CN109671795B - 背入射式阵列光电芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种背入射式阵列光电芯片及其制备方法，一种背入射式阵列光电芯片，包括多个分光监控单元，每个分光监控单元包括透光槽和光敏区；透光槽向芯片任一表面的方向开口并贯穿芯片的吸收层，光敏区形成于芯片的顶层并一端连接至芯片的吸收层；吸收层内对应光敏区的区域为光电转换区；以芯片的背面为入光侧，多束入射光射向芯片；每束入射光的一部分从对应的分光监控单元的透光槽透射分出，每束入射光的另一部分进入到对应的分光监控单元的光电转换区内进行光电转换，从而使得该芯片能够对多束入射光分别进行分光和光功率监控；进而使得使用该芯片的光路系统无需使用大量的光分路器，进而大大减小了光路系统的体积和成本。
Description
技术领域
本发明涉及光通信传输技术领域，具体涉及一种背入射式阵列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。
在实际应用中，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，也会造成成本高。
发明内容
为了实现上述技术问题，本发明提供了一种背入射式阵列光电芯片，包括多个分光监控单元，每个所述分光监控单元包括透光槽和光敏区；所述透光槽向所述芯片任一表面的方向开口并贯穿所述芯片的吸收层，所述光敏区形成于所述芯片的顶层并一端连接至所述芯片的吸收层；所述吸收层内对应所述光敏区的区域为光电转换区；
以所述芯片的背面为入光侧，多束入射光射向所述芯片；每束入射光的一部分从对应的所述分光监控单元的透光槽透射分出，每束入射光的另一部分进入到对应的所述分光监控单元的光电转换区内进行光电转换。
本发明提供的背入射式阵列光电芯片设置了多个分光监控单元，每个分光监控单元又包括透光槽和光敏区。多束入射光射向芯片，每束入射光的一部分从对应的分光监控单元的透光槽透射分出，这部分光可通过透光槽未经过吸收层而无损穿过芯片，可继续进行光信号传输。每束入射光的另一部分进入到对应的分光监控单元的光电转换区内进行光电转换，从而使得该芯片能够对多束入射光分别进行分光和光功率监控。进而使得使用该芯片的光路系统无需使用大量的光分路器，进而大大减小了光路系统的体积和成本。
进一步地，每个所述分光监控单元还包括第一电极，所述第一电极设于所述芯片的正面并与对应的所述光敏区的另一端相连接；
多个所述分光监控单元的第一电极相互绝缘设置；
所述芯片的背面上设有至少一个第二电极，所述第二电极与所述芯片的衬底相连接。
进一步地，所述芯片正面的边缘上还设有多个与所述分光监控单元一一对应的电极焊盘，每个所述分光监控单元的第一电极通过对应一个电极连接线电连接至对应的所述电极焊盘；
多个所述电极连接线之间相互绝缘设置；
多个所述电极焊盘之间相互绝缘设置。
进一步地，所述衬底与所述吸收层之间还设有缓冲层，所述透光槽向所述芯片正面的方向开口，所述透光槽还贯穿所述顶层并内端位于所述缓冲层。
进一步地，相邻两个所述分光监控单元的中心间距大于100um且小于5000um。
进一步地，相邻两个所述电极焊盘的中心间距大于30um且小于1000um；相邻两个所述电极连接线的间距大于5um。
进一步地，所述透光槽贯穿所述芯片的部分或全部。
进一步地，所述芯片的背面设有多个与所述分光监控单元一一对应的入光增透膜，每个所述入光增透膜的面积大于对应的所述分光监控单元的透光槽和光敏区分别沿平行于所述芯片表面方向的横截面积的总和。
进一步地，所述透光槽的内端设有出光增投膜。
本发明还提供一种背入射式阵列光电芯片的制备方法，包括：
形成吸收层和顶层；
在所述顶层的多处掺杂P型材料，每处的所述P型材料扩散至所述吸收层，形成多个光敏区；
在所述芯片上开出多个透光槽，多个所述透光槽均贯穿所述吸收层。
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背入射式阵列光电芯片的主视图；
图2是本发明实施例提供的背入射式阵列光电芯片的后视图；
图3是图1所示的主视图区域A的放大图；
图4是图3沿B-B’方向的部分剖视图；
图5是本发明提供的背入射式阵列光电芯片的另一实施例的部分剖视图；
图6是本发明提供的背入射式阵列光电芯片的电极焊盘分布的另一实施例的示意图；
图7是本发明提供的背入射式阵列光电芯片的电极焊盘分布的又一实施例的示意图；
图8是本发明提供的背入射式阵列光电芯片的电极焊盘分布的再一实施例的示意图；
图9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10是本发明实施例提供的光刻腐蚀光敏区窗口的示意图；
图11是本发明实施例提供的扩散形成光敏区的示意图；
图12是本发明实施例提供的制作第一电极的示意图；
