CN105676368A - 一种硅基微环滤波器与磷化铟基光探测器异质集成单片制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种硅基微环滤波器与磷化铟基光探测器异质集成单片制作方法：1)使用绝缘体上硅材料制作硅基微环滤波器，2)在硅基微环滤波器上制作键合材料，3)将用于制作光探测器的磷化铟衬底外延材料正面与硅基微环滤波器正面键合，4)将磷化铟衬底减薄至只留下磷化铟基外延材料，5)在磷化铟基外延材料上制作出光探测器波导、耦合波导、电极接触结构，6)在集成器件正面制作电隔离结构，并制作光探测器电极，完成硅基微环滤波器与磷化铟基光探测器异质集成单片制作；优点：充分利用了硅基光子器件低损耗、集成化优势与磷化铟基光子器件高响应大带宽优势，在异质集成单片上同时实现光载微波信号滤波与光电转换功能。
Description
技术领域
本发明属于集成微波光子器件领域，尤其是一种硅基光子器件与磷化铟基光子器件异质集成单片制作方法。
背景技术
作为光子技术与射频微波技术的交叉技术领域，微波光子技术以其独有的低损耗、大带宽、抗干扰能力强等特征，在近年得到快速发展。通过将射频微波信号调制在激光上，便可在光频上实现信号信号产生、调制、滤波、长距离低损耗传输等功能，是引领未来通信行业及雷达、电子战等军用领域的关键技术。作为微波光子通信链路的接收端，一般需要实现微波滤波、光电转换功能。微环滤波器是一种利用微环谐振腔对光频进行精确选模从而实现光载微波信号滤波的新型波导型器件，采用绝缘体上硅制作微环滤波器可利用硅基材料低损耗，便于与CMOS工艺集成的优势，已成为业界趋势。而磷化铟材料体系属于直接带隙半导体，并具有较高的电子迁移率，因此采用磷化铟衬底外延材料制作光探测器，可实现光电转换功能，将光载微波信号解调回射频微波信号，并具有高响应、大带宽的优势。
目前的微波光子通信链路中，微环滤波器与光探测器通常采用独立封装，并用光纤链路连接，导致封装成本上升、端口耦合损耗增加、微波光子系统体积庞大等问题，限制了微波光子技术向集成化发展。因此，传统的制作分立式微环滤波器与光探测器的方法存在一定的缺点。
发明内容
本发明提出的是一种硅基微环滤波器与磷化铟基光探测器异质集成单片制作方法，其目的旨在克服传统分立式微环滤波器与光探测器在封装成本、耦合损耗、系统体积等方面的缺陷，将硅基微环滤波器与磷化铟基光探测器单片异质集成，在异质集成单片上同时实现光载微波信号滤波与光电转换功能，为集成化微波光子系统提供器件基础。
为达到上述目的，本发明可采用如下技术方案：
一种硅基微环滤波器与磷化铟基光探测器异质集成单片制作方法，包括以下步骤：
1)使用绝缘体上硅材料制作硅基微环滤波器；
2)在硅基微环滤波器上制作键合材料；
3)将用于制作光探测器的磷化铟衬底外延材料正面与硅基微环滤波器正面键合；
4)将磷化铟衬底减薄至只留下磷化铟基外延材料；
5)在磷化铟基外延材料上制作出光探测器波导、耦合波导、电极接触结构；
6)在集成单片正面制作电隔离结构，并制作光探测器电极。
而为达到上述目的，本发明还可采用如下技术方案：
一种硅基微环滤波器与磷化铟基光探测器异质集成单片制作方法，包括以下步骤：
1)使用绝缘体上硅材料制作硅基微环滤波器；并在磷化铟衬底外延材料上制作波导型光探测器；
2)在硅基微环滤波器上制作键合材料；
3)将磷化铟衬底外延材料正面与硅基微环滤波器正面键合，使将微环滤波器及波导型光探测器键合；
4)将磷化铟衬底减薄至只留下磷化铟基外延材料；
5)在磷化铟基外延材料上制作出光探测器波导、耦合波导、电极接触结构；
6)在集成单片正面制作电隔离结构，并制作光探测器电极。
该技术方案与第一种技术方案相比，先分别在绝缘体上硅及磷化铟衬底外延材料制作微环滤波器及波导型光探测器，再采用苯并环丁烯材料作为键合层将两个芯片键合。
与现有技术相比，本发明能够结合硅基光子器件低损耗、集成化优势与磷化铟基光子器件高响应大带宽优势，采用硅基微环滤波器与磷化铟基光探测器单片异质集成的方法，在异质集成单片上同时实现光载微波信号滤波与光电转换功能，为集成化微波光子系统提供器件基础。
