CN107293557B - 一种制作集成多种光电器件的基材结构及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于光电领域，提供了一种制作集成多种光电器件的基材结构及其制作方法，该基材结构包括：衬底；通过外延生长于衬底上的第一接触层；通过外延生长于第一接触层上的包层；通过外延生长于包层上的第二接触层；通过外延生长于第二接触层上的有源区；通过外延生长于有源区上的第三接触层；通过沉积形成于第三接触层上的无定型硅波导；第一接触层、第二接触层以及包层的导电类型均相同，第三接触层与第一接触层的导电类型相反。本发明提供的制作集成多种光电器件的基材结构能够同时制成集成的多种光电器件，避免使用键合技术和昂贵的SOI衬底实现光电互联，制作工艺简单，有利于大规模低成本生产。

Description

一种制作集成多种光电器件的基材结构及其制作方法
技术领域
本发明属于光电领域，尤其涉及一种制作集成多种光电器件的基材结构及其制作方法。
背景技术
当前，随着集成电路集成度的增加，芯片体积不断减小，以及高频、超高频电路的广泛应用，从而要求集成器件不断降低带宽和能耗。然而，目前传统的电子连接方式在在130nm技术条件下，大概一半的微处理器功耗都损耗在了电子线路连接上。并且，连接不同功能部分并传输信号的总线的时钟频率远远低于各个电子器件的时钟频率。
为了解决电子线路连接的问题，1984年首次提出了光互联技术，使用三五族化合物半导体制作的光电器件具有优异的性能。同时，硅在1.3μm和1.55μm的通信波段具有透明的特性，折射率相对于二氧化硅很大，很适合做光波导。当前比较常见采用SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)制作的硅波导，然而SOI制作的硅波导由于需要采用键合技术而不适用于工业化生产，因此，如何将三五族化合物半导体激光器，光电探测器，光调制器以及硅波导集成在一个芯片上，实现光互联，当前仍然没有一个成熟的、适于工业化生产的解决方案。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种制作集成多种光电器件的基材结构，旨在解决当前缺乏在集成电路之间或者集成电路上实现适于工业化生产的光互联技术的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种制作集成多种光电器件的基材结构，所述基材结构包括：
衬底；
第一接触层，所述第一接触层通过外延生长于所述衬底上；
包层，所述包层通过外延生长于所述第一接触层上；
第二接触层，所述第二接触层通过外延生长于所述包层上；
有源区，所述有源区通过外延生长于所述第二接触层上；
第三接触层，所述第三接触层通过外延生长于所述有源区上；
无定型硅波导，所述无定型硅波导通过沉积形成于所述第三接触层上；
所述第一接触层、所述第二接触层以及所述包层的导电类型均相同，所述第三接触层与所述第一接触层的导电类型相反。
本发明实施例的另一目的在于，提供一种制作集成多种光电器件的基材的制作方法，所述方法包括下述步骤：
制备衬底；
在所述衬底上通过外延生长形成第一接触层；
在所述第一接触层上通过外延生长形成包层；
在所述包层上通过外延生长形成第二接触层；
在所述第二接触层上通过外延生长形成有源区；
在所述有源区上通过外延生长形成第三接触层；
在所述第三接触层上通过沉积形成无定型硅波导；
所述第一接触层、所述第二接触层以及所述包层的导电类型均相同，所述第三接触层与所述第一接触层的导电类型相反。
本发明实施例采用上述基材结构具有下述有益效果：
首先，激光器件、光电探测器和光调制器可以在同一外延生长工艺中同时制备，相对于单独制备三种不同器件结构需要三次不同外延生长工艺的步骤，简化了工艺，节省了成本；
其次，有利于激光器件、光电探测器和光调制器的片上集成，通过同一外延工艺的制备，三种器件集成在一个衬底上，通过不同的加工工艺，不同的位置可以加工成为不同的器件，达到三种光电器件片上集成的目的；
第三，三种器件的有源区和无定型硅波导处于同样的高度，完全克服了光波导耦合在竖直方向的困难，光波导在水平方向的耦合通过光刻工艺完成。
附图说明
