CN106684104B - 一种单片集成平衡探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种MMI输出波导与波导型探测器共下波导的单片集成平衡探测器及其制备方法。该单片集成平衡探测器包括：衬底，其左、中、右三区域分别作为MMI区域、PD区域和共面电极CPW区域；MMI输出波导，呈条状，位于衬底上的所述MMI区域；波导型探测器，呈条状，形成于衬底上PD区域的MMI与PD公用下波导芯层的上方；MMI与PD公用下波导芯层同时作为PD的下接触层，其上用于制作探测器的N电极；PD接触层上用于制作探测器的P电极；金属共面电极，其由两部分组成：接触电极部分，与波导型探测器的PD接触层和MMI与PD公用下波导芯层相连接。本发明实现了MMI与波导型探测器的集成，解决了分立的光学器件过多的耦合损耗并提高了接收机系统的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及光电子器件及其集成领域，尤其涉及一种MMI输出波导与波导型探测器共下波导的单片集成平衡探测器件及其制备方法。
背景技术
光接入网和移动互联网的应用更加普及，各种各样的新型互联网应用层出不穷，新兴的互联网业务，尤其是高带宽业务如互联网视频、P2P视频共享、视频会议、高清VOD以及交互式业务等迅猛增长，使得互联网流量呈现出指数增长，人们对高速通信系统的需求越来越迫切。目前，增加通信系统容量的方式主要为多路复用和相干通信技术。以相干调制和外差探测为基础的相干通信技术以其高速、中继距离长、灵敏度高等优势已成为目前高速通信系统的主流技术。平衡探测器作为相干通信接收机的关键器件，具有重要的研究价值和应用前景。此外，平衡探测器还可以广泛应用于如激光雷达、高精度光谱分析、空间探测、气体检测等领域高性能信号检测的需求。
与微电子领域将众多晶体管大规模集成以实现复杂的功能和降低成本类似，集成多种功能的光电子器件也成为发展趋势，是降低应用系统成本、缩小系统体积和增强系统稳定性的关键因素之一。
本发明以研究单片集成平衡光探测器为主要目标，研制出MMI输出波导与高速平衡探测器共下波导单片集成平衡探测器，满足高速、低成本光通信系统中高灵敏度相干检测、新调制码型检测和模拟通信链路中高性能信号检测等需求。
本发明中采用光波导型探测器解决了传统探测器高带宽与高响应度之间的制约关系，并适用于与多模干涉耦合器(MMI)、多波长复用/解复用器件(AWG)进行平面集成。单片集成的多模干涉耦合器(MMI)与平衡探测器芯片可以实现高速探测器芯片在增加探测器的高响应速率下，同时保证较高的芯片响应度。其中，多模干涉耦合器(MMI)的单片集成替代了传统相干接收机的3dB耦合器及光延时线，保证了无源与有源之间的耦合效率，减小了系统体积，为高速光传输网络系统的相干接收提供了一种很好的解决方案，具有广泛的应用。
发明内容
针对上述现有技术中的问题，本发明提供了一种MMI输出波导与波导探测器共下波导的单片集成平衡探测器件及其制备方法，以实现MMI与波导型探测器的集成，解决分立的光学器件过多的耦合损耗并提高接收机系统的稳定性。
根据本发明，提供了一种MMI输出波导与波导型探测器共下波导的单片集成平衡探测器。本发明提出了两种方法来增大PD之间的隔离：包括在PD之间部分区域注入He+来增加相连波导区域的电阻；在集成器件中刻蚀隔离台面，减小波导结构相连的面积以增加电学隔离电阻。
本发明通过二次外延确定MMI区域的外延材料，并通过一步统一刻蚀，形成PD台面与MMI的表面图形，消除了有源与无源波导之间的对准问题，大大减小了工艺复杂度。
