CN110082858B - 一种光子陀螺芯片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光子陀螺芯片及其制备方法，属于集成芯片领域。包括激光器、Y分支波导、谐振腔、直波导一、探测器一和探测器二；所述Y分支波导的一端连接激光器，另一端连接谐振腔；所述谐振腔上连接有直波导一；所述直波导一的一端连接探测器一、另一端连接探测器二。本发明提高了光学陀螺的集成度和灵敏度。

Description

一种光子陀螺芯片及其制备方法
技术领域
本发明涉及电光材料的集成芯片领域，尤其涉及一种光子陀螺芯片及其制备方法。
背景技术
利用转子或振动测量角速度的惯性器件属于机械陀螺，包括静电陀螺、MEMS陀螺等；而利用光学中Sagnac效应（萨格纳克效应）测量角速度的光学传感器件属于光学陀螺，包括光纤陀螺和光子陀螺等。光学陀螺相较于机械陀螺具有无运动部件、能耗低、启动时间短、寿命长等优点。随着惯性技术的发展，运动监测、导航等应用领域对于光学陀螺的集成化、微型化提出了更高的要求。
目前，利用光纤线圈作为谐振腔的集成光纤陀螺已经有了比较成熟的发展，其采用将外部的激光器、光电探测器与波导、谐振腔粘合的制备方法实现集成，具有较高的品质因子和角速度检测灵敏度。这种形式的集成光学陀螺虽然制备工艺简单，但是集成度不够高，尺寸还不够小，光在波导中传输时垂直方向上的损耗较大，不能满足惯性系统集成化小型化技术日益发展的需求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种光子陀螺芯片及其制备方法，以解决现有技术中存在的芯片集成度不够高，尺寸还不够小，光在波导中传输时垂直方向上损耗较大的问题。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种光子陀螺芯片，包括激光器、Y分支波导、谐振腔、直波导一、探测器一和探测器二；
所述Y分支波导的一端连接激光器，另一端连接谐振腔；
所述谐振腔上连接有直波导一；
所述直波导一的一端连接探测器一、另一端连接探测器二。
进一步的，所述激光器通过直波导二连接有n型氮化物平台一；
所述探测器一通过直波导三连接有n型氮化物平台二；
所述探测器二通过直波导四连接有n型氮化物平台三；
所述Y分支波导的一侧连接有n型氮化物平台四，另一侧连接有n型氮化物平台五。
进一步的，所述n型氮化物平台一通过硅柱一支撑；
所述激光器通过硅柱二支撑；
所述谐振腔通过硅柱三支撑；
所述n型氮化物平台四通过硅柱四支撑；
所述n型氮化物平台五通过硅柱五支撑；
所述探测器一通过硅柱六支撑；
所述探测器二通过硅柱七支撑。
进一步的，所述激光器包括n型氮化物平台六、氮化物量子阱一、p型氮化物平台一、p型区电极一和n型区电极一；
所述n型氮化物平台六、氮化物量子阱一、p型氮化物平台一、p型区电极一自下而上依次设置；
所述n型区电极一沉积于氮化物量子阱一四周的n型氮化物平台六的上表面；
所述探测器一包括n型氮化物平台六、氮化物量子阱二、p型氮化物平台二、p型区电极二和n型区电极二；
所述n型氮化物平台六、氮化物量子阱二、p型氮化物平台二、p型区电极二自下而上依次设置；
所述n型区电极二沉积于氮化物量子阱二四周的n型氮化物平台六的上表面；
所述探测器二包括n型氮化物平台六、氮化物量子阱三、p型氮化物平台三、p型区电极三和n型区电极三；
所述n型氮化物平台六、氮化物量子阱三、p型氮化物平台三、p型区电极三自下而上依次设置；
所述n型区电极三沉积于氮化物量子阱三四周的n型氮化物平台六的上表面。
进一步的，所述p型区电极一、p型区电极二和p型区电极三的几何形状为圆形；
所述p型区电极一的半径小于p型氮化物平台一的半径；
所述p型区电极二的半径小于p型氮化物平台二的半径；
所述p型区电极三的半径小于p型氮化物平台三的半径；