图1为本发明实施例提供的制作集成多种光电器件的基材结构的剖面图；
图2为本发明实施例提供的制作集成多种光电器件的基材的制作方法的流程结构图；
图3为本发明实施例提供的制作集成多种光电器件的基材的制作方法中步骤S105的流程结构图；
图4为本发明实施例提供的制作集成多种光电器件的基材的制作方法中步骤S107的流程结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例提供的制作集成多种光电器件的基材结构能够同时制成集成的多种光电器件，避免使用键合技术和昂贵的SOI衬底实现光电互联，制作工艺简单，有利于大规模低成本生产。
作为本发明一实施例，该制作集成多种光电器件的基材结构可以用来制作集成光电器件，例如可集成光波导、半导体激光器、半导体光电探测器、半导体光调制器等。
该制作集成多种光电器件的基材结构包括：
衬底；
第一接触层，第一接触层通过外延生长于衬底上；
包层，包层通过外延生长于第一接触层上；
第二接触层，第二接触层通过外延生长于包层上；
有源区，有源区通过外延生长于第二接触层上；
第三接触层，第三接触层通过外延生长于有源区上；
无定型硅波导，无定型硅波导通过沉积形成于第三接触层上；
第一接触层、第二接触层以及包层的导电类型均相同，第三接触层与第一接触层的导电类型相反。
下面以第一接触层和第二接触层为N型接触层，包层为N型包层，第三接触层为P型接触层为例进行说明，可以理解地，本发明可以根据需求对应变换导电类型以及掺杂类型得到两个P型接触层、以及P型包层的基材结构，此处不在一一说明。
图1示出了本发明实施例提供的制作集成多种光电器件的基材结构的剖面结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。
作为本发明一实施例，该制作集成多种光电器件的基材结构包括：
衬底1；
第一N型接触层2，第一N型接触层2通过外延生长于衬底1上；
N型包层3，N型包层3通过外延生长于第一N型接触层2上；
第二N型接触层4，第二N型接触层4通过外延生长于N型包层3上；
有源区5，有源区5通过外延生长于第二N型接触层4上；
P型接触层6，P型接触层6通过外延生长于有源区5上；
无定型硅波导7，无定型硅波导7通过沉积形成于P型接触层6上。
上述外延生长采用非故意掺杂或者使用p掺杂技术。
其中，第一N型接触层2、第二N型接触层4和P型接触层6均可以设置为高掺杂区，N型包层3为低掺杂区。
在本发明实施例中，第一N型接触层2作为半导体激光器的N型接触层，第二N型接触层4作为半导体光电探测器和半导体光调制器的N型接触层，可以保证激光下半部有足够厚的光波导，同时使半导体光电探测器和半导体光调制器的的电子迁移距离不至于过长，从而导致过小的工作带宽，达到集成多种光电器件的目的。
在本发明实施例中，p型接触层6作为半导体激光器、半导体光电探测器和半导体光调制器的p型接触层，可以保证半导体光电探测器和半导体光调制器的的电子迁移距离不至于过长，从而导致过小的工作带宽，达到集成多种光电器件的目的。
优选地，第二N型接触层的厚度小于0.1微米，P型接触层的厚度小于0.1微米。
进一步地，有源区5包括：
第一光限制区域，第一光限制区域通过外延生长于第二N型接触层4上；
核心区域，核心区域通过外延生长于第一光限制区域上；
第二光限制区域，第二光限制区域通过外延生长于核心区域上；
第一光限制区域与第二光限制区域折射率小于核心区域。
在本发明实施例中，有源区5分为第一光限制区域、核心区域和第二光限制区域，有源区5既可以作为半导体激光器的有源区，也可以作为半导体光电探测器和半导体光调制器的有源区。有源区5的第一光限制区域与第二光限制区域光学上限制光线传播，材料方面隔离杂质注入到有源区5的核心区域，这些杂质会由于上下两边紧邻的高掺杂的第二N型接触层4和p型接触层6而引入核心区域。
优选地，无定型硅波导7通过等离子体增强化学汽相沉积形成于P型接触层6上。
进一步地，无定型硅波导7包括：
第一二氧化硅层，第一二氧化硅层形成于p型接触层6上；
中心无定型硅层，中心无定型硅层形成于第一二氧化硅层上；
第二二氧化硅层，第二二氧化硅层形成于中心无定型硅层上。
