CN109459817B - 单片硅基光电集成芯片的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种单片硅基光电集成芯片的制备方法，通过在SOI衬底上刻蚀图形窗口来生长激光器结构，通过在SOI衬底中的硅波导层上生长探测器结构，激光器和探测器通过刻蚀出的硅波导结构连接，从而实现了片上激光器、探测器以及硅波导结构的集成。本发明实施例中提供的单片硅基光电集成芯片的制备方法，通过直接刻蚀图形窗口来生长激光器结构，具有高重复性和可靠性，能够大规模的制备，大大降低了成本，具有很好的应用前景，弥补了目前无法通过直接选区外延的方式实现可实用的片上光电集成的空白，特别是弥补了激光器与其他器件的片上集成问题。

Description

单片硅基光电集成芯片的制备方法

技术领域

本发明实施例涉及硅基单片光电集成技术领域，更具体地，涉及单片硅基光电集成芯片的制备方法。

背景技术

如今，信息技术的进步在不断推动社会的发展，以基于硅材料的微电子学器件为基础的计算机系统正在深入人们生活的方方面面。人们在享受着信息技术进步带来的便利的同时也在创造大量的数据。随着数据量爆炸性的增长，如何快速传输和处理这些数据成为新的挑战，特别是在数据中心超级计算机等需要超大规模和超高速率数据传输处理能力的应用场景。

目前的微电子芯片是通过金属互连的方式将芯片上的各个单元连接起来的，这种的电互连的方法有一个瓶颈就是无法实现高速的数据传输。当传输速率超过10Gbps时，电互连的损耗会达到几十个dB。当损耗以热的方式散发时将会对系统产生许多不利的影响。由于硅基光子集成电路具有损耗小、带宽大、传输速率高以及工艺可以与传统的微电子集成电路工艺兼容等优点，研究学者考虑将微电子集成电路与硅基光子集成电路结合，以克服电互连的制约实现光信号的大容量快速传输，同时还可以利用微电子成熟工艺的低成本优势。

目前，单个硅基光电子器件均可以成功制备出来，而且性能良好，包括无源器件中的波导、波分复用器件等以及有源器件中的激光器、调制器和探测器等。但是如何将这些独立的光电子器件集成在同一个芯片上依然面临巨大的困难。关键的难点在于如何将硅基激光器中的光通过波导耦合出来。硅材料适合制备波导，但是由于其间接带隙结构不适合制备激光器；三五族材料的激光器具有很好的性能，但是这些材料由于折射率差比较小不适合用来制备无源器件。相对而言，SOI衬底是一个比较好的选择。一方面，基于SOI衬底的无源器件基本都已经实现；另一方面，通过在SOI上生长锗或者锗硅材料可以制备出性能良好的调制器和探测器。如果能够将激光器集成到SOI衬底上就基本完成了所有器件的光电集成。

近十年来，已经有大量的研究工作集中在如何将激光器集成到SOI衬底上。2006年，有研究组展示了一种集成的设计方案，将AlGaInAs材料系的激光器键合到SOI衬底的硅波导上。该方案中激光器的光通过倏逝波耦合的方式耦合到下面的硅波导中，实现了激光器的耦合输出。2009年，有研究人员采用同样的键合方法将一个InGaAsP材料系的激光器集成到了SOI衬底上实现了光的耦合输出。另外，在2009年其他研究组通过键合的方式在SOI衬底上成功实现了一个激光器与探测器的集成。上面这些采用键合的方法提供了一种将激光器集成到SOI衬底上的方案，但是键合工艺本身存在许多缺陷，例如无法实现亚微米级别的精确对准，无法大规模的生产。