本发明结构紧凑，器件体积减小，相对于分立器件，缩小了电互连距离，稳定性好，实现了MMI与波导型探测器的集成，解决了分立的光学器件过多的耦合损耗并提高接收机系统的稳定性，为进一步提高通信容量打下了基础。
本发明以研究单片集成平衡光探测器为主要目标，研制出MMI输出波导与高速平衡探测器共下波导单片集成平衡探测器，满足高速、低成本光通信系统中高灵敏度相干检测、新调制码型检测和模拟通信链路中高性能信号检测等需求。
附图说明
图1A为MMI输出波导与波导型探测器共下波导对接的单片集成平衡探测器的立体示意图。光纤的本振光和信号光分别通过两支MMI输入波导24的进入MMI多模干涉区25，通过MMI器件进行功率分配，并由MMI输出波导20输入进入相应的探测器内，由串联形式的金属共面电极CPW 40进行平衡探测信号的提取，将光信号转换成电信号，实现数据传输。
图1B为图1A所示集成器件沿A-A面的剖视图，衬底10之上，其左、中、右三个区域分别为：MMI区域，PD区域，CPW区域。MMI区域自下而上包括：MMI与PD公用下波导包层21，MMI与PD公用下波导芯层22，MMI上波导层23。PD区域自下而上包括：PD收集层31，PD匹配层32，PD吸收层33，PD上盖层34，PD接触层35和金属共面电极CPW 40的部分结构。CPW区域自下而上包括：聚酰亚胺或BCB 50和金属共面电极CPW 40的主要结构。
图2为金属共面电极CPW 40的示意图。自下而上包括：接触电极部分，分别与波导型探测器30的PD接触层35和MMI与PD公用下波导芯层22呈条形结构连接；平面电极结构，包括CPW的p电极41，CPW的pn电极42和CPW的n电极43，各分电极之间存在一定的间隙，互为独立金属图形。
图3为根据本发明实施例MMI输出与波导型探测器共下波导的单片集成平衡探测器的制备流程图。
图4为制备流程步骤a，衬底10表面进行一次材料外延结构示意图。
图5A为制备流程步骤b的纵向结构示意图，刻蚀出有源区台面。
图5B为制备流程步骤b的俯视示意图，刻蚀出有源区台面。
图6为制备流程步骤c，离子注入电学隔离沟俯视示意图。注入区域呈横向“8”字型，恰好将相邻的一组PD之间隔离开，使PD独立和PD隔离之间形成电学隔离沟。
图7为制备流程步骤d，二次外延纵向结构示意图。二次外延材料的生长区域为MMI区域和CPW区域，二次外延MMI上波导层23，二次外延材料为未掺杂的InP。
图8A为制备流程步骤e，制作集成器件表面图形的纵向截面示意图。二次外延后的表面进行MMI与高速探测器单片集成结构的整体刻蚀：刻蚀表面形成的MMI结构和PD结构分别分布在MMI区域和PD区域。
图8B为制备流程步骤e，制作集成器件表面图形俯视示意图。二次外延后的表面进行MMI与高速探测器单片集成结构的整体刻蚀：刻蚀表面形成的MMI结构和PD结构分别分布在MMI区域和PD区域。
图9为制备流程步骤f，刻蚀隔离台面表面俯视示意图。隔离台面的图形与MMI与高速探测器单片集成结构类似，但在除纵向方向的其他方向上各展宽3um，其包括PD条形结构、MMI输入输出条形结构及MMI体结构。
图10为制备流程步骤h，制作PDN电极的俯视示意图。
图11为制备流程步骤j，制作金属共面电极CPW 40的俯视示意图。
主要元件：
10-衬底；
20-MMI输出波导；
21-MMI与PD公用下波导包层；22-MMI与PD公用下波导芯层；23-MMI上波导层；24-MMI输入波导；25-MMI多模干涉区；
30-波导型探测器；31-PD收集层；32-PD带隙匹配层；33-PD吸收层；34-PD上盖层；35-PD接触层；
40-金属共面电极CPW；
41-CPW的p电极；42-CPW的pn电极；43-CPW的n电极；
50-聚酰亚胺或BCB