所述n型区电极一、n型区电极二和n型区电极三的几何形状为环带形；
所述n型区电极一的半径大于p型氮化物平台一的半径；
所述n型区电极二的半径大于p型氮化物平台二的半径；
所述n型区电极三的半径大于p型氮化物平台三的半径。
进一步的，所述直波导一、直波导二、直波导三、直波导四和Y分支波导的线宽均相同。
进一步的，所述n型区电极一、n型区电极二和n型区电极三的表面沉积有Au/Ni金属；
所述p型区电极一、p型区电极二和p型区电极三的表面沉积有Au/Ni金属；
所述直波导二、直波导三和直波导四的表面沉积有Au/Ni金属；
所述n型氮化物平台一、n型氮化物平台二和n型氮化物平台三的表面沉积有Au/Ni金属。
进一步的，所述谐振腔包括三根悬臂梁和固定在悬臂梁上的圆环；
所述三根悬臂梁的一端与圆环的圆心重合，每两根所述悬臂梁一端之间的夹角为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
。
一种光子陀螺芯片的制备方法，所述光学陀螺芯片包括p型氮化物层、n型氮化物层、p型区电极、n型区电极和硅柱；
所述p型氮化物层包括
所述n型氮化物层包括
所述p型区电极包括p型区电极一、p型区电极二和p型区电极三；
所述n型区电极包括n型区电极一、n型区电极二和n型区电极三；
所述硅柱包括硅柱一、硅柱二、硅柱三、硅柱四、硅柱五、硅柱六和硅柱七；
所述方法包括如下步骤：
在硅基氮化物晶片的上表面旋涂光刻胶，在光刻胶层上定义p型氮化物层的表面结构，从光刻胶层的顶部向下刻蚀，直至n型氮化物层的上表面，形成p型氮化物层；
将所述硅基氮化物晶片的上表面旋涂光刻胶，在光刻胶层上定义n型氮化物层的表面结构，从光刻胶层的顶部向下刻蚀，直至硅衬底的上表面，形成n型氮化物层；
在形成p型氮化物层和n型氮化物层的硅基氮化物晶片的上表面旋涂光刻胶，在光刻胶层上定义p型区电极和n型区电极的透明图形，在所述透明图形的上表面蒸镀Au/Ni，获得p型区电极和n型区电极；
对所述硅基氮化物晶片的硅衬底进行湿法刻蚀，获得用于支撑集成光子陀螺的硅柱。
进一步的，所述方法还包括如下步骤：分别将处理后的硅基氮化物晶片上的p型区电极和n型区电极表面引线至基板铜导体。
进一步的，所述n型区电极一通过直波导二与n型氮化物平台一连接。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明通过将激光器、波导、谐振腔和光电探测器同时在硅衬底氮化物外延片上制备得到，没有引入外部器件的条件，具有极高的集成度；
本发明中采用圆环内接三根三叉星悬臂梁的谐振腔结构，与目前的光学陀螺中采用的光纤谐振腔相比，具有极小的尺寸；
本发明中对整个光子陀螺系统进行了悬空，使得光子陀螺系统中光可以在波导中水平传输，减少了垂直方向上的光学损耗。
附图说明
图1是硅衬底氮化物集成光子陀螺的p型氮化镓层定义形状示意图；
图2是硅衬底氮化物集成光子陀螺的n型氮化镓层定义形状示意图；
图3是硅衬底氮化物集成光子陀螺的整体结构俯视图；
图4是硅衬底氮化物集成光子陀螺的整体结构前视图；
图5是硅衬底氮化物集成光子陀螺的整体结构后视图；
图6是硅衬底氮化物集成光子陀螺的工艺流程图。
附图标记：1-n型氮化物平台一；2-直波导二；3-n型区电极一；5-p型区电极一；6-p型氮化物平台一；7-Y分支波导；8-n型氮化物平台四；9-n型氮化物平台五；10-谐振腔；11-n型氮化物平台二；12-直波导三；13-n型区电极三；15-p型氮化物平台三；16-p型区电极三；17-直波导一；18-n型区电极二；20-p型氮化物平台二；21-p型区电极二；22-直波导四；23-n型氮化物平台三；24-氮化物量子阱二；25-氮化物量子阱一；26-硅柱一；27-硅柱二；28-硅柱五；29-硅柱六；30-硅柱三；31-硅