在本发明实施例中，无定型硅波导7结构分为第一二氧化硅层、中心无定型硅层以及第二二氧化硅层，其中，无定型硅波导作为半导体激光器、半导体光电探测器和半导体光调制器的波导的上半部分，限制广场集中于有源区5。
优选地，结构在衬底1和第一N型接触层2之间，还可以包括：
缓冲层，该缓冲层形成于衬底1上，第一N型接触层2形成于该缓冲层上。
作为本发明一优选实施例，衬底1可以选用GaAs，第一N型接触层2可以选用GaAs，N型包层3可以选用Al0.8Ga0.2As，第二N型接触层4可以选用GaAs，P型接触层6可以选用GaAs，对于有源区5中的结构：第一光限制区域可以选用Al0.3Ga0.7As，核心区域可以选用GaAs，第二光限制区域可以选用Al0.3Ga0.7As。
作为本发明另一优选实施例，对于具有缓冲层的衬底，N型包层3优选采用Al0.4Ga0.6As，并且，有源区5中的结构：第一光限制区域优选采用Al0.2Ga0.8As，核心区域优选采用GaAs或In0.2Ga0.8As或GaAs，第二光限制区域优选采用Al0.2Ga0.8As，其中表达式中的下标代表元素的含量。
在应用时，该基材结构通过微加工工艺，形成最终器件：其中，第一N型接触层2，P型接触层6分别作为激光器件的n型接触层和激光器件的p型接触层；第二N型接触层4，P型接触层6分别作为光电探测器和光调制器的n型接触层和光电探测器和光调制器的p型接触层。有源区5同时作为激光器件，光电探测器和光调制器的有源区；
本发明实施例采用上述基材结构具有下述有益效果：
首先，激光器件、光电探测器和光调制器可以在同一外延生长工艺中同时制备，相对于单独制备三种不同器件结构需要三次不同外延生长工艺的步骤，简化了工艺，节省了成本；
其次，有利于激光器件、光电探测器和光调制器的片上集成，通过同一外延工艺的制备，三种器件集成在一个衬底上，通过不同的加工工艺，不同的位置可以加工成为不同的器件，达到三种光电器件片上集成的目的；
第三，三种器件的有源区和无定型硅波导处于同样的高度，完全克服了光波导耦合在竖直方向的困难，光波导在水平方向的耦合通过光刻工艺完成。
本发明实施例的另一目的在于，提供一种制作集成多种光电器件的基材的制作方法，包括下述步骤：
制备衬底；
在衬底上通过外延生长形成第一接触层；
在第一接触层上通过外延生长形成包层；
在包层上通过外延生长形成第二接触层；
在第二接触层上通过外延生长形成有源区；
在有源区上通过外延生长形成第三接触层；
在第三接触层上通过沉积形成无定型硅波导；
第一接触层、第二接触层以及包层的导电类型均相同，第三接触层与第一接触层的导电类型相反。
下面以第一接触层和第二接触层为N型接触层，包层为N型包层，第三接触层为P型接触层为例进行说明，可以理解地，本发明可以根据需求对应变换导电类型以及掺杂类型得到两个P型接触层、以及P型包层的基材结构，此处不在一一说明。
图2示出了本发明实施例提供的制作集成多种光电器件的基材的制作方法的流程结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。
作为本发明一实施例，该制作集成多种光电器件的基材的制作方法包括下述步骤：
在步骤S101中，制备衬底；
在步骤S102中，在衬底上通过外延生长形成第一N型接触层；
在步骤S103中，在第一N型接触层上通过外延生长形成N型包层；
在步骤S104中，在N型包层上通过外延生长形成第二N型接触层；
在步骤S105中，在第二N型接触层上通过外延生长形成有源区；
在步骤S106中，在有源区上通过外延生长形成P型接触层；
在步骤S107中，在P型接触层上通过沉积形成无定型硅波导。
上述外延生长采用非故意掺杂或者使用p掺杂技术。
结合图1，其中，第一N型接触层2、第二N型接触层4和P型接触层6均可以设置为高掺杂区，N型包层3为低掺杂区。
在本发明实施例中，第一N型接触层2作为半导体激光器的N型接触层，第二N型接触层4作为半导体光电探测器和半导体光调制器的N型接触层，可以保证激光下半部有足够厚的光波导，同时使半导体光电探测器和半导体光调制器的的电子迁移距离不至于过长，从而导致过小的工作带宽，达到集成多种光电器件的目的。
在本发明实施例中，p型接触层6作为半导体激光器、半导体光电探测器和半导体光调制器的p型接触层，可以保证半导体光电探测器和半导体光调制器的的电子迁移距离不至于过长，从而导致过小的工作带宽，达到集成多种光电器件的目的。