因此，现急需提供一种单片硅基光电集成芯片的制备方法及系统，以使光器件顺利集成在单片硅基光电集成芯片上。

发明内容

为克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明实施例提供了一种单片硅基光电集成芯片的制备方法。

本发明实施例提供了一种单片硅基光电集成芯片的制备方法，包括：

在SOI衬底上表面制备锗吸收层，并在制备有所述锗吸收层的结构上表面的预设区域刻蚀出硅波导结构，在所述SOI衬底上表面的锗吸收层上制备探测器结构；

在制备有所述探测器结构且在所述预设区域刻蚀出所述硅波导结构的所述SOI衬底上沉积二氧化硅层；

在所述预设区域对应的二氧化硅层上制备出图形窗口，并在所述图形窗口内生长激光器结构；

其中，所述图形窗口延伸至所述SOI衬底中的硅衬底层，所述激光器结构中的光耦合到所述硅波导结构中，并由所述硅波导结构传输至所述探测器结构。

本发明实施例提供的一种单片硅基光电集成芯片的制备方法，通过在SOI衬底上刻蚀图形窗口来生长激光器结构，通过在SOI衬底中的硅波导层上生长探测器结构，激光器和探测器通过刻蚀出的硅波导结构连接，从而实现了片上激光器、探测器以及硅波导结构的集成。通过直接刻蚀图形窗口来生长激光器结构，具有高重复性和可靠性，能够大规模的制备，大大降低了成本，具有很好的应用前景，弥补了目前无法通过直接选区外延的方式实现可实用的片上光电集成的空白，特别是弥补了激光器与其他器件的片上集成问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种单片硅基光电集成芯片的制备方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种单片硅基光电集成芯片的制备方法制备出的单片硅基光电集成芯片的三维结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种单片硅基光电集成芯片的制备方法制备出的单片硅基光电集成芯片的侧面结构示意图；

图4为图2中的单片硅基光电集成芯片的俯视图；

图5为本发明实施例提供的一种单片硅基光电集成芯片的制备方法的流程示意图；

图6为本发明实施例提供的一种单片硅基光电集成芯片中正方形微腔激光器通过硅波导结构实现光输出时硅波导结构宽度与正方形微腔激光器的品质因子以及光耦合输出效率之间的关系示意图；

图7为本发明实施例提供的一种单片硅基光电集成芯片中正方形微腔激光器在连接的硅波导结构宽度为1.5μm时的场强分布图；

图8为本发明实施例中波导型探测器的长度与光吸收效率之间的关系示意图；

图9为本发明实施例中波导型探测器中的场强分布示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明一实施例提供了一种单片硅基光电集成芯片的制备方法，包括：

S1，在SOI衬底上表面制备锗吸收层，并在制备有所述锗吸收层的结构上表面的预设区域刻蚀出硅波导结构，在所述SOI衬底上表面的锗吸收层上制备探测器结构；

S2，在制备有所述探测器结构且在所述预设区域刻蚀出所述硅波导结构的所述SOI衬底上沉积二氧化硅层；

S3，在所述预设区域对应的二氧化硅层上制备出图形窗口，并在所述图形窗口内生长激光器结构；

其中，所述图形窗口延伸至所述SOI衬底中的硅衬底层，所述激光器结构中的光耦合到所述硅波导结构中，并由所述硅波导结构传输至所述探测器结构。

具体地，本发明实施例中提供了一种单片硅基光电集成芯片的制备方法，首先执行S1，即在SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)衬底上表面制备锗吸收层，并在制备有所述锗吸收层的结构上表面的预设区域刻出硅波导结构，在SOI衬底上表面的锗吸收层上制备探测器结构。

这里需要说明的是，本发明实施例中SOI衬底具体包括：硅衬底层、二氧化硅层和硅波导层，硅衬底层、二氧化硅层和硅波导层由下至上依次层叠。SOI衬底的尺寸可根据需要进行选择，具体可以为8英寸，硅波导层的厚度在0.2-0.4μm范围内，具体可以为300nm，二氧化硅层(即隐埋氧化物层)的厚度在2-4μm范围内，具体可以为3μm。本发明实施例中可以先在SOI衬底上表面制备锗吸收层，然后在锗吸收层上表面的预设区域刻蚀出SOI衬底中的硅波导结构，即按照第一预设图形对SOI衬底中的硅波导层进行刻蚀，最后在SOI衬底上表面未被刻蚀的锗吸收层上制备探测器结构。

执行S1之后，执行S2，即在S1结束后得到的结构的上表面上沉积二氧化硅层，由于预设区域刻蚀出硅波导结构，因此会使刻蚀掉的硅波导层下面的二氧化硅层暴露出来，沉积的二氧化硅层与暴露出的SOI衬底中的二氧化硅层进行叠加。