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明以半导体工艺构建出器件的主体结构，首先通过共下波导芯层的二次外延技术生长MMI区域，其次并通过统一刻蚀形成PD区域与MMI区域的表面图形，两者无需对准刻蚀使器件的成品率提高，再次通过在半绝缘衬底上制作金属共面电极，减小器件RC电容，提高器件的带宽。
在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种MMI输出波导与波导型探测器的集成器件。图1A为根据本发明实施例MMI输出波导与波导型探测器共下波导对接的单片集成平衡探测器的立体示意图，光纤的本振光和信号光分别通过两支MMI输入波导24的进入MMI多模干涉区25，通过MMI器件进行功率分配，并由MMI输出波导20输入进入相应的探测器内，由串联形式的金属共面电极CPW 40进行平衡探测信号的提取，将光信号转换成电信号，实现数据传输。
图1B为图1A所示集成器件沿A-A面的剖视图，衬底10之上，其左、中、右三个区域分别为：MMI区域，PD区域，CPW区域。图1A和图1B所示，本实施例MMI输出波导与波导型探测器共下波导的单片集成平衡探测器包括：
衬底10，其左、中、右三区域分别作为MMI区域、PD区域和共面电极CPW区域；
MMI输出波导20，呈条状，其主体部分位于衬底上的所述MMI区域，自下而上包括：MMI与PD公用下波导包层21，MMI与PD公用下波导芯层22，MMI上波导层23，其中，MMI与PD公用下波导层21和MMI与PD公用下波导芯层22延伸至PD区域；
波导型探测器30，呈条状，形成于衬底上PD区域的MMI与PD公用下波导芯层22的上方，自下而上包括：PD收集层31，PD匹配层32，PD吸收层33，PD上盖层34，PD接触层35和金属共面电极CPW 40的部分结构，其中，MMI与PD公用下波导芯层22同时作为PD的下接触层，其上用于制作探测器的N电极，PD接触层35，其上用于制作探测器的P电极；
金属共面电极CPW 40，其由两部分组成：接触电极部分，分别与波导型探测器30的PD接触层35和MMI与PD公用下波导芯层22呈条形结构连接；平面电极结构，其形成于聚酰亚胺或BCB 50之上或之间，其平面结构顺序由三部分组成：CPW的p电极41，CPW的pn电极42和CPW的n电极43，各分电极之间存在一定的间隙，互为独立金属图形，图2所示；
其中，制作在MMI与PD公用下波导芯层22之上PD的N电极和制作在PD接触层35结构之上PD的P电极通过条形结构与金属共面电极相连接。CPW的p电极41与独立PD的P电极通过条形结构相连接；CPW的pn电极42与独立PD的N电极和隔离PD的P电极通过条形结构相连接；CPW的n电极43与隔离PD的N电极通过条形结构相连接。
需要说明，独立PD与隔离PD构成平衡探测器的整体，独立PD是指该PD的P电极与N电极之间相互独立，隔离PD是指该PD的P电极与独立PD的N电极串联，且该PD的N电极与独立PD的N电极处于同一结构层中，因而该PD需要做特别的电学隔离，使其P电极与N电极独立。
本实施例中，在MMI输出波导中传输的光自下而上由MMI的波导芯层由折射率拍频效应通过PD匹配层32逐渐耦合到PD吸收层33中。本实施例通过单片集成MMI输出波导与波导型探测器，避免了分立器件的端面损耗和互联时过多的耦合损耗，利用PD匹配层32大大提高了光链路中的光场耦合效率，减小了不同材料之间的带隙突变。
以下分别对本实施例中的MMI输出波导与波导型探测器共下波导的单片集成平衡探测器的各个组成部分进行详细说明。
