CN109659378A - 正入射式共面电极光电芯片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光通信传输技术领域，具体涉及一种正入射式共面电极光电芯片及其制备方法；一种正入射式共面电极光电芯片，芯片上开设主光槽，主光槽向芯片的任一表面方向开口并贯穿芯片的吸收层；芯片的正面上还设有收光区、第一电极和第二电极，第一电极位于收光区的外侧，第一电极和第二电极相互绝缘设置；以芯片的正面为入光侧，主光槽用于入射光的一部分射出，入射光的另一部分从收光区进入到吸收层内进行光电转换；故本发明提供的正入射式共面电极光电芯片既能够分光，又能够对入射光的光功率进行监控；进而使用本发明提供的芯片的光路系统，无须使用光分路器进行分光，减少了系统体积，也降低了成本。

Description

正入射式共面电极光电芯片及其制备方法
技术领域
本发明涉及光通信传输技术领域，具体涉及一种正入射式共面电极光电芯片及其制备方法。
背景技术
激光器发射的光信号经光纤传输进入无源光波导(PLC)之前，通常需要光分路器分出部分(例如5％)光信号到另外的光接收芯片上，进行光功率监控。剩余(例如95％)的光信号通过光纤耦合到光波导，进行传输。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种正入射式共面电极光电芯片及其制备方法，该芯片既能够实现分光，又能够实现光功率的监控。
为了实现上述技术问题，本发明提供了一种正入射式共面电极光电芯片，所述芯片上开设主光槽，所述主光槽向所述芯片的任一表面方向开口并贯穿所述芯片的吸收层；
所述芯片的正面上还设有收光区、第一电极和第二电极，所述第一电极位于所述收光区的外侧，所述第一电极和所述第二电极相互绝缘设置；
以所述芯片的正面为入光侧，所述主光槽用于入射光的一部分射出，入射光的另一部分从所述收光区进入到所述吸收层内进行光电转换。
本发明提供的正入射式共面电极光电芯片设置了主光槽，主光槽贯穿吸收层。芯片的正面上还设有收光区、第一电极和第二电极。入射光从芯片正面的一侧射入芯片，一部分光从主光槽射出，因为这部分光可通过主光槽未经过吸收层而无损穿过芯片，继续进行光信号传输；而另一部分光就会从收光区进入到吸收层内进行光电转换，产生光生载流子，从而对入射光的光功率进行有效监控。故本发明提供的正入射式共面电极光电芯片既能够分光，又能够对入射光的光功率进行监控。进而使用本发明提供的芯片的光路系统，无须使用光分路器进行分光，减少了系统体积，也降低了成本。而且本发明提供的正入射式共面电极光电芯片的第一电极和第二电极均设于芯片的同一表面，可将第一电极和第二电极分别通过焊线的方式电连接至同一电路板，再通过电路板电连接至电源的两极，安装简单、方便。
进一步地，还包括顶层，所述顶层位于所述吸收层正面的一侧；所述顶层内设有光敏区；所述光敏区的内端与所述吸收层相连接，所述光敏区的外端与所述第一电极相连接；所述收光区与所述光敏区有重叠区域；所述主光槽向所述芯片正面的方向开口并贯穿所述顶层。
进一步地，还包括衬底，所述衬底位于所述吸收层的背面一侧；所述衬底和所述吸收层之间还设有缓冲层，所述第二电极与所述缓冲层相连接；所述主光槽的内端位于所述缓冲层。
进一步地，所述芯片上还开设电极安装槽，所述电极安装槽向所述芯片正面的方向开口并贯穿所述顶层和所述吸收层，所述第二电极设于所述电极安装槽内。
进一步地，所述收光区内设有入光增透膜，所述主光槽的内端设有透光增透膜。
进一步地，所述芯片的背面设有出光增透膜，所述出光增透膜的面积大于所述主光槽沿平行于所述芯片表面方向的横截面积。
进一步地，所述芯片的背面还设有反光层，所述反光层上开设有用于设置所述出光增透膜的出光增透膜孔，所述反光层有反光材料制成。