执行S2后，执行S3，在预设区域对应的二氧化硅层上制备出图形窗口，并在图形窗口内生长激光器结构；其中，图形窗口延伸至SOI衬底中的硅衬底层。图形窗口的截面形状为正方形、圆形或者其他形状，即生长出的激光器结构具体可以为正方形、圆形或者其他形状的微腔激光器。微腔激光器的大小和限制层厚度均经过优化，以确保激光器结构的品质因子和耦合输出效率均满足要求。

本发明实施例中，激光器结构中的光可以耦合到硅波导结构中，并由硅波导结构传输至探测器结构。本发明实施例中制备的基于SOI衬底的单片硅基光电集成芯片主要用于光通信中光电转换部分的光模块、数据中心或者超级计算机中数据处理部分的光芯片等方面。

本发明实施例中提供的单片硅基光电集成芯片的制备方法，通过在SOI衬底上刻蚀图形窗口来生长激光器结构，通过在SOI衬底中的硅波导层上生长探测器结构，激光器和探测器通过刻蚀出的硅波导结构连接，从而实现了片上激光器、探测器以及硅波导结构的集成。通过直接刻蚀图形窗口来生长激光器结构，具有高重复性和可靠性，能够大规模的制备，大大降低了成本，具有很好的应用前景，弥补了目前无法通过直接选区外延的方式实现可实用的片上光电集成的空白，特别是弥补了激光器与其他器件的片上集成问题。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的单片硅基光电集成芯片的制备方法，所述在所述图形窗口内生长激光器结构，具体包括：基于选区外延的方式在所述图形窗口内生长所述激光器结构。

本发明实施例中提供的单片硅基光电集成芯片的制备方法，通过直接进行选区外延的方式进行激光器结构的生长，具有高重复性和可靠性，能够大规模的制备，大大降低了成本，具有很好的应用前景，弥补了目前无法通过直接选区外延的方式实现可实用的片上光电集成的空白，特别是弥补了激光器与其他器件的片上集成问题。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的单片硅基光电集成芯片的制备方法，所述基于选区外延的方式在所述图形窗口内生长所述激光器结构，具体包括：

将制备有所述图形窗口的SOI衬底进行清洗，并在预设条件下进行烘烤；

烘烤结束后在所述图形窗口中由下至上依次通过选区外延的方式生长镓砷缓冲层、第一铝镓砷盖层、第一镓砷波导层、有源区、第二镓砷波导层、第二铝镓砷盖层以及镓砷接触层。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的单片硅基光电集成芯片的制备方法，在所述图形窗口中通过选区外延的方式生长所述镓砷缓冲层，具体包括：

在所述图形窗口的下表面上由下至上生长出第一镓砷层、第二镓砷层和第三镓砷层，其中生长所述第一镓砷层、所述第二镓砷层和所述第三镓砷层的温度依次升高；

在所述第三镓砷层上生长多周期应变超晶格位错阻挡层，在所述多周期应变超晶格位错阻挡层上依次生长预设层数的镓砷间隔层，并在生长最上层的镓砷间隔层时进行n型Si掺杂。

具体地，本发明实施例中制备的激光器结构具体包括：由下至上依次层叠的镓砷缓冲层、第一铝镓砷盖层、第一镓砷波导层、有源区、第二镓砷波导层、第二铝镓砷盖层以及镓砷接触层。

激光器结构具体的制备方法如下：

首先，利用湿法化学清洗的方法清洗制备有所述图形窗口的SOI衬底。然后将清洗后的SOI衬底放到有机金属化学气相沉积(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)的反应室中实现烘烤，具体可以在220℃氢气环境下烘烤30分钟，接着将温度在氢气条件下升高到900℃，烘烤15分钟。

烘烤结束后，通过选区外延的方式在图形窗口的内地面上生长镓砷(GaAs)缓冲层，具体可采用三步法生长GaAs缓冲层：1)首先使温度降低到400-440℃，具体可降低至420℃，然后通入一定流量的三甲基镓(TMGa)和砷烷(AsH₃)，生成厚度为20nm的第一GaAs层。其中，三甲基镓的流量具体可以为2.7×10^-5mol/min，砷烷的流量具体可以为6.7×10^-3mol/min；2)将温度升高到620-640℃，具体可升高至630℃，然后通入一定流量的三甲基镓和砷烷，生成厚度为180nm的第二GaAs层。其中，三甲基镓的流量具体可以为2.7×10^-5mol/min，砷烷的流量具体可以为6.7×10^-3mol/min；3)将温度升高到670-690℃，具体可升高至685℃，然后通入一定流量的三甲基镓和砷烷，生成厚度为700nm的第三GaAs层。在第三GaAs层的生长过程中，在氢气和砷烷混合气体氛围下进行2次原位热循环退火，每次原位热循环退火即是在350-750℃之间进行3-5次热循环退火。