本实施例中，衬底10，衬底为半绝缘InP衬底。衬底上的各层通过金属有机物化学气相沉积(MOCVD)方式外延生长而成，包括：MMI与PD公用下波导包层21，MMI与PD公用下波导芯层22，PD收集层31，PD匹配层32，PD吸收层33，PD上盖层34和PD接触层35。
本实施例中，请参照图1A和图1B,MMI区域的结构包括：MMI输入波导24，MMI多模干涉区25，MMI输出波导20。其中，MMI输入波导24和MMI输出波导20由分别由两根连接S型波导的条形波导构成，宽度为2-3μm，表面图形深度为1-2μm，其深度取决于二次外延波MMI上波导层23的厚度。
本实施例中，请参照图1A和图1B,PD区域的结构包括：不受电学影响的独立PD,定义为PD独立和需要做电学隔离的隔离PD,定义为PD隔离。PD结构中的N电极制作在MMI与PD公用下波导芯层22之间或之上，PD结构中的P电极制作在PD接触层35之上。PD的宽度为2-3μm,通过调整PD的长度可以使得探测器的响应度与响应速率要求达到设计要求。
本实施例中，请参照图1A和图1B,共面电极CPW区域的纵向结构自下而上包括：半绝缘衬底10，聚酰亚胺或BCB 50和金属共面电极(CPW)40。参照图2所示，金属共面电极40的表面分布结构包括：CPW的p电极41通过条形结构与PD独立的p电极相连接；CPW的pn电极42通过条形结构同时与PD独立的n电极和PD隔离的p电极相连接；CPW的n电极43通过条形结构与PD隔离的n电极相连接。所述金属共面电极CPW 40的使用材料为TiAu合金。
本实施例中，所述MMI输出波导20中：MMI与PD公用下波导包层21为未掺杂的InP层；MMI与PD公用下波导芯层22为与InP匹配的N型掺杂InGaAsP层；MMI上波导层23为未掺杂的InP层。所述波导型探测器30中：PD收集层31为未掺杂的InP层；PD匹配层32为未掺杂的一种或多种掺杂组分接能带匹配的InGaAsP层；PD吸收层33为P型到未掺杂的掺杂渐变InGaAs层，PD上盖层34为P型掺杂的InP层；PD接触层35为P型掺杂的InGaAs接触层。
其中，所述MMI与PD公用下波导芯层22中，InGaAsP层的掺杂浓度为2×1018/cm3；所述PD吸收层33中，P型InGaAs吸收层自下而上的掺杂浓度由5×1017/cm3渐变到1×1018/cm3；所述PD上盖层34中，P型InP的掺杂浓度为2×1018/cm3；所述PD接触层35中，P型InGaAs的掺杂浓度为1019/cm3。
本实施例中，通过调整所述波导型探测器30中各层的厚度可以使得探测器的响应度与响应速率要求达到最优值，具体的各层参数范围：MMI与PD公用下波导包层21包括厚度约300-500nm的InP缓冲层及衬底半绝缘InP层；MMI与PD公用下波导芯层22厚度为250-350nm；MMI上波导层23厚度为1-2um；PD收集层31厚度为300nm；PD带隙匹配层32包括厚度分别为20-50nm的一种或多种能带匹配层；PD吸收层33厚度为100-300nm，PD上盖层34厚度为300-800nm；PD接触层35厚度为50-150nm。
其中，MMI与PD公用下波导芯层22根据其在衬底上分布的区域不同具有两个功能：在MMI区域，其功能为限制光场传输；在PD区域，其功能为为PD提供N接触层，其上用于制作PD的N型金属电极。
其中，在PD的N接触层上，即MMI与PD公用下波导芯层22，制作PD的N型金属电极，金属电极材料为Au与AuGeNi合金；在PD接触层35之上制作PD的P型金属电极。
本实施例中，PD匹配层32的等效折射率大于MMI与PD公用下波导芯层22的折射率，从而对光有一定的引导作用，使得光场以较高的效率从MMI波导层转移到PD吸收层33。
至此，本实施例MMI输出波导与波导型探测器共下波导的单片集成平衡探测器介绍完毕。