图13是本发明实施例提供的开设透光槽的示意图；
图14是本发明实施例提供的生长出光增透膜的示意图；
图15是本发明实施例提供的生长入光增透膜的示意图；
图16是本发明实施例提供的制备第二电极的示意图。
其中图1至图16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、透光槽，6、光敏区，7、第一电极，8、电极焊盘，9、电极连接线，10、第二电极，11、入光增透膜，12、出光增透膜，13、钝化膜，14入射光，141、入射光的一部分，142、入射光的另一部分，15、光敏区窗口。
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至图4，本发明提供一种背入射式阵列光电芯片的实施例，包括依次层叠设置的衬底1、缓冲层2、吸收层3和顶层4，衬底1相对顶层4更靠近芯片的背面。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。
本发明提供的一种背入射式阵列芯片的实施例还包括多个分光监控单元。具体地，相邻两个分光监控单元的中心间距大于100um且小于5000um。
每个分光监控单元包括透光槽5、光敏区6和第一电极7。
透光槽5向芯片任一表面的方向开口并贯穿芯片的吸收层3，透光槽5贯穿芯片的部分或全部。在本实施例中，透光槽5向芯片正面的方向开口，透光槽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，故开设透光槽5的工艺简单，易于制备和生产。
在另一个实施例中，透光槽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5，透光槽5贯穿整个芯片变为通孔。
光敏区6形成于芯片的顶层4并一端连接至芯片的吸收层3，吸收层3内对应光敏区6的区域为光电转换区，入射光射入到芯片内是在光电转换区进行光电转换的，从而产生光生电流，进而对光功率监控。
多个分光监控单元的光敏区6间隔设置，即多个分光监控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监控单元的光电转换区能够进行单独的光电转换，每个分光监控单元对每束入射光分别进行光功率监控，互不干扰。
第一电极7设于芯片的正面并与对应的光敏区6的另一端相连接，多个分光监控单元的第一电极7相互绝缘设置。
芯片正面的边缘上还设有多个与分光监控单元一一对应的电极焊盘8，每个分光监控单元的第一电极7通过对应一个电极连接线9电连接至对应的电极焊盘8。多个电极连接线9之间相互绝缘设置，多个电极焊盘8之间相互绝缘设置。具体地，相邻两个电极焊盘8的中心间距大于30um且小于1000um，相邻两个电极连接线9的间距大于5um。
在本实施例中，每个电极焊盘8均为圆形。
电极焊盘8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8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8分布于芯片的四个边缘，且每个边缘处的电极焊盘8呈单排(平行于芯片边缘的方向为排)分布，便于维修。
在另一个实施例中，请参考图6，多个电极焊盘8分布于芯片位置相对的两个边缘，在电极焊盘8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。
在又一个实施例中，请参考图7，多个电极焊盘8分布于芯片相邻的两个边缘。
在再一个实施例中，请参考图8，多个电极焊盘8分布于芯片的一个边缘上。
芯片的背面上设有至少一个第二电极10，第二电极10与芯片的衬底1相连接。
第一电极7和第二电极10用于与电源的两极相连接，以给芯片加电。
本发明提供的芯片的实施例的第一电极7设于芯片的正面，第二电极10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8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10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。
以芯片的背面为入光侧。在本实施例中，芯片的背面设有多个与分光监控单元一一对应的入光增透膜11，减少光的反射，以增加入光率。每个入光增透膜11的面积大于对应的分光监控单元的透光槽5和光敏区6分别沿平行于芯片表面方向的横截面积的总和，以使得每束入射光从对应的入光增透膜11射入芯片内后，都能够被对应的分光监控单元的透光槽5分光和进入对应的光电转换区进行光电转换。
在本实施例中，芯片的背面上只设有第一个第二电极10，第二电极10上开设有多个与入光增透膜11一一对应的第二电极通孔，每个入光增透膜11位于对应的第二电极通孔内。