优选地，第二N型接触层的厚度小于0.1微米，P型接触层的厚度小于0.1微米。
优选地，无定型硅波导7通过等离子体增强化学汽相沉积形成于P型接触层6上。
优选地，在步骤S101之后，步骤S102之前，还包括下述步骤：
在衬底上形成缓冲层；
在缓冲层上形成第一N型接触层。
本发明实施例提供的制作集成多种光电器件的基材结构能够同时制成集成的多种光电器件，避免使用键合技术和昂贵的SOI衬底实现光电互联，制作工艺简单，有利于大规模低成本生产。
图3示出了本发明实施例提供的制作集成多种光电器件的基材的制作方法中步骤S105的流程结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。
作为本发明一实施例，步骤S105具体为：
在步骤S201中，在第二N型接触层上通过外延生长形成第一光限制区域；
在步骤S202中，在第一光限制区域上通过外延生长形成核心区域；
在步骤S203中，在核心区域上通过外延生长形成第二光限制区域；
上述第一光限制区域与第二光限制区域折射率小于核心区域。
结合图1，在本发明实施例中，有源区5分为第一光限制区域、核心区域和第二光限制区域，有源区5既可以作为半导体激光器的有源区，也可以作为半导体光电探测器和半导体光调制器的有源区。有源区5的第一光限制区域与第二光限制区域光学上限制光线传播，材料方面隔离杂质注入到有源区5的核心区域，这些杂质会由于上下两边紧邻的高掺杂的第二N型接触层4和p型接触层6而引入核心区域。
本发明实施例提供的制作集成多种光电器件的基材结构能够同时制成集成的多种光电器件，避免使用键合技术和昂贵的SOI衬底实现光电互联，制作工艺简单，有利于大规模低成本生产。
图4示出了本发明实施例提供的制作集成多种光电器件的基材的制作方法中步骤S107的流程结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。
作为本发明一实施例，步骤S107具体为：
14.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述在所述P型接触层上通过沉积形成无定型硅波导的步骤具体为：
在步骤S301中，在p型接触层上形成第一二氧化硅层；
在步骤S302中，在第一二氧化硅层上形成中心无定型硅层；
在步骤S303中，在中心无定型硅层上形成第二二氧化硅层。
结合图1，在本发明实施例中，无定型硅波导7结构分为第一二氧化硅层、中心无定型硅层以及第二二氧化硅层，其中，无定型硅波导作为半导体激光器、半导体光电探测器和半导体光调制器的波导的上半部分，限制广场集中于有源区5。
作为本发明一优选实施例，衬底1可以选用GaAs，第一N型接触层2可以选用GaAs，N型包层3可以选用Al0.8Ga0.2As，第二N型接触层4可以选用GaAs，P型接触层6可以选用GaAs，对于有源区5中的结构：第一光限制区域可以选用Al0.3Ga0.7As，核心区域可以选用GaAs，第二光限制区域可以选用Al0.3Ga0.7As。
作为本发明另一优选实施例，对于具有缓冲层的衬底，N型包层3优选采用Al0.4Ga0.6As，并且，有源区5中的结构：第一光限制区域优选采用Al0.2Ga0.8As，核心区域优选采用GaAs或In0.2Ga0.8As或GaAs，第二光限制区域优选采用Al0.2Ga0.8As，其中表达式中的下标代表元素的含量。
本发明实施例采用上述基材结构具有下述有益效果：
首先，激光器件、光电探测器和光调制器可以在同一外延生长工艺中同时制备，相对于单独制备三种不同器件结构需要三次不同外延生长工艺的步骤，简化了工艺，节省了成本；
其次，有利于激光器件、光电探测器和光调制器的片上集成，通过同一外延工艺的制备，三种器件集成在一个衬底上，通过不同的加工工艺，不同的位置可以加工成为不同的器件，达到三种光电器件片上集成的目的；
第三，三种器件的有源区和无定型硅波导处于同样的高度，完全克服了光波导耦合在竖直方向的困难，光波导在水平方向的耦合通过光刻工艺完成。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种制作集成多种光电器件的基材结构，其特征在于，所述基材结构包括：
