CN109659379A - 正入射式多单元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多单元光电芯片及其制备方法；一种正入射式多单元光电芯片，包括多个分光单元，每个分光单元包括分光槽、吸光区和第一电极；分光槽贯穿芯片的吸收层；第一电极位于吸光区的外侧；以芯片的正面为入光侧，每束入射光射向对应的分光单元，每束入射光的一部分从对应的分光单元的分光槽透射分出，每束入射光的另一部分从对应的分光单元的吸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多单元光电芯片能够对多束入射光的每束入射光分别进行分光和光功率监控，进而使得应用本发明提供的芯片的光路系统，无须使用大量的光分路器进行分光，减少了系统体积。

Description

正入射式多单元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多单元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％)光信号到另外的光电芯片上，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。
在实际使用中，通常会有几十甚至几百条这样的光链路，相对应的就需要有几十甚至几百个光分路器，进而造成系统体积庞大。而且由于器件众多，成本就高。
发明内容
为了实现上述技术问题，本发明提供了一种正入射式多单元光电芯片，包括多个分光单元，每个所述分光单元包括分光槽、吸光区和第一电极；所述分光槽贯穿所述芯片的吸收层；所述吸光区和所述第一电极均设于所述芯片的正面，并所述第一电极位于所述吸光区的外侧；
以所述芯片的正面为入光侧，每束入射光射向对应的所述分光单元，每束入射光的一部分从对应的所述分光单元的分光槽透射分出，每束入射光的另一部分从对应的所述分光单元的吸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多单元光电芯片设置了多个分光单元，每个分光单元又包括分光槽和吸光区。分光槽贯穿芯片的吸收层。多束入射光从芯片的正面射向芯片，每束入射光射入对应的分光单元。每束入射光的一部分从对应的分光单元的分光槽透射分出，因为这部分光通过分光槽未经过吸收层而无损穿过所述芯片，从而继续进行光信号的传输。每束入射光的另一部分从对应的分光单元的吸光区内射入所述芯片，进行光电转换，从而产生光生电流，进而进行光功率监控。故本发明提供的正入射式多单元光电芯片能够对多束入射光的每束入射光分别进行分光和光功率监控，进而使得应用本发明提供的芯片的光路系统，无须使用大量的光分路器进行分光，大大减少了系统体积，同时也降低了成本。
进一步地，每个所述分光单元还包括光敏区，所述光敏区设于所述芯片的顶层；所述光敏区的内端位于所述吸收层，所述光敏区的外端与对应的所述第一电极相连接；所述光敏区与对应的所述吸光区有重叠区域；
多个所述分光单元共用所述顶层和所述吸收层，多个所述分光单元的光敏区间隔设置，各个所述分光单元的光敏区通过对应一个所述第一电极输出光电转换信号。
进一步地，所述芯片的正面上还设有多个与所述分光单元一一对应的电极焊盘，每个所述分光单元的第一电极通过电极连接线与对应的所述电极焊盘相电连接；
多个所述分光单元的第一电极之间相互绝缘设置，多个所述电极焊盘之间相互绝缘设置，多个所述电极连接线之间相互绝缘设置。
进一步地，所述芯片的背面设有第二电极，所述第二电极与所述芯片的衬底相连接。
进一步地，所述衬底和所述吸收层之间设有缓冲层，所述分光槽向所述芯片正面的方向开口并贯穿所述顶层，所述分光槽的内端位于所述缓冲层。
进一步地，所述吸光区内设有入光增透膜。
进一步地，所述分光槽的内端设有透光增透膜；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透光增透膜的面积。
进一步地，所述分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分光槽设置，所述吸光区呈环形并围绕所述分光槽设置，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吸光区设置。
本发明还提供一种正入射式多单元光电芯片的制备方法，包括：
形成吸收层；
在所述芯片上开设多个分光槽，每个所述分光槽贯穿所述吸收层；
在所述芯片的正面形成多个吸光区，每个所述吸光区与所述分光槽一一对应；
在所述芯片的正面制作多个第一电极，每个所述第一电极与所述吸光区一一对应，每个所述第一电极位于对应的所述吸光区的外侧。
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多单元光电芯片的主视图；
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多单元光电芯片的剖视图；
图4是本发明实施例提供的正入射式多单元光电芯片的后视图；