透光槽5的内端设有出光增投膜12，减少光的反射，以增加出光率。
在本实施例中，每个分光监控单元的第一电极7和光敏区6沿平行于芯片表面的方向上的横截面均呈圆环形，每个分光监控单元的透光槽5和入光增透膜11均呈圆形。每个分光监控单元的透光槽5、第一电极7、光敏区6和入光增透膜11均为同心圆，并且圆心对准误差小于20um。透光槽5的直径为50um～250um，第一电极77的内径不小于透光槽5的直径，第一电极7的外径大于透光槽5的直径并为60um～1000um。第一电极7的外径不大于入光增透膜11的直径，光敏区6的内径不大于第一电极7的内径，光敏区6的外径不大于第一电极7的外径。光敏区6的内径不小于透光槽5的直径，光敏区6的外径不大于入光增透膜11的直径。
本发明提供的背入射式阵列光电芯片的正面上还设有钝化膜13，钝化膜13位于顶层4与吸收层3相背的一表面。钝化膜13上开设有多个与分光监控单元的第一电极7一一对应的第一电极通孔，每个分光监控单元的第一电极7位于对应的第一电极通孔内。
本发明提供的背入射式阵列光电芯片的工作原理为：通过第二电极10和每个分光监控单元的第一电极7给芯片加反向偏压，从而使得芯片工作。多束入射光从芯片背面的对应的入光增透膜11射入芯片内，每束入射光14的一部分141经过衬底1和缓冲层2后从对应的分光监控单元的透光槽5透射分出，这部分光可在保持高透过率的情况下穿过芯片，可继续进行光信号传输。每束入射光14的另一部分142经过衬底1和缓冲层2后进入到对应的分光监控单元的光电转换区内进行光电转换，从而产生光生电流，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。
每束入射光的光强一般呈高斯分布，即光强中间强、两侧弱，进而每束入射光的大部分光可通过透光槽5的内端射出，大部分的光可继续进行光信号的传输。每束入射光的小部分光才会进入到吸收层3进行光电转换。
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，每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对应的分光监控单元的透光槽5分出去的光的光功率，由于每束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，可通过调整每束入射光的光源与芯片的距离，从而调整每束入射光分出去的光的比例。
每束入射光分出去的光的比例确定后，便可以利用每束光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每束光剩余光的光功率，从而对每束入射光的光功率进行监控。可以认为，安装后的每束光的分光比已经确定，每束光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每个光源光功率的变化率，若后续需要每束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每束光的光功率按分光比例换算得出。
本发明还提供一种背入射式阵列光电芯片的制备方法的实施例，包括：
请参考图9，在衬底1上依次生长形成缓冲层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13，即钝化膜13位于所述顶层4与所述吸收层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13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10，采用光刻腐蚀工艺，在钝化膜13上光刻腐蚀形成多个光敏区窗口15。
请参考图11，从每个光敏区窗口15在顶层4的多处掺杂P型材料，每处的P型材料扩散至吸收层3，形成多个光敏区6，并采用高温扩散工艺形成PN结；具体地，对顶层4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12，在芯片的正面制作多个第一电极7，每个第一电极7与对应的光敏区6相连接；具体地，采用电子束蒸发工艺制作第一电极7，第一电极7为钛铂金(TiPtAu)金属电极。
请参考图13，在芯片上开设出多个透光槽5，透光槽5向芯片正面的方向开口，多个透光槽5均贯穿吸收层3和顶层4，透光槽5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透光槽5。
请参考图14，在每个透光槽5的内端生长出光增透膜；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)芯片的正面生长增透膜，并进行光刻腐蚀，保留透光槽5内端的增透膜，形成出光增透膜。
对芯片的背面进行减薄抛光。