附图说明
图1是在绝缘体上硅材料制作完硅基微环滤波器的正面俯视图；
图2是硅基微环滤波器的输出端波导剖面图；
图3是在硅基微环滤波器正面制作完苯并环丁烯薄膜后输出端波导剖面图；
图4是在磷化铟外延材料正面与硅基微环滤波器正面键合后硅基微环滤波器输出端波导剖面图；
图5是对InP衬底减薄后硅基微环滤波器输出端波导剖面图；
图6是制作出光探测器波导、耦合波导、电极接触结构后的异质集成单片俯视图；
图7是制作出光探测器波导、耦合波导、电极接触结构后的异质集成单片光探测器波导剖面图；
图8是完成硅基微环滤波器与磷化铟基光探测器异质集成单片正面俯视图；
图9是完成硅基微环滤波器与磷化铟基光探测器异质集成单片光探测器剖面图。
具体实施方式
下面结合附图进一步描述本发明的技术方案；
具体方法如下：
1)在绝缘体上硅材料上光刻定义出微环滤波器图形，并采用干法刻蚀设备或湿法腐蚀手段将表层硅材料刻蚀，去除光刻胶后完成硅基微环滤波器制作。其中微环内径范围为10微米到1毫米，微环波导宽度范围为0.1微米到10微米，输入端与输出端波导宽度范围为0.1微米到10微米，输入端与输出端波导与微环波导与微环间距范围在0.05微米到1微米，表层硅材料厚度范围在0.05微米到5微米,氧化硅材料厚度范围在0.05微米到50微米。制作完硅基微环滤波器的正面俯视图如图1所示。其输出波导剖面图如图2所示。
2)在硅基微环滤波器上旋涂胶厚的的苯并环丁烯薄膜，厚度范围在0.5微米到5微米，并用刻蚀工艺将苯并环丁烯薄膜减薄到一定厚度，保证输出端波导上方仍有厚度范围从0.01微米到1微米的苯并环丁烯薄膜。此时输出波导剖面图如图3所示。在该步骤中，也可在其他实施方式中采用直接将硅基微环滤波器与磷化铟(InP)层进行键合，或者采用金属、ITO等材料替换苯并环丁烯薄膜作为键合层材料。然而针对本实施方式中，优选采用苯并环丁烯薄膜作键合层可对下层硅波导起到平坦化的作用，不易形成间隙，更适合于圆片整体键合。
3)利用键合机将用于制作光探测器的磷化铟(InP)衬底外延材料正面与硅基微环滤波器正面键合，键合温度范围为100℃到250℃，键合时间范围为10分钟到2小时。完成后微环滤波器输出端波导剖面图如图4所示。
4)先通过减薄、抛光设备将磷化铟衬底减薄至5微米到100微米，再使用湿法腐蚀液将剩余磷化铟衬底腐蚀完，剩下磷化铟基外延材料留在苯并环丁烯薄膜上。此时微环滤波器输出端波导剖面图如图5所示。磷化铟衬底外延材料自内向外包括耦合波导层、吸收层接触层、磷化铟衬底；其中耦合波导层、吸收层接触层为磷化铟基外延材料。
5)在磷化铟基外延材料上光刻定义出光探测器波导区，用干法刻蚀或湿法腐蚀方法去除所定义图形以外区域的磷化铟基外延材料中的接触层、吸收层；去除光刻胶后光刻定义出耦合波导区与电极区，用干法刻蚀或湿法腐蚀方法去除所定义图形以外区域的磷化铟基外延材料中的耦合波导层；制作出探测器波导、耦合波导、电极接触结构。耦合波导层将光探测器波导与硅基输入端波导耦合。其探测器波导宽度范围为0.1微米到10微米，长度范围为1微米到500微米，吸收层厚度范围为0.05微米到2微米，接触层厚度范围为0.05微米到5微米，耦合波导层厚度范围为0.01微米到2微米，耦合波导宽度为0.05微米到50微米范围渐变，耦合波导长度范围为0.5微米到500微米。此时异质集成单片俯视图如图6所示，光探测器波导剖面图如图7所示。
6)在集成器件正面生长厚度范围为0.05微米到5微米的电介质材料，光刻定义出电隔离层图形，用干法刻蚀去除所定义图形以外区域的电介质材料。去除光刻胶后在光刻定义光探测器电极图形，通过蒸发或溅射工艺制作光探测器金属电极，完成硅基微环滤波器与磷化铟基光探测器异质集成单片制作。此时异质集成单片正面俯视图如图8所示，光探测器剖面图如图9所示。