图3为根据本发明实施例MMI输出与波导型探测器共下波导的单片集成平衡探测器的制备流程图，如图所示的制备流程详细如下：
步骤a：一次外延。通过化学气象外延在衬底10的上表面自下而上一次外延MMI与PD公用下波导盖层21，MMI与PD公用下波导芯层22，PD收集层31，PD带隙匹配层32，PD吸收层33，PD上盖层34和PD接触层35；其中，外延各层后的外延片的左、中、右区域分别作为MMI区域、PD区域和共面电极CPW区域；如图4所示。
本实施例中，MMI与PD公用下波导包层21包括厚度为500nm的InP缓冲层及衬底半绝缘InP层；MMI与PD公用下波导芯层22厚度为300nm；MMI上波导层23厚度为1um；PD收集层31厚度为300nm；PD带隙匹配层32包括厚度分别为50nm的1.2Q和1.4Q的InGaAsP能带匹配层；PD吸收层33厚度为150nm，PD上盖层34厚度为500nm；PD接触层35厚度为100nm。
本实施例中，所述MMI与PD公用下波导芯层22为N型掺杂的InGaAsP材料，掺杂浓度为2×1018/cm3；所述PD吸收层33为P型掺杂的InGaAs材料，自下而上的掺杂浓度由5×1017/cm3渐变到1×1018/cm3；所述PD上盖层34为P型掺杂的InP材料，掺杂浓度为2×1018/cm3；所述PD接触层35为P型掺杂的InGaAs材料，掺杂浓度为1019/cm3。
步骤b：刻蚀出有源区台面。对外延各层后的器件的MMI区域和CPW区域进行刻蚀，在MMI区域需要刻蚀掉的材料结构包括：PD收集层31，PD带隙匹配层32，PD吸收层33，PD上盖层34和PD接触层35；MMI区域和CPW区域仅保留MMI与PD公用下波导盖层21和MMI与PD公用下波导芯层22，刻蚀出有源区台面，其上用于制作PD结构，如图5A纵向截面示意图和图5B俯视图所示。
在本实施例中，在图4所示结构的表面首先通过光刻手段形成有源区的掩蔽层，即对除去MMI区域和CPW区域之外的有源区之上进行掩蔽保护，然后通过湿法与干法相结合的腐蚀工艺去掉掩蔽层之外的相关层结构，即对外延各层后的器件的MMI区域和CPW区域进行刻蚀。
步骤c：离子注入电学隔离沟。对MMI区域和CPW区域进行选区He+注入：注入区域呈横向“8”字型，恰好将相邻的一组PD之间隔离开，使PD独立和PD隔离之间形成电学隔离沟；如图6所示。
通过优化He+的注入深度和注入强度可以使器件获得较大的隔离电阻，同时获得较低的光学损耗。
步骤d：二次外延。对基于步骤c的器件表面进行二次材料外延，二次外延材料的生长区域为MMI区域和CPW区域，二次外延MMI上波导层23，二次外延的材料为未掺杂的InP；二次外延后的外延片表面的MMI区域和PD区域形成如权利要求1所述的所有外延层结构，如图7所示；
步骤e：制作集成器件表面图形。在二次外延后的表面进行MMI与高速探测器单片集成结构的整体刻蚀：刻蚀表面形成的MMI结构和PD结构分别分布在MMI区域和PD区域；MMI结构刻蚀停止在MMI与PD公用下波导芯层22之上；PD结构刻蚀停止在MMI与PD公用下波导芯层22之内；CPW区域的表面刻蚀停止在MMI与PD公用下波导芯层22之上，如图8A纵向截面示意图和图8B俯视图所示。
本步骤中，首先在如图7所示的材料表面进行氧化硅掩蔽层的生长，然后通过光刻在掩蔽层表面形成MMI于波导型探测器的平面结构，最后用干法刻蚀，依次刻蚀出氧化硅掩蔽图形，并利用氧化硅掩蔽图形在材料结构表面刻蚀处MMI与波导型探测器的表面结构。
步骤f：刻蚀隔离台面。隔离台面的图形与MMI与高速探测器单片集成结构类似，但在除纵向方向的其他方向上各展宽3um，其包括PD条形结构、MMI输入输出条形结构及MMI体结构，如图9所示。