在第三GaAs层上生长多周期应变超晶格位错阻挡层(In_0.18Ga_0.82As/GaAs)，多周期应变超晶格位错阻挡层生长过程具体为：依次循环生长厚度为10nm的In_0.18Ga_0.82As层和厚度为10nm的GaAs层，循环5次。对于10nm的In_0.18Ga_0.82As层，生长温度为490-510℃，具体可以为500℃，通入流量为6.8×10^-6mol/min的三甲基铟(TMIn)、流量为2.7×10^-5mol/min的三甲基镓和流量为6.7×10^-3mol/min的砷烷。对于10nm的GaAs层，生长温度为680-700℃，具体可以为700℃，通入流量为2.7×10^-5mol/min的三甲基镓以及流量为6.7×10^-3mol/min的砷烷。

在多周期应变超晶格位错阻挡层上生长四层GaAs间隔层，每一GaAs间隔层厚度为200nm。生长温度为680-700℃，具体可以为700℃，通入流量为2.7×10^-5mol/min的三甲基镓以及流量为6.7×10^-3mol/min的砷烷，该过程重复4次。在最后一层的200nmGaAs间隔层生长过程中，进行n型Si掺杂，掺杂浓度为5.5×10¹⁹cm^-3，形成n型欧姆接触层。

在生长四层GaAs间隔层后，通过选区外延的方法生长n型掺杂的第一AlGaAs盖层，厚度为0.9μm，生长温度为700-720℃，具体可以为710℃，通入流量为4.0×10^-5mol/min的三甲基镓，流量为2.6×10^-5mol/min的三甲基铝，流量为6.7×10^-3mol/min的砷烷，流量为4.3×10^-7mol/min的硅烷。

在生长第一AlGaAs盖层后，通过选区外延的方法生长第一GaAs波导层，厚度为50nm，温度为680-700℃，具体可以为700℃，通入流量为4.0×10^-5mol/min的三甲基镓以及流量为6.7×10^-3mol/min的砷烷。

在生长第一GaAs波导层后，通过选区外延的方法生长有源区。有源区结构为5个周期的InAs/InGaAs点中阱结构(dot-in-well)，共厚度为200nm。具体生长过程如下：先生长厚度为2nm的In_0.15Ga_0.85As，再生长InAs量子点，接着在700℃的条件下通入流量为2.7×10^-5mol/min的三甲基铟、流量为2.7×10^-5mol/min的三甲基镓流量以及流量为6.7×10^-3mol/min的砷烷，生长6nm的In_0.15Ga_0.85As层盖住InAs量子点，再在590℃的条件下通入流量为4×10-5mol/min的三甲基镓以及流量为2.7×10^-3mol/min的砷烷，生长40nm的GaAs隔离层，上述过程重复5次。

在生长有源区后，通过选区外延的方式生长第二GaAs波导层，厚度为50nm，生长温度为680-700℃，具体可以为700℃，通入流量为4.0×10^-5mol/min的三甲基镓以及流量为6.7×10^-3mol/min的砷烷。

在生长第二GaAs波导层后，通过选区外延的方式生长p型掺杂的第二AlGaAs盖层，掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3，厚度为0.9μm，生长温度为680-710℃，具体可以为710℃，通入流量为4.0×10^-5mol/min的三甲基镓，流量为2.6×10^-5mol/min的三甲基铝，流量为6.7×10^{- 3}mol/min的砷烷，流量为9.2×10^-7mol/min的二乙基铝。

在生长第二AlGaAs盖层后，通过选区外延的方式生长p型掺杂的GaAs接触层，掺杂浓度为5×10¹⁹cm^-3，厚度为300nm，生长温度为580-600℃，具体可以为600℃，通入流量为4.0×10^-5mol/min的三甲基镓、流量为2.7×10^-3mol/min的砷烷和流量为3.7×10^-6mol/min的二乙基锌。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的单片硅基光电集成芯片的制备方法，所述第一镓砷波导层和所述第二镓砷波导层分别设置在所述有源区的上表面和下表面，且所述有源区的侧面和所述第一镓砷波导层和所述第二镓砷波导层的侧面均与所述硅波导结构的侧面接触；