图5是本发明实施例提供的生长衬底、缓冲层、吸收层、顶层和钝化膜并开设光敏区窗口的示意图；
图6是本发明实施例提供的形成光敏区的示意图；
图7是本发明实施例提供的开设分光槽的示意图；
图8是本发明实施例提供的生长入光增透膜和透光增透膜；
图9是本发明实施例开设电极安装槽的示意图；
图10是本发明实施例提供的制作第一电极和生长出光增投膜的示意图。
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、分光槽，6、透光增透膜，7、光敏区，8、入光增透膜，9、第一电极，10、电极连接线，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、电极安装槽。
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多单元光电芯片的实施例，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由掺硫(S)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多单元光电芯片上包括多个分光单元，每个分光单元包括分光槽5、光敏区7、吸光区和第一电极9，分光槽5贯穿吸收层3，分光槽5贯穿芯片的部分或全部。在本实施例中，分光槽5向芯片正面的方向开口，分光槽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，故开设分光槽5的工艺简单，易于制备和生产。
在另一个实施例中，分光槽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，分光槽5贯穿整个芯片变为通孔。
在本实施例中，分光槽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分光槽5设置。吸收层3内对应光敏区7的区域为光电转换区域，即入射光射入芯片内是在光电转换区内进行光电转换的。
吸光区设于芯片的正面并与光敏区7有重叠区域，以使得入射光的一部分从吸光区进入到吸收层3内进行光电转换。具体地，吸光区呈环形并围绕分光槽5设置。
在本实施例中，吸光区内设有入光增透膜8，以增加光入射率。
第一电极9也设于芯片的正面位于吸光区的外侧，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吸光区设置。
多个分光单元共用衬底1、缓冲层2、吸收层3和顶层4，多个分光单元的光敏区7间隔设置。各个分光单元的光敏区7通过对应一个第一电极9输出光电转换信号。多个分光单元的光敏区7间隔设置，即多个分光单元的光电转换区间隔设置，以使得每束入射光进入到对应的分光单元的光电转换区能够进行单独的光电转换，每个分光单元对每束入射光分别进行光功率监控，互不干扰，可分别通过给对应的第一电极给对应的分光单元加电，从而使得相应的分光单元对相应的入射光进行光功率监控。具体地，相邻两个分光单元的中心间距大于100um且小于5000um。
芯片的正面上还设有多个与分光单元一一对应的电极焊盘11，每个分光单元的第一电极9通过电极连接线10与对应的电极焊盘11电连接。多个分光单元的第一电极9之间相互绝缘设置，多个电极焊盘11之间相互绝缘设置，多个电极连接线10之间相互绝缘设置。具体地，相邻两个电极焊盘11的中心间距大于30um且小于1000um，相邻两个电极连接线10的间距大于5um。
在本实施例中，每个电极焊盘11均为圆形。
电极焊盘11用于通过焊线与其他元器件(例如电路板)电连接，从而给芯片加电，电极焊盘11分布于芯片的边缘，打焊线方便。
在本实施例中，多个电极焊盘11分布于芯片位置相对的两个边缘，在电极焊盘11与其他元器件通过焊线的方式连接时，这种结构的连接方便。
在另一个实施例中，多个电极焊盘11分布于芯片的四个边缘，且每个边缘处的电极焊盘11呈单排(平行于芯片边缘的方向为排)分布，便于焊线和后续可能的返工维修。
在又一个实施例中，多个电极焊盘11分布于芯片相邻的两个边缘。
在再一个实施例中，多个电极焊盘11分布于芯片的一个边缘上。
芯片的正面上还设有钝化膜12，钝化膜12上分别开设有多个用于设置对应的第一电极9的第一电极通孔、多个用于设置对应的电极焊盘11的电极焊盘通孔和多个用于设置对应的电极连接线10的电极连接线通孔。
请参考图4，芯片的背面还设有第二电极13和出光增透膜14，第二电极13与衬底1相连接，第二电极13上开设有用于设置出光增透膜14的出光增透膜孔。出光增透膜14的面积大于分光槽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分光槽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，入光增透膜8呈圆环形，分光槽5和出光增透膜14均呈圆形。分光槽5、第一电极9、光敏区7和入光增透膜8和出光增透膜14均为同心圆，并且圆心对准误差小于20um。分光槽5的直径为50um～250um，吸光区的内径不小于分光槽5的直径。第一电极9的内径不小于吸光区的外径。第一电极9的外径为60um～1000um。光敏区7的内径不小于分光槽5的直径。