本步骤中，隔离台面的深度为3um，使得两波导型PD之间除去集成器件以外的MMI与PD公用下波导芯层22完全刻蚀干净，使得共面电极CPW区域的材料刻蚀到半绝缘衬底位置。
在半绝缘衬底上进行金属CPW的制作，可以减少器件的RC电容效应，增加器件的响应带宽。
步骤g：器件表面钝化。在步骤f的基础之上，对器件表面进行化学方法的钝化处理。
本实施例中，在步骤f的基础之上，首先采用光栅溴溶液对干法刻蚀的器件表面进行轻度腐蚀光滑处理，然后对平滑后的器件进行化学钝化处理，将器件浸泡于浓度大于8％的硫化铵溶液中10-20分钟。
需要注意的是，钝化步骤完成后需要尽快生长350-450nm的氧化硅包覆层，对材料表面进行保护。
步骤h：制作PD的N电极。在f的基础上，首先通过光刻的工艺手段在器件的N电极位置进行开窗口，即在氧化硅表面用光刻胶掩蔽，将N电极的位置作为窗口暴露，然后腐蚀窗口位置的氧化硅包覆层，使N型掺杂的材料暴露，并在其上进行Au与AuGeNi合金电极的蒸镀，如图10所示。
步骤i：制作PD的P电极。在h的基础上，首先通过光刻的工艺手段在器件的P电极位置进行开窗口，即在氧化硅表面用光刻胶掩蔽，将P电极的位置作为窗口暴露，然后腐蚀窗口位置的氧化硅包覆层，使PD接触层35暴露，并在其上进行Au与AuZn合金电极的蒸镀。注意：本步骤中的金属蒸镀可以省略。不再图示赘述。
步骤j：制作金属共面电极CPW 40。在步骤j的基础上，首先在材料表面蒸镀或溅射TiAu，并通过光刻在CPW区域制作金属共面电极CPW 40的掩蔽图形,通过湿法腐蚀制作金属图形，如图11所示。
步骤k：材料背面减薄，使材料整体厚度达到100μm，以利于器件的解理测试工作。
至此，MMI输出波导与波导型探测器共下波导的单片集成平衡探测器制备完毕。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明MMI输出波导与波导型探测器共下波导的单片集成平衡探测器制备方法有了清楚的认识。需要说明的是，以上所述每一步骤之间都需要根据具体的工艺流程进行表面清洁。上述步骤中对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域技术人员可以对其进行简单的更改或替换：例如：波导型探测器的p接触层和n接触层的位置可以互换；本发明的技术方案还可以应用其他类型的衬底和材料，只需要满足相关的结构，同样应当包括在本发明的保护范围之内。
此外，在说明书和权利要求书中，未图示或描述的实现方式，均为所属技术领域或者能够普通技术人员所知的形式，故未进行详细说明。在说明书和权利要求书中提到的方向用语，例如“左”“中”“右”“上”“下”“前”“后”等，仅是参考附图的方向，并非限制本发明的保护范围。本文所提供的包含特定值的参数示范，无需确切的等于相应的值，而是可在可接受范围的误差容限或设计约束内近似于相应值。并且，在制备方法汇总，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序无需限制于以上所列，且可以根据所设计进行变化或重新安排。
综上所述，本发明以半导体工艺构建出器件的主体结构，通过二次外延技术实现了MMI与波导型探测器外延结构的兼容，同时采用整体一次刻蚀的方法减小了耦合损耗和工艺误差，大大提高了光链路中器件的效率，另外平衡探测器在相干通信及差分探测等多个方面具有广阔的应用前景。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，并不限制于本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种MMI输出波导与波导型探测器共下波导的单片集成平衡探测器，其特征在于，包括：