所述激光器结构中的光通过对接耦合的方式耦合到所述硅波导结构中。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的单片硅基光电集成芯片的制备方法，所述锗吸收层包括锗成核层和锗缓冲层；相应地，

所述在SOI衬底上表面制备锗吸收层，具体包括：

将所述SOI衬底进行清洗，并放入超高真空化学气相沉积UHV/CVD设备中，进行脱气处理以及脱氧处理；

经脱气处理以及脱氧处理后，在所述SOI衬底上表面依次生长所述锗成核层和所述锗缓冲层。

具体地，本发明实施例中，采用超高真空化学气相沉积(UHV/CVD)设备利用两步法生长锗吸收层。首先将SOI衬底清洗后放进沉积设备中，在300℃条件下进行脱气处理，然后将温度提高到930℃，使反应炉压力低于5×10^-8Pa，加热5min进行表面脱氧处理。然后SOI衬底上表面生长锗成核层，厚度为60nm，生长温度为290℃。接着生长锗缓冲层，厚度为440nm，生长温度为600℃。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的单片硅基光电集成芯片的制备方法，在制备有所述锗吸收层的结构上表面的预设区域刻蚀出硅波导结构，具体包括：

基于激光全息或者深紫外光刻技术，在制备有所述锗吸收层的结构上表面的预设区域设置掩膜，所述掩膜上具有第一预设图形；

基于反应离子刻蚀技术或者感应耦合离子刻蚀技术，在所述预设区域刻蚀出所述第一预设图形对应的所述SOI衬底中的硅波导层，暴露出所述SOI衬底中的部分二氧化硅层。

具体地，本发明实施例中，采用激光全息或者深紫外光刻技术，将设计好的第一预设图形转移到掩膜上。最后，运用反应离子刻蚀(RIE)或者感应耦合离子刻蚀(ICP)技术，刻蚀出第一预设图形对应的SOI衬底中的硅波导层。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的单片硅基光电集成芯片的制备方法，在所述SOI衬底上表面的锗吸收层上制备探测器结构，具体包括：

基于激光全息或者深紫外光刻技术，在所述SOI衬底上表面的锗吸收层上设置掩膜，所述掩膜上具有第二预设图形；

基于反应离子刻蚀技术或者感应耦合离子刻蚀技术，在所述SOI衬底上表面的锗吸收层上刻蚀出所述第二预设图形；

基于离子注入方法，在刻蚀出的所述第二预设图形上形成p型掺杂和n型掺杂。

具体地，本发明实施例中，采用激光全息或者深紫外光刻技术，将设计好的第二预设图形转移到掩膜上。然后，运用反应离子刻蚀(RIE)或者感应耦合离子刻蚀(ICP)技术，在锗吸收层上刻蚀出第二预设图形。最后利用离子注入方法在刻蚀出的第二预设图形上形成p型掺杂和n型掺杂。这里需要说明的是，这里所说的SOI衬底上表面的锗吸收层是指在预设区域刻蚀出硅波导结构后SOI衬底上表面留存的锗吸收层。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的单片硅基光电集成芯片的制备方法，S2具体可以包括：采用等离子增强化学气相沉积法(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition，PECVD)在制备有探测器结构且在预设区域刻蚀出所述硅波导结构的SOI衬底上沉积一层二氧化硅。二氧化硅层的厚度为2μm。然后将二氧化硅层的表面打磨平滑，大约打磨掉200nm，在确保覆盖保护硅波导结构和探测器结构后能够有足够空间制备后面的图形窗口。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的单片硅基光电集成芯片的制备方法，所述探测器结构具体为波导型探测器，所述硅波导结构中的光通过倏逝波耦合的方式从下至上耦合到波导型探测器中。