在本实施例中，吸光区的内边缘与分光槽5的边缘相连接，吸光区的外边缘与第一电极9的内边缘相连接。光敏区7的内边缘与分光槽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。
本发明提供的芯片的多个分光单元的第一电极9均设于芯片的正面，第二电极13设于芯片的背面。在实际使用中，给芯片加电时，每个电极焊盘11通过焊线与第一电路板电连接。在芯片的背面设一个透明(避免影响入射光射入到芯片内)的第二电路板，第二电路板上设有电路走线，第二电极13与第二电路板上的电路走线相电连接。再将第一电路板和第二电路板电连接至电源的两极，从而实现给芯片加电。
发明提供的正入射式多单元光电芯片的工作原理为：
通过给第二电极13和相应的分光单元的第一电极9加反向偏压，使得芯片上对应的分光单元工作。多束入射光15从芯片的正面射向芯片，每束入射光15射向对应一个分光单元，每束入射光15的一部分光151从对应的分光单元的分光槽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分光槽5未经过吸收层3而无损穿过芯片，继续进行光信号传输。而每束入射光的另一部分光152从对应的分光单元的吸光区射入芯片内，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，从而实现对每束入射光光功率的监控。
每束入射光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分光槽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吸收层3进行光电转换，从而进行光功率的监控。
每束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，一束入射光需要分出的光的比例为10％。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所述芯片的距离，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多单元光电芯片的封装结构的实施例，包括管壳和正入射式多单元光电芯片。正入射式多单元光电芯片为以上任一实施例所述的芯片，芯片设于管壳内。管壳上还连接有多个第一光纤接口和多个第二光纤接口，多个第一光纤接口与分光单元一一对应，多个第二光纤接口也与分光单元一一对应。多个第一光纤接口均设于芯片的正面，多个第二光纤接口设于芯片的背面。每个第一光纤接口均用于对应一个输入光纤与管壳连接，每个第二光纤接口均用于对应一个输出光纤与管壳连接。每个输入光纤通过对应的第一光纤接口插入到管壳内后位于芯片正面的一侧，并与芯片对应的分光单元进行光路耦合。每个输出光纤通过对应的第二光纤接口插入到管壳内后位于芯片背面的一侧，并与芯片对应的分光单元进行光路耦合。在本实施例中，管壳呈长方体，芯片垂直于管壳的底部设置，每个第一光纤接口和每个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多单元光电芯片的封装结构的实施例的工作原理为：多个光源分别发射出多束入射光，每束入射光经对应的输入光纤传输后从芯片的正面射入芯片，每束入射光的一部分光从对应的分光单元的分光槽5内透射分出后，经对应的输出光纤传输至对应的光波导。每束入射光的另一部分光从对应的分光单元的吸光区内进入吸收层3进行光电转换。
本发明提供的正入射式多单元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多单元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多单元光电芯片的制备方法的实施例，包括：
请参考图5，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，即钝化膜12位于顶层4与吸收层3相背的一表面。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 Enhanced Chemical 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)。
采用光刻腐蚀工艺，在钝化膜12上光刻腐蚀形成多个光敏区窗口16。
请参考图6，从每个光敏区窗口16对芯片的多处进行P型材料掺杂，形成多个光敏区7，并采用高温扩散工艺形成PN结；具体地，每个光敏区7形成于顶层4，每个光敏区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7，在芯片上开设出多个分光槽5，分光槽5的数量与光敏区7的数量一一对应。每个分光槽5均向芯片正面的方向开口，每个分光槽5均贯穿吸收层3和顶层4，每个分光槽5的内端均位于缓冲层2；具体地，采用湿法腐蚀工艺或者干法刻蚀工艺腐蚀出分光槽5。