衬底；
第一接触层，所述第一接触层通过外延生长于所述衬底上；
包层，所述包层通过外延生长于所述第一接触层上；
第二接触层，所述第二接触层通过外延生长于所述包层上；
有源区，所述有源区通过外延生长于所述第二接触层上；
第三接触层，所述第三接触层通过外延生长于所述有源区上；
无定型硅波导，所述无定型硅波导通过沉积形成于所述第三接触层上；
所述第一接触层、所述第二接触层以及所述包层的导电类型均相同，所述第三接触层与所述第一接触层的导电类型相反；
所述有源区包括：
第一光限制区域，所述第一光限制区域通过外延生长于所述第二接触层上；
核心区域，所述核心区域通过外延生长于所述第一光限制区域上；
第二光限制区域，所述第二光限制区域通过外延生长于所述核心区域上；
所述第一光限制区域与所述第二光限制区域折射率小于所述核心区域。
2.如权利要求1所述的基材结构，其特征在于，所述第一接触层、第二接触层和所述第三接触层均为高掺杂区；
所述包层为低掺杂区。
3.如权利要求1所述的基材结构，其特征在于，所述第二接触层的厚度小于0.1微米，所述第三接触层的厚度小于0.1微米。
4.如权利要求1所述的基材结构，其特征在于，所述无定型硅波导通过等离子体增强化学汽相沉积形成于所述第三接触层上。
5.如权利要求1所述的基材结构，其特征在于，所述基材结构在所述衬底和所述第一接触层之间，还包括：
缓冲层，所述缓冲层形成于所述衬底上，所述第一接触层形成于所述缓冲层上。
6.如权利要求1所述的基材结构，其特征在于，所述无定型硅波导包括：
第一二氧化硅层，所述第一二氧化硅层形成于所述第三接触层上；
中心无定型硅层，所述中心无定型硅层形成于所述第一二氧化硅层上；
第二二氧化硅层，所述第二二氧化硅层形成于所述中心无定型硅层上。
7.一种制作集成多种光电器件的基材的制作方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
制备衬底；
在所述衬底上通过外延生长形成第一N型接触层；
在所述第一N型接触层上通过外延生长形成N型包层；
在所述N型包层上通过外延生长形成第二N型接触层；
在所述第二N型接触层上通过外延生长形成有源区；
在所述有源区上通过外延生长形成P型接触层；
在所述P型接触层上通过沉积形成无定型硅波导；
所述第一N型接触层、所述第二N型接触层以及所述N型包层的导电类型均相同，所述P型接触层与所述第一N型接触层的导电类型相反；
所述在所述第二N型接触层上通过外延生长形成有源区的步骤具体为：
在所述第二N型接触层上通过外延生长形成第一光限制区域；
在所述第一光限制区域上通过外延生长形成核心区域；
在所述核心区域上通过外延生长形成第二光限制区域；
所述第一光限制区域与所述第二光限制区域折射率小于所述核心区域。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一N型接触层、第二N型接触层和所述P型接触层均为高掺杂区；
所述N型包层为低掺杂区。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第二N型接触层的厚度小于0.1微米，所述P型接触层的厚度小于0.1微米。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述无定型硅波导通过等离子体增强化学汽相沉积形成于所述P型接触层上。
11.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述制备衬底的步骤之后，所述在所述衬底上通过外延生长形成第一N型接触层的步骤之前，还包括下述步骤：
在所述衬底上形成缓冲层；
在所述缓冲层上形成所述第一N型接触层。
12.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述在所述P型接触层上通过沉积形成无定型硅波导的步骤具体为：
在所述P型接触层上形成第一二氧化硅层；
在所述第一二氧化硅层上形成中心无定型硅层；
在所述中心无定型硅层上形成第二二氧化硅层。
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