衬底(10)，其左、中、右三区域分别作为MMI区域、PD区域和共面电极CPW区域；
MMI输出波导(20)，呈条状，位于衬底上的所述MMI区域，自下而上包括：MMI与PD公用下波导包层(21)，MMI与PD公用下波导芯层(22)和MMI上波导层(23)；
波导型探测器(30)，呈条状，形成于衬底上PD区域的MMI与PD公用下波导芯层(22)的上方，自下而上包括：PD收集层(31)，PD带隙匹配层(32)，PD吸收层(33)，PD上盖层(34)和PD接触层(35)；
其中，MMI与PD公用下波导芯层(22)同时作为PD的下接触层，其上用于制作探测器的N电极；其中，PD接触层(35)，其上用于制作探测器的P电极；
金属共面电极CPW(40)，其由两部分组成：接触电极部分，与波导型探测器(30)的PD接触层(35)和MMI与PD公用下波导芯层(22)相连接；平面电极结构，其形成于衬底(10)之上或之间，其平面结构顺序由三部分组成：CPW的p电极(41)，CPW的pn电极(42)和CPW的n电极(43)；各分电极之间存在一定的间隙，互为独立金属图形；
其中，制作在PD下接触层之上的N电极和制作在PD条形结构之上的P电极通过条形结构与金属共面电极相连接。
2.根据权利要求1所述的MMI输出波导与波导型探测器共下波导的单片集成平衡探测器，其特征在于，所述MMI区域的结构包括：
一个或多个级联MMI结构；
MMI的所有输出波导阵列，即MMI输出波导(20)；
其中，MMI输出波导(20)的总支数为2或2的整数倍。
3.根据权利要求1所述的MMI输出波导与波导型探测器共下波导的单片集成平衡探测器，其特征在于，所述PD区域的结构包括：
成对的PD一组或若干组，两个为1组，其中，一组PD分为不受电学影响的独立PD和需要做电学隔离的隔离PD，不受电学影响的独立PD被定义为PD独立，需要做电学隔离的隔离PD被定义为PD隔离。
4.根据权利要求3所述的MMI输出波导与波导型探测器共下波导的单片集成平衡探测器，其特征在于，所述共面电极CPW区域的结构包括：
CPW的p电极(41)通过条形结构与PD独立的p电极相连接；
CPW的pn电极(42)通过条形结构同时与PD独立的n电极和PD隔离的p电极相连接；
CPW的n电极(43)通过条形结构与PD隔离的n电极相连接。
5.根据权利要求1所述的MMI输出波导与波导型探测器共下波导的单片集成平衡探测器，其特征在于：
所述衬底(10)为InP半绝缘衬底；
所述MMI输出波导(20)中，MMI与PD公用下波导包层(21)为未掺杂的InP层；MMI与PD公用下波导芯层(22)为与InP匹配的N型掺杂InGaAsP层；MMI上波导层(23)为未掺杂的InP层；
所述波导型探测器(30)中，PD收集层(31)为未掺杂的InP层；PD带隙匹配层(32)为未掺杂的一种或多种掺杂组分接能带匹配的InGaAsP层；PD吸收层(33)为P型到未掺杂的掺杂渐变InGaAs层，PD上盖层(34)为P型掺杂的InP层；PD接触层(35)为P型掺杂的InGaAs接触层；
所述金属共面电极CPW(40)的使用材料为TiAu合金。
6.根据权利要求1所述的MMI输出波导与波导型探测器共下波导的单片集成平衡探测器，其特征在于：
所述MMI输出波导(20)中，MMI与PD公用下波导包层(21)包括厚度为300-500nm的InP缓冲层及衬底半绝缘InP层；MMI与PD公用下波导芯层(22)厚度为250-350nm；MMI上波导层(23)厚度为1-2um；