进一步地，所述主光槽贯穿所述芯片的部分或全部。
进一步地，所述光敏区沿平行于所述芯片表面方向的横截面呈环形并围绕所述主光槽设置，所述收光区呈环形并围绕所述主光槽设置，所述第一电极沿平行于所述芯片表面方向的横截面呈环形并围绕所述收光区设置。
本发明还一种正入射式共面电极光电芯片的制备方法，包括：
形成吸收层；
在所述芯片上开设主光槽，所述主光槽向所述芯片的任一表面方向开口并贯穿所述吸收层；
在所述芯片的正面形成收光区；
在所述芯片的正面制作第一电极，所述第一电极位于所述收光区的外侧；
在所述芯片的正面制作第二电极，所述第二电极与所述第一电极相互绝缘设置。
附图说明
本发明上述和/或附加方面的优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明实施例提供的正入射式共面电极光电芯片的主视图；
图2是图1所示的芯片沿A-A’的剖视图；
图3是本发明另一实施例提供的正入射式共面电极光电芯片的剖视图；
图4是本发明实施例提供的正入射式共面电极光电芯片的后视图；
图5是本发明另一实施例提供的正入射式共面电极光电芯片的后视图；
图6是本发明实施例提供的生长衬底、缓冲层、吸收层、顶层和钝化膜的示意图；
图7是本发明实施例提供的开设光敏区窗口的示意图；
图8是本发明实施例提供的形成光敏区和开设主光槽的示意图；
图9是本发明实施例提供的生长入光增透膜和透光增透膜的示意图；
图10是本发明实施例开设电极安装槽和电极安装孔的示意图。
其中图1至图10中附图标记与部件名称之间的对应关系为：
1、衬底，2、缓冲层，3、吸收层，4、顶层，5、主光槽，6、透光增透膜，7、光敏区，8、收光区，9、第一电极，10、电极安装槽，11、电极焊盘，12、钝化膜，13、第二电极，14、出光增透膜，15、入射光，151、一部分光，152、另一部分光，16、光敏区窗口，17、电极安装孔，18、反光层。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请参考图1和图2，本发明提供一种正入射式共面电极光电芯片的实施例，包括衬底1、缓冲层2、吸收层3和顶层4。缓冲层2位于衬底1和吸收层3之间，顶层4位于吸收层3与缓冲层2相背的一表面。顶层4相对衬底1更靠近芯片的正面。在本实施例中，衬底1由掺铁(Fe)的磷化铟(InP)材料制成,缓冲层2由磷化铟(InP)材料制成，吸收层3由铟镓砷(InGaAs)材料制成，顶层4由磷化铟(InP)材料制成。
本发明提供的实施例的正入射式共面电极光电芯片上开设主光槽5，主光槽5向芯片的任一表面方向开口并贯穿吸收层3，主光槽5贯穿芯片的部分或全部。在本实施例中，主光槽5向芯片正面的方向开口，主光槽5还贯穿顶层4并内端位于缓冲层2，由于顶层4和吸收层3都比较薄，故开设主光槽5的工艺简单，易于制备和生产。
在另一个实施例中，主光槽5也可以向芯片背面的方向开口，例如贯穿衬底1、缓冲层2和吸收层3。
在又一个实施例中，请参考图3，主光槽5贯穿整个芯片变为通孔。
在本实施例中，主光槽5的内端设有透光增透膜6，以增加光透过率。
顶层4内设有光敏区7，光敏区7的内端与吸收层3相连接。具体地，光敏区7沿平行于芯片表面方向的横截面均呈环形并围绕主光槽5设置。
芯片的正面上还设有收光区8、第一电极9和第二电极13，收光区8与光敏区7有重叠区域，以使得入射光的一部分从收光区8进入到吸收层3内进行光电转换。具体地，收光区8呈环形并围绕主光槽5设置。
在本实施例中，收光区8内设有入光增透膜，以增加光入射率。
第一电极9位于收光区8的外侧，具体地，第一电极9沿平行于芯片表面方向的横截面呈环形并围绕收光区8设置。
芯片的正面上还设有电极焊盘11，第一电极9与电极焊盘11电连接。