在芯片正面上形成多个吸光区，每个吸光区与分光槽5一一对应。
请参考图8，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，保留每个分光槽5内端的增透膜和每个吸光区内的增透膜，分别形成透光增透膜6和入光增透膜8。
请参考图9，在芯片正面制作多个第一电极9，每个第一电极9与吸光区一一对应，每个第一电极9位于对应的吸光区的外侧；具体地，在每个入光增透膜8内开设电极安装槽17，在电极安装槽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。
对芯片的背面进行减薄抛光。
请参考图10，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。
在芯片的背面制作第二电极13，并在第二电极13上开设用于设置出光增透膜14的出光增透膜孔；具体地，采用电子束蒸发工艺制作第二电极13，第二电极13为镍金(NiAu)金属电极，并光刻形成出光增透膜孔。
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多单元光电芯片设置了多个分光单元，每个分光单元又包括分光槽5和吸光区。分光槽5贯穿芯片的吸收层3。多束入射光从芯片的正面射向芯片，每束入射光射入对应的分光单元。每束入射光的一部分从对应的分光单元的分光槽5透射分出，因为这部分光通过分光槽5无损穿过吸收层3，从而保持高透过率的穿过所述芯片，从而继续进行光信号的传输。每束入射光的另一部分从对应的分光单元的吸光区内射入所述芯片，进行光电转换，从而产生光生电流，进而进行光功率监控。故本发明提供的正入射式多单元光电芯片能够对多束入射光的每束入射光分别进行分光和光功率监控，进而使得应用本发明提供的芯片的光路系统，无须使用大量的光分路器进行分光，大大减少了系统体积，同时也降低了成本。
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)

1.一种正入射式多单元光电芯片，其特征在于：包括多个分光单元，每个所述分光单元包括分光槽、吸光区和第一电极；所述分光槽贯穿所述芯片的吸收层；所述吸光区和所述第一电极均设于所述芯片的正面，并所述第一电极位于所述吸光区的外侧；
以所述芯片的正面为入光侧，每束入射光射向对应的所述分光单元，每束入射光的一部分从对应的所述分光单元的分光槽透射分出，每束入射光的另一部分从对应的所述分光单元的吸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：每个所述分光单元还包括光敏区，所述光敏区设于所述芯片的顶层；所述光敏区的内端位于所述吸收层，所述光敏区的外端与对应的所述第一电极相连接；所述光敏区与对应的所述吸光区有重叠区域；
多个所述分光单元共用所述顶层和所述吸收层，多个所述分光单元的光敏区间隔设置，各个所述分光单元的光敏区通过对应一个所述第一电极输出光电转换信号。
3.根据权利要求1所述芯片，其特征在于：所述芯片的正面上还设有多个与所述分光单元一一对应的电极焊盘，每个所述分光单元的第一电极通过电极连接线与对应的所述电极焊盘相电连接；
多个所述分光单元的第一电极之间相互绝缘设置，多个所述电极焊盘之间相互绝缘设置，多个所述电极连接线之间相互绝缘设置。
4.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第二电极，所述第二电极与所述芯片的衬底相连接。
5.根据权利要求4所述的芯片，其特征在于：所述衬底和所述吸收层之间设有缓冲层，所述分光槽向所述芯片正面的方向开口并贯穿所述顶层，所述分光槽的内端位于所述缓冲层。
6.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于：所述吸光区内设有入光增透膜。
7.根据权利要求5所述的芯片，其特征在于：所述分光槽的内端设有透光增透膜；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透光增透膜的面积。
8.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于：所述分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分光槽设置，所述吸光区呈环形并围绕所述分光槽设置，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吸光区设置。
10.一种正入射式多单元光电芯片的制备方法，其特征在于：包括：
形成吸收层；
在所述芯片上开设多个分光槽，每个所述分光槽贯穿所述吸收层；
在所述芯片的正面形成多个吸光区，每个所述吸光区与所述分光槽一一对应；
在所述芯片的正面制作多个第一电极，每个所述第一电极与所述吸光区一一对应，每个所述第一电极位于对应的所述吸光区的外侧。
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