。该设计方法显著提高了光电二极管对入射光信号的吸收效果，为解决高工作频率和高响应度光电二极管面临的技术挑战提供了一种有效的解决方案。
光电器件与微波器件在材料工艺和制备技术等方面存在显著差异。这些差异导致实现单片集成微波光子器件面临较大的技术挑战和较高的成本。虽然光电二极管和微波电路的混合集成技术已被开发，但其集成度低、频率性能不佳，难以满足宽带和高性能应用的需求。近年来基于硅光工艺的单片集成微波光子探测器已取得进展，但在工作频率和饱和输入光功率等关键性能指标上仍存在不
高功率光电二极管需具备强大的光电流承受能力、热功率耗散能力。高工作频率光电二极管感光面积小、电极的欧姆接触电阻大，当输入高功率光信号时，产生较大光电流和热量，如果热耗散不足会导致光电二极管温度过高，引发光饱和或热烧毁。因此，增强光电二极管的功率耗散能力，对提升输入光功率能力至关重要。
采用芯片三维异构集成的设计方法，通过采用SiC衬底（热导率400 W/（m·K））替代InP衬底（热导率97 W/（m·K）），显著提高了光电二极管的热导率。使用高导热率的金锡合金微凸点，实现光电二极管与微波集成电路芯片之间的混合键合。该设计显著增强了微波光子探测器的功率耗散能力及其对高输入光功率的处理性能，为提升微波光子探测器的整体性能提供了一种有效途径。
图3 三维异构集成微波光子探测器芯片
Fig.3 3D heterogeneous integration photoreceiver
该模型通过光控电流源（Gs）、PN结电容（Ci）、欧姆接触电阻（Rs）、接触电感（Ls）和电极电容（Cs）等参数，准确表征光电二极管的频率特性。其中，光控电流源（Gs）描述光电二极管的光电转换特性，其中G代表直流增益，T表示与电流增益相关的延时，F为电流增益带宽，f是工作频率。
图4 单行载流子光电二极管等效模型
Fig.4 Equivalent model of UTC diode
光电二极管的频率相关跨导可以表达为
| . | （1） |
通过引入频率高阶加权来提高等效模型的准确性，采用一阶系数K1、二阶系数K2、以及三阶系数K3修正模型频率特性，光控电流源GS可以通过下述公式进行表达。
| . | （2） |
我们利用微波光子参数测试平台测量光电二极管的频率响应，采用GSG共面波导结构载体，将光电二极管倒装焊接于该载体上，进行光学及微波探针测试。根据芯片测试数据，通过频率高阶加权拟合模型参数，建立光电二极管精确的等效模型。在40 GHz测试范围内，模型的幅度响应误差小于±0.1 dB，相位误差小于±0.8°，光电转换的频率特性误差小于±0.5 dB。该等效模型为理解和预测光电二极管的性能提供了重要工具，为微波光子探测器的设计与优化提供了基础。
图5 UTC-PD模型频率特性误差
Fig.5 UTC-PD Equivalent model frequency characteristic error
基于单行载流子光电二极管的等效模型，采用如
图6 微波光子探测器原理框图
Fig. 6 Photoreceiver device schematic
基于晶圆级异构集成工艺，在微波集成电路晶圆上制备金锡合金微凸点，并利用芯片混合键合技术实现光电二极管与微波集成电路芯片的倒装集成，构建异构集成微波光子探测器芯片。采用仅5 μm高度的微凸点替换传统平面混合集成封装中约300 μm长度键合金丝，显著降低了光电二极管与微波电路间互连线高频寄生特性的影响。基于三维异构集成的微波光子探测芯片设计，极大拓展了工作频率，实现了平坦的光电频率响应。
图7 探测器芯片仿真频率响应
Fig.7 Simulated frequency response of the photoreceiver
基于InP基光电芯片工艺平台成功制备了单行载流子光电二极管（UTC-PD）芯片，其尺寸为0.34 mm×0.34 mm×0.15 mm。采用精细的刻蚀工艺在芯片背面实现光滑表面的圆形微透镜，该透镜拥有100 μm的曲率半径、90 μm的表面直径以及12 μm的拱形高度。微透镜刻蚀面平滑，无任何聚合物残留，底部呈现出完美的规则圆形形状。
图9 （a）UTC-PD芯片正面照片；（b）芯片背面照片
Fig.9 Picture of the UTC-PD front face（a）and bottom face（b）
基于芯片三维异构集成技术，将UTC-PD芯片倒装（Flip-chip）到微波集成电路芯片上，实现了异构集成微波光子探测器芯片。
图10 微波光子探测器芯片
Fig. 10 Picture of the photoreceiver
采用光波元件分析仪对探测器芯片的光学特性和微波特性进行测试。通过光纤探针实现光信号的耦合输入，采用微波GSG探针实现微波信号的连接。测试结果表明研制的微波光子探测器芯片具有出色的性能指标：光学响应度优于0.85 A/W，暗电流小于50 nA，偏振相关损耗低于0.1 dB，1 dB带宽超过42 GHz，端口回波损耗优于11 dB。基于光电混合封装工艺，研制的小型化微波光子探测器模块，其尺寸仅为12.7 mm×17.8 mm×8 mm。该探测器模块在0.8 A/W的响应度时，饱和输入光功率达到120 mW。
图11 探测器芯片频率响应
Fig.11 Experiment frequency response of the photoreceiver
本文优化UTC-PD的外延层厚度和掺杂浓度，改进了外延结构，显著提升了光功率能力及响应速度；采用金属反射层、背入射一体化集成微透镜设计，增强了光电二极管的响应度；采用频率高阶加权优化等效模型的准确度，并通过宽带匹配电路的设计，优化探测器的频率响应特性；利用金锡合金微凸点代替键合金丝引线，大幅度降低了互联引线的高频寄生影响，扩展微波光子探测器的工作频率；同时，采用高导热率的衬底和金锡合金微凸点技术，有效提升了探测器芯片的热导率。通过UTC-PD与微波集成电路的三维异构集成技术，研发了一款高功率、宽带异构集成微波光子探测器芯片，该芯片展现了超过42 GHz的1 dB宽带性能、0.85 A/W的高响应度，以及超过120 mW的饱和输入光功率。本研究所采用的三维异构集成技术充分发挥了InP光电器件和微波集成电路的材料及工艺平台优势，促进了微波光子器件向高功率、高性能、多功能集成化的发展，为微波光子器件的工程化应用提供了新的途径。
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