第二电极13与缓冲层2相连接，且第二电极13与第一电极9相互绝缘设置。具体地，芯片上还开设有电极安装槽10，电极安装槽10向芯片正面的方向开口并贯穿顶层4和吸收层3，第二电极13设于电极安装槽10内。
在本实施例中，芯片呈矩形，第二电极13呈扇形并位于芯片的边缘。
芯片的正面上还设有钝化膜12，钝化膜12上分别开设有用于设置第一电极9的第一电极通孔、用于设置电极焊盘11的电极焊盘通孔和用于设置第二电极13的第二电极通孔。
请参考图4，芯片的背面设有出光增透膜14。出光增透膜14的面积大于主光槽5沿平行于芯片表面方向的横截面积，以使得入射光的一部分进入到主光槽5内并能够从芯片背面的出光增透膜14射出。
在本实施例中，第一电极9和光敏区7沿平行于芯片表面方向上的横截面均呈圆环形，收光区8呈圆环形，主光槽5和出光增透膜14均呈圆形。主光槽5、第一电极9、光敏区7和入光增透膜和出光增透膜14均为同心圆，并且圆心对准误差小于20um。主光槽5的直径为50um～250um，收光区8的内径不小于主光槽5的直径。第一电极9的内径不小于收光区8的外径。第一电极9的外径为60um～1000um。光敏区7的内径不小于主光槽5的直径。
在本实施例中，收光区8的内边缘与主光槽5的边缘相连接，收光区8的外边缘与第一电极9的内边缘相连接。光敏区7的内边缘与主光槽5的边缘相连接，光敏区7的外边缘与第一电极9的外边缘相对齐。
在另一个实施例中，请参考图5，芯片的背面上还设有反光层18，反光层上开设有用于设置出光增透膜14的出光增透膜孔，反光层18由反光材料制成，例如，反光层18可以由金属材料制成。
本发明提供的芯片的第一电极9和第二电极13均设于芯片的正面，在实际使用中，给芯片加电时，电极焊盘11通过焊线与一电路板电连接。第二电极13也通过焊线的方式与该电路板电连接，再通过该电路板电连接电源的两极，电连接结构简单，在实际安装操作时，安装简单方便。
发明提供的正入射式共面电极光电芯片的工作原理为：
通过第一电极9和第二电极13对芯片加反向偏压，芯片工作。入射光15从芯片的正面射向芯片，一部分光151从主光槽5的内端射入芯片内，该部分光再经过衬底1和缓冲层2后从出光增透膜14射出，原因是这部分光通过主光槽5穿过吸收层3，从而保持高透过率穿过芯片，继续进行光信号传输。而另一部分光152从收光区8射入芯片内，这部分光进入到吸收层3内进行光电转换，形成光电流，再经过其他一系列的外部电路和装置计算出相应的光功率并进行显示，从而实现对入射光光功率的监控。
入射光15的光强一般呈高斯分布，即光强中间强、两侧弱，进而大部分光可通过所述主光槽5的内端射出，大部分的光可继续进行光信号的传输。小部分的光才会进入到所述吸收层3进行光电转换，从而进行光功率的监控。
入射光需要分出的光的比例根据具体实际需要确定，比如在本实施例中，入射光需要分出的光的比例为8％。在光链路安装时，可以利用检测元件检测通过分光槽分出去的光的光功率，由于入射光的总的光功率是已知的(光源输出的总光功率已知，或者对总光功率单独进行测定)，从而确定分出去的光的比例是否满足需求。
如果满足需求，便可对光链路上的相关元器件进行固定。
如果不满足需求，可通过调整入射光源与芯片的距离，从而调整分出去的光的比例。
入射光分出去的光的比例确定后，便可以利用剩余的光射入到芯片吸收层3内进行光电转换，产生光电流，根据产生的光电流计算出剩余光的光功率，从而对入射光的光功率进行监控。可以认为，安装后的分光比已经确定，进入到芯片内产生光电流的部分光的光功率可以直接表征出光源光功率的变化率，若后续需要入射光的总光功率实时变化值，可以选择根据实施例中的光电流计算出的光功率按分光比例换算得出。