请参考图15，在芯片的背面生长多个入光增透膜11，每个入光增透膜11与一个分光监控单元相对应；具体地，在芯片的背面生长增透膜，并光刻形成多个入光增透膜11。
请参考图16，在芯片的背面制作第二电极10，并在第二电极10上开设多个用于设置入光增透膜11的第二电极通孔；具体地，采用电子束蒸发工艺制作第二电极10，第二电极10为镍金(NiAu)金属电极，并光刻形成多个第二电极通孔。
通过高温合金工艺降低芯片的接触电阻。
本发明提供的背入射式阵列光电芯片设置了多个分光监控单元，每个分光监控单元又包括透光槽5和光敏区6。多束入射光射向芯片，每束入射光的一部分从对应的分光监控单元的透光槽5透射分出，这部分光可通过透光槽5未经过吸收层3而无损穿过芯片，可继续进行光信号传输。每束入射光的另一部分进入到对应的分光监控单元的光电转换区内进行光电转换，从而使得该芯片能够对多束入射光分别进行分光和光功率监控。进而使得使用该芯片的光路系统无需使用大量的光分路器，进而大大减小了光路系统的体积和成本。
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 (7)
1.一种背入射式阵列光电芯片，其特征在于：包括多个分光监控单元，每个所述分光监控单元包括透光槽和光敏区；所述透光槽向所述芯片任一表面的方向开口并贯穿所述芯片的吸收层，所述光敏区形成于所述芯片的顶层并一端连接至所述芯片的吸收层；所述吸收层内对应所述光敏区的区域为光电转换区；其中，每个所述分光监控单元还包括第一电极，所述第一电极设于所述芯片的正面并与对应的所述光敏区的另一端相连接；多个所述分光监控单元的第一电极相互绝缘设置；所述芯片的背面上设有至少一个第二电极，所述第二电极与所述芯片的衬底相连接；
以所述芯片的背面为入光侧，多束入射光射向所述芯片；每束入射光的一部分从对应的所述分光监控单元的透光槽透射分出，每束入射光的另一部分进入到对应的所述分光监控单元的光电转换区内进行光电转换；
所述芯片的背面设有多个与所述分光监控单元一一对应的入光增透膜，每个所述入光增透膜的面积大于对应的所述分光监控单元的透光槽和光敏区分别沿平行于所述芯片表面方向的横截面积的总和，其中，所述第二电极上开设有多个与所述入光增透膜一一对应的第二电极通孔，每一所述入光增透膜位于对应的所述第二电极通孔内；
其中，所述芯片正面的边缘上还设有多个与所述分光监控单元一一对应的电极焊盘，每个所述分光监控单元的第一电极通过对应一个电极连接线电连接至对应的所述电极焊盘；
多个所述电极连接线之间相互绝缘设置；
多个所述电极焊盘之间相互绝缘设置。
2.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于：所述衬底与所述吸收层之间还设有缓冲层，所述透光槽向所述芯片正面的方向开口，所述透光槽还贯穿所述顶层并内端位于所述缓冲层。
3.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于：相邻两个所述分光监控单元的中心间距大于100um且小于5000um。
4.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于：相邻两个所述电极焊盘的中心间距大于30um且小于1000um；相邻两个所述电极连接线的间距大于5um。
5.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于：所述透光槽贯穿所述芯片的部分或全部。
6.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于：所述透光槽的内端设有出光增透膜。
7.一种背入射式阵列光电芯片的制备方法，其特征在于：包括：
形成吸收层和顶层；
在所述顶层的多处掺杂P型材料，每处的所述P型材料扩散至所述吸收层，形成多个光敏区；
在所述芯片上开出多个透光槽，多个所述透光槽均贯穿所述吸收层，其中，所述透光槽与所述光敏区为分光监控单元所包括的区域；
在所述芯片的正面设置第一电极，且所述第一电极与对应的所述光敏区的另一端相连接，以及在所述芯片的背面上设有至少一个第二电极，所述第二电极与所述芯片的衬底相连接；
在所述芯片的背面设有多个与所述分光监控单元一一对应的入光增透膜，每个所述入光增透膜的面积大于对应的所述分光监控单元的透光槽和光敏区分别沿平行于所述芯片表面方向的横截面积的总和，其中，所述第二电极上开设有多个与所述入光增透膜一一对应的第二电极通孔，每一所述入光增透膜位于对应的所述第二电极通孔内；
其中，所述芯片正面的边缘上还设有多个与所述分光监控单元一一对应的电极焊盘，每个所述分光监控单元的第一电极通过对应一个电极连接线电连接至对应的所述电极焊盘；
多个所述电极连接线之间相互绝缘设置；
多个所述电极焊盘之间相互绝缘设置。
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