在波导型探测器的前段有一段三角形锗结构，该三角形锗结构可以提高光从硅波导结构到波导型探测器的耦合效率。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的单片硅基光电集成芯片的制备方法，在预设区域对应的二氧化硅层上制备出图形窗口，具体包括：采用激光全息或者深紫外光刻技术，将设计好的正方形图形转移到掩膜上，正方形边长为10μm。然后，运用反应离子刻蚀(RIE)或者感应耦合离子刻蚀(ICP)技术，刻蚀出图形，图形窗口的刻蚀深度直到SOI衬底的硅衬底层上面，深度为5μm。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的单片硅基光电集成芯片的制备方法，在生长所述激光器结构后，还包括：

在生长所述激光器结构后得到的芯片结构的上表面沉积二氧化硅层，并在所述芯片结构的上表面沉积的二氧化硅层对应于所述激光器结构的区域内镀第一电极，在所述探测器结构中镀第二电极。

本发明实施例中提供的单片硅基光电集成芯片的制备方法，通过直接外延的方式在SOI衬底上将激光器结构、探测器结构和硅波导结构集成在一起，可以很好的实现将激光器结构、探测器结构和硅波导结构集成在SOI衬底上，而且整个芯片生长过程中所使用的工艺都已经成熟，具有可行性。该设计方案具有很好的可靠性和可重复性，能够大规模的制备，大大降低了成本，具有很好的应用前景。

如图2所示，为本发明实施例中提供的单片硅基光电集成芯片的制备方法制备出的单片硅基光电集成芯片的三维结构示意图，图2中单片硅基光电集成芯片中包括硅衬底层21、二氧化硅层22、激光器结构23、硅波导结构24和探测器结构25。激光器结构23通过硅波导结构24和探测器结构25连接。其中，激光器结构21为方形微腔激光器。

图3为本发明实施例中提供的单片硅基光电集成芯片的制备方法制备出的单片硅基光电集成芯片的侧面结构示意图，图3中的单片硅基光电集成芯片包括：硅衬底层31，在硅衬底层31上依次存在二氧化硅层32和硅波导结构33，在硅波导结构33上制备有探测器结构34，在硅衬底层31上的预设区域依次有镓砷缓冲层35、第一铝镓砷盖层36、第一镓砷波导层37、有源区38、第二镓砷波导层39、第二铝镓砷盖层310以及镓砷接触层311。其中，硅衬底层31、二氧化硅层32和硅波导结构33可构成SOI衬底，镓砷缓冲层35、第一铝镓砷盖层36、第一镓砷波导层37、有源区38、第二镓砷波导层39、第二铝镓砷盖层310以及镓砷接触层311可构成微腔激光器。

图4为图2的单片硅基光电集成芯片2的俯视图。

图5为本发明实施例中提供的单片硅基光电集成芯片的制备方法的流程示意图。图5中表示SOI衬底51，包括硅衬底层511、二氧化硅层512和硅波导层513。在硅波导层513上制备锗吸收层521后得到结构52，在制备有所述锗吸收层的SOI衬底上的预设区域刻蚀出硅波导结构后得到结构53，在锗吸收层上制备探测器结构541后得到结构54，在结构54上沉积二氧化硅层551后得到结构55，在预设区域对应的结构55上的二氧化硅层上制备出图形窗口561后得到结构56，在结构56上的图形窗口内生长激光器结构571后得到结构57，最后在结构57上沉积二氧化硅层，并在激光器结构对应的二氧化硅层区域镀第一电极581，在结构57中的探测器结构中度第二电极582。最终得到单片硅基光电集成芯片。

如图6所示，为本发明实施例中提供的单片硅基光电集成芯片中正方形微腔激光器通过硅波导结构实现光输出时硅波导结构宽度与正方形微腔激光器的品质因子以及光耦合输出效率之间的关系示意图，图6中实线表示品质因子，虚线表示耦合效率。从图6中可以看出，随着硅波导结构宽度的增加，品质因子呈降低趋势，耦合效率呈上升趋势。

如图7所示，为本发明实施例中提供的单片硅基光电集成芯片中正方形微腔激光器在连接的硅波导结构宽度为1.5μm时的场强分布图，从图7中可以看出，正方形微腔激光器中的光可以顺利耦合至硅波导结构中，图7中右上角的光场即为耦合至硅波导结构中的光场。

如图8所示，为本发明实施例中波导型探测器的长度与光吸收效率之间的关系示意图。

如图9所示，为本发明实施例中波导型探测器中的场强分布示意图。从图9可以看出，硅波导结构91中的光可以顺利耦合至波导型探测器92中。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种单片硅基光电集成芯片的制备方法，其特征在于，包括：