所述波导型探测器(30)中，PD收集层(31)厚度为300nm；PD带隙匹配层(32)包括厚度分别为20-50nm的一种或多种能带匹配层；PD吸收层(33)厚度为100-300nm，PD上盖层(34)厚度为300-800nm；PD接触层(35)厚度为50-150nm；
所述金属共面电极CPW(40)中，其下依次为聚酰亚胺或BCB结构(50)，衬底(10)。
7.根据权利要求1所述的MMI输出波导与波导型探测器共下波导的单片集成平衡探测器，其特征在于：
所述MMI与PD公用下波导芯层(22)根据其在衬底上分布的区域不同具有两个功能：在MMI区域，其功能为限制光场传输；在PD区域，其功能为为PD提供N接触层，其上用于制作PD的N型金属电极。
8.根据权利要求1所述的MMI输出波导与波导型探测器共下波导的单片集成平衡探测器，其特征在于：
所述MMI与PD公用下波导芯层(22)中，InGaAsP层的掺杂浓度为2×1018/cm3；
所述PD吸收层(33)中，P型InGaAs吸收层自下而上的掺杂浓度由5×1017/cm3渐变到1×1018/cm3；
所述PD上盖层(34)中，P型InP的掺杂浓度为2×1018/cm3；
所述PD接触层(35)中，P型InGaAs的掺杂浓度为1019/cm3。
9.一种制备权利要求1至8中任一项所述的MMI输出波导与波导型探测器共下波导的单片集成平衡探测器的方法，其特征在于，该方法包括：
步骤a：通过化学气象外延(MOCVD)在衬底(10)的上表面自下而上一次外延MMI与PD公用下波导盖层(21)，MMI与PD公用下波导芯层(22)，PD收集层(31)，PD带隙匹配层(32)，PD吸收层(33)，PD上盖层(34)和PD接触层(35)；其中，外延各层后的外延片的左、中、右区域分别作为MMI区域、PD区域和共面电极CPW区域；
步骤b：对外延各层后的器件的MMI区域和CPW区域进行刻蚀，在MMI区域需要刻蚀掉的材料结构包括：PD收集层(31)，PD带隙匹配层(32)，PD吸收层(33)，PD上盖层(34)和PD接触层(35)；MMI区域和CPW区域仅保留MMI与PD公用下波导盖层(21)和MMI与PD公用下波导芯层(22)；
步骤c：对MMI区域和CPW区域进行选区He+注入：注入区域呈横向“8”字型，恰好将相邻的一组PD之间隔离开，使PD独立和PD隔离之间形成电学隔离沟；
步骤d：对基于步骤b的器件表面进行二次材料外延，二次外延材料的生长区域为MMI区域和CPW区域，二次外延的生长材料为MMI上波导层(23)；二次外延后的外延片表面的MMI区域和PD区域形成如权利要求1所述的所有外延层结构；
步骤e：在二次外延后的表面进行MMI与高速探测器单片集成结构的整体刻蚀：刻蚀表面形成的MMI结构和PD结构分别分布在MMI区域和PD区域；MMI结构刻蚀停止在MMI与PD公用下波导芯层(22)之上；PD结构刻蚀停止在MMI与PD公用下波导芯层(22)之内；CPW区域的表面刻蚀停止在MMI与PD公用下波导芯层(22)之上；
步骤f：在步骤e的基础上刻蚀隔离台面；隔离台面的图形与MMI与高速探测器单片集成结构类似，但在除纵向方向的其他方向上各展宽3um，其包括PD条形结构、MMI输入输出条形结构及MMI体结构；
步骤g：在步骤f的基础上，在CPW区域制作金属共面电极CPW(40)。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，该方法在所述任意两个步骤之间还包括：根据具体的工艺流程进行表面清洁。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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