本发明还提供一种正入射式共面电极光电芯片的封装结构的实施例，包括管壳和正入射式共面电极光电芯片。正入射式共面电极光电芯片为以上任一实施例所述的芯片，芯片设于管壳内。管壳上还连接有第一光纤接口和第二光纤接口，第一光纤接口和第二光纤接口分别设于芯片的正面和背面。第一光纤接口用于输入光纤与管壳连接，第二光纤接口用于输出光纤与管壳连接。输入光纤通过第一光纤接口插入到管壳内后位于芯片正面的一侧，并与芯片进行光路耦合。输出光纤通过第二光纤接口插入到管壳内后位于芯片背面的一侧，并与芯片进行光路耦合。在本实施例中，管壳呈长方体，芯片垂直于管壳的底部设置，芯片的一个侧边通过胶粘的方式固定于管壳的底部，第一光纤接口和第二光纤接口分别设于管壳位置相对的两个侧壁。
本发明提供的一种正入射式共面电极光电芯片的封装结构的实施例的工作原理为：光源发射出的光经输入光纤后从芯片的正面射入芯片，一部分光从主光槽5内透射分出后，经输出光纤传输至光波导。另一部分光从收光区8内进入吸收层3进行光电转换。
本发明提供的正入射式共面电极光电芯片的封装结构在管壳上连接了第一光纤接口和第二光纤接口，应用在光路系统上时，与光纤连接简单方便，且光纤与芯片的光路耦合简单方便，故本发明提供的正入射式共面电极光电芯片在光路系统中使用方便。
本发明还提供一种正入射式共面电极光电芯片的制备方法的实施例，包括：
请参考图6，在衬底1上依次生长缓冲层2、吸收层3和顶层4；在本实施例中，可采用金属有机化合物化学气相沉积(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)法或其他本领域可选用工艺。
可选择采用生长介质膜工艺或其他本领域可选用工艺，在芯片的正面上生长钝化膜12。具体地，生长介质膜工艺为等离子体增强化学的气相沉积法(Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition，PECVD)，钝化膜12为厚度大于5000A的二氧化硅(SiO2)或厚度大于2000A的氮化硅(Si3N4)。
请参考图7，采用光刻腐蚀工艺，在钝化膜12上光刻腐蚀形成光敏区窗口16。
从光敏区窗口16对芯片进行P型材料掺杂，形成光敏区7，并采用高温扩散工艺形成PN结；具体地，光敏区7形成于顶层4，光敏区7内端连接于吸收层3；对芯片进行P型材料掺杂采用扩散工艺，扩散源为磷化锌(Zn3P2)。
请参考图8，在芯片上开设出主光槽5，主光槽5向芯片正面的方向开口；主光槽5贯穿吸收层3和顶层4，主光槽5的内端位于缓冲层2；具体地，采用湿法腐蚀工艺或者干法刻蚀工艺腐蚀出主光槽5。
请参考图9，在芯片正面生长增透膜；具体地，采用等离子体增强化学的气相沉积法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)在芯片的正面生长增透膜，并进行光刻腐蚀，保留主光槽5内端的增透膜和收光区8内的增透膜，分别形成透光增透膜6和入光增透膜。
请参考图10，在芯片正面制作第一电极9；具体地，在入光增透膜内开设电极安装孔17，在电极安装孔17内制作第一电极9；进一步地，采用电子束蒸发工艺制作第一电极9，第一电极9为钛铂金(TiPtAu)金属电极。
在芯片正面制作第二电极13；具体地，在芯片正面上开设电极安装槽10，电极安装槽10向芯片正面的方向开口并贯穿顶层4和吸收层3，在电极安装槽10内蒸镀第二电极13，第二电极13为镍金(NiAu)金属电极。
对芯片的背面进行减薄抛光。
芯片的背面生长出光增透膜14；具体地，在芯片的背面生长增透膜，并光刻，形成出光增透膜14。
通过高温合金工艺降低芯片的接触电阻。