在SOI衬底上表面制备锗吸收层，并在制备有所述锗吸收层的结构上表面的预设区域刻蚀出硅波导结构，在所述SOI衬底上表面的锗吸收层上制备探测器结构；

在制备有所述探测器结构且在所述预设区域刻蚀出所述硅波导结构的所述SOI衬底上沉积二氧化硅层；

在所述预设区域对应的二氧化硅层上制备出图形窗口，并在所述图形窗口内生长激光器结构；

其中，所述图形窗口延伸至所述SOI衬底中的硅衬底层，所述激光器结构中的光耦合到所述硅波导结构中，并由所述硅波导结构传输至所述探测器结构；

所述在所述图形窗口内生长激光器结构，具体包括：

基于选区外延的方式在所述图形窗口内生长所述激光器结构；

所述基于选区外延的方式在所述图形窗口内生长所述激光器结构，具体包括：

将制备有所述图形窗口的SOI衬底进行清洗，并在预设条件下进行烘烤；

烘烤结束后在所述图形窗口中由下至上依次通过选区外延的方式生长镓砷缓冲层、第一铝镓砷盖层、第一镓砷波导层、有源区、第二镓砷波导层、第二铝镓砷盖层以及镓砷接触层。

2.根据权利要求1所述的单片硅基光电集成芯片的制备方法，其特征在于，所述第一镓砷波导层和所述第二镓砷波导层分别设置在所述有源区的上表面和下表面，且所述有源区的侧面和所述第一镓砷波导层和所述第二镓砷波导层的侧面均与所述硅波导结构的侧面接触；

所述激光器结构中的光通过对接耦合的方式耦合到所述硅波导结构中。

3.根据权利要求1所述的单片硅基光电集成芯片的制备方法，其特征在于，在所述图形窗口中通过选区外延的方式生长所述镓砷缓冲层，具体包括：

在所述图形窗口的下表面上由下至上生长出第一镓砷层、第二镓砷层和第三镓砷层，其中生长所述第一镓砷层、所述第二镓砷层和所述第三镓砷层的温度依次升高；

在所述第三镓砷层上生长多周期应变超晶格位错阻挡层，在所述多周期应变超晶格位错阻挡层上依次生长预设层数的镓砷间隔层，并在生长最上层的镓砷间隔层时进行n型Si掺杂。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的单片硅基光电集成芯片的制备方法，其特征在于，所述锗吸收层包括锗成核层和锗缓冲层；相应地，

所述在SOI衬底上表面制备锗吸收层，具体包括：

将所述SOI衬底进行清洗，并放入超高真空化学气相沉积UHV/CVD设备中，进行脱气处理以及脱氧处理；

经脱气处理以及脱氧处理后，在所述SOI衬底上表面依次生长所述锗成核层和所述锗缓冲层。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的单片硅基光电集成芯片的制备方法，其特征在于，所述在制备有所述锗吸收层的结构上表面的预设区域刻蚀出硅波导结构，具体包括：

基于激光全息或者深紫外光刻技术，在制备有所述锗吸收层的结构上表面的预设区域设置掩膜，所述掩膜上具有第一预设图形；

基于反应离子刻蚀技术或者感应耦合离子刻蚀技术，在所述预设区域刻蚀出所述第一预设图形对应的所述SOI衬底中的硅波导层，暴露出所述SOI衬底中的部分二氧化硅层。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的单片硅基光电集成芯片的制备方法，其特征在于，所述在所述SOI衬底上表面的锗吸收层上制备探测器结构，具体包括：

基于激光全息或者深紫外光刻技术，在所述SOI衬底上表面的锗吸收层上设置掩膜，所述掩膜上具有第二预设图形；

基于反应离子刻蚀技术或者感应耦合离子刻蚀技术，在所述SOI衬底上表面的锗吸收层上刻蚀出所述第二预设图形；

基于离子注入方法，在刻蚀出的所述第二预设图形上形成p型掺杂和n型掺杂。

7.根据权利要求6所述的单片硅基光电集成芯片的制备方法，其特征在于，所述探测器结构具体为波导型探测器，所述硅波导结构中的光通过倏逝波耦合的方式从下至上耦合到所述波导型探测器中。

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