以上为本发明的优选实施方式。但是，也可以对上述方案中的步骤进行变化而得到其他的实施方式，比如上述优选实施方式是先在在绝缘体上硅上制作微环滤波器，再制作磷化铟衬底外延材料，然后在磷化铟衬底外延材料上制作波导型光探测器；在其他实施方式中，可以先分别在绝缘体上硅上制作微环滤波器，并在磷化铟衬底外延材料上制作波导型光探测器，然后再通过苯并环丁烯材料作为键合层将两个芯片键合，并使微环滤波器输出波导与光探测器输入波导耦合，从而在异质集成单片上同时实现光载微波信号滤波与光电转换功能。
另外，本发明的具体实现方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (10)
1.一种硅基微环滤波器与磷化铟基光探测器异质集成单片制作方法，其特征是，该方法包括以下步骤：
1)使用绝缘体上硅材料制作硅基微环滤波器；
2)在硅基微环滤波器上制作键合材料；
3)将用于制作光探测器的磷化铟衬底外延材料正面与硅基微环滤波器正面键合；
4)将磷化铟衬底减薄至只留下磷化铟基外延材料；
5)在磷化铟基外延材料上制作出光探测器波导、耦合波导、电极接触结构；
6)在集成单片正面制作电隔离结构，并制作光探测器电极。
2.根据权利要求1所述的硅基微环滤波器与磷化铟基光探测器异质集成单片制作方法，其特征是：步骤2)中，在硅基微环滤波器上制作苯并环丁烯薄膜作为键合材料。
3.根据权利要求1所述的硅基微环滤波器与磷化铟基光探测器异质集成单片制作方法，其特征是：步骤5)中，使微环滤波器输出波导与光探测器输入波导耦合，从而在异质集成单片上同时实现光载微波信号滤波与光电转换功能。
4.根据权利要求1所述的硅基微环滤波器与磷化铟基光探测器异质集成单片制作方法，其特征是：磷化铟衬底外延材料自内向外包括耦合波导层、吸收层接触层、磷化铟衬底；其中耦合波导层、吸收层接触层为磷化铟基外延材料。
5.根据权利要求1所述的硅基微环滤波器与磷化铟基光探测器异质集成单片制作方法，其特征是：步骤5)中，在磷化铟基外延材料上光刻定义出光探测器波导区；去除所定义图形以外区域的磷化铟基外延材料中的接触层、吸收层；光刻定义出耦合波导区与电极区，去除所定义图形以外区域的磷化铟基外延材料中的耦合波导层；耦合波导层将光探测器波导与硅基输入端波导耦合。
6.根据权利要求5所述的硅基微环滤波器与磷化铟基光探测器异质集成单片制作方法，其特征是：光探测器波导宽度范围为0.1微米到10微米，长度范围为1微米到500微米；吸收层厚度范围为0.05微米到2微米；接触层厚度范围为0.05微米到5微米；耦合波导层厚度范围为0.01微米到2微米；耦合波导宽度为0.05微米到50微米范围渐变，耦合波导长度范围为0.5微米到500微米。
7.根据权利要求6所述的硅基微环滤波器与磷化铟基光探测器异质集成单片制作方法，其特征是：步骤6)中，在集成单片正面生长厚度范围为0.05微米到5微米的电介质材料，光刻定义出电隔离层图形，去除所定义图形以外区域的电介质材料，再光刻定义光探测器电极图形，制作光探测器金属电极。
8.一种硅基微环滤波器与磷化铟基光探测器异质集成单片制作方法，其特征是，该方法包括以下步骤：
1)使用绝缘体上硅材料制作硅基微环滤波器；并在磷化铟衬底外延材料上制作波导型光探测器；
2)在硅基微环滤波器上制作键合材料；
3)将磷化铟衬底外延材料正面与硅基微环滤波器正面键合，使将微环滤波器及波导型光探测器键合；
4)将磷化铟衬底减薄至只留下磷化铟基外延材料；
5)在磷化铟基外延材料上制作出光探测器波导、耦合波导、电极接触结构；
6)在集成单片正面制作电隔离结构，并制作光探测器电极。
9.根据权利要求8所述的硅基微环滤波器与磷化铟基光探测器异质集成单片制作方法，其特征是：使微环滤波器输出波导与光探测器输入波导耦合，从而在异质集成单片上同时实现光载微波信号滤波与光电转换功能。
10.根据权利要求8所述的硅基微环滤波器与磷化铟基光探测器异质集成单片制作方法，其特征是：步骤2)中，在硅基微环滤波器上制作苯并环丁烯薄膜作为键合材料。
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