本发明提供的正入射式共面电极光电芯片设置了主光槽5，主光槽5贯穿吸收层3，芯片的正面上还设有收光区8。入射光从芯片正面的一侧射入芯片，一部分光从主光槽5射出，因为这部分光可通过主光槽5未经过吸收层而无损穿过芯片，继续进行光信号传输；而另一部分光就会从收光区8进入到吸收层3内进行光电转换，产生光生载流子，从而对入射光的光功率进行有效监控。故本发明提供的正入射式共面电极光电芯片既能够分光，又能够对入射光的光功率进行监控。进而使用本发明提供的芯片的光路系统，无须使用光分路器进行分光，减少了系统体积，也降低了成本。而且本发明提供的正入射式共面电极光电芯片的第一电极9和第二电极13均设于芯片的同一表面，可将第一电极9和第二电极13分别通过焊线的方式电连接至同一电路板，再通过电路板电连接至电源的两极，安装简单、方便。
本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连通”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连通，也可以通过中间媒介间接连通，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种正入射式共面电极光电芯片，其特征在于：所述芯片上开设主光槽，所述主光槽向所述芯片的任一表面方向开口并贯穿所述芯片的吸收层；
所述芯片的正面上还设有收光区、第一电极和第二电极，所述第一电极位于所述收光区的外侧，所述第一电极和所述第二电极相互绝缘设置；
以所述芯片的正面为入光侧，所述主光槽用于入射光的一部分射出，入射光的另一部分从所述收光区进入到所述吸收层内进行光电转换。
2.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于：还包括顶层，所述顶层位于所述吸收层正面的一侧；所述顶层内设有光敏区；所述光敏区的内端与所述吸收层相连接，所述光敏区的外端与所述第一电极相连接；所述收光区与所述光敏区有重叠区域；所述主光槽向所述芯片正面的方向开口并贯穿所述顶层。
3.根据权利要求2所述的芯片，其特征在于：还包括衬底，所述衬底位于所述吸收层的背面一侧；所述衬底和所述吸收层之间还设有缓冲层，所述第二电极与所述缓冲层相连接；所述主光槽的内端位于所述缓冲层。
4.根据权利要求3所述的芯片，其特征在于：所述芯片上还开设电极安装槽，所述电极安装槽向所述芯片正面的方向开口并贯穿所述顶层和所述吸收层，所述第二电极设于所述电极安装槽内。
5.根据权利要求3所述的芯片，其特征在于：所述收光区内设有入光增透膜，所述主光槽的内端设有透光增透膜。
6.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于：所述芯片的背面设有出光增透膜，所述出光增透膜的面积大于所述主光槽沿平行于所述芯片表面方向的横截面积。
7.根据权利要求6所述的芯片，其特征在于：所述芯片的背面还设有反光层，所述反光层上开设有用于设置所述出光增透膜的出光增透膜孔，所述反光层有反光材料制成。
8.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于：所述主光槽贯穿所述芯片的部分或全部。
9.根据权利要求2所述的芯片，其特征在于：所述光敏区沿平行于所述芯片表面方向的横截面呈环形并围绕所述主光槽设置，所述收光区呈环形并围绕所述主光槽设置，所述第一电极沿平行于所述芯片表面方向的横截面呈环形并围绕所述收光区设置。
10.一种正入射式共面电极光电芯片的制备方法，其特征在于：包括：
形成吸收层；
在所述芯片上开设主光槽，所述主光槽向所述芯片的任一表面方向开口并贯穿所述吸收层；
在所述芯片的正面形成收光区；
在所述芯片的正面制作第一电极，所述第一电极位于所述收光区的外侧；
在所述芯片的正面制作第二电极，所述第二电极与所述第一电极相互绝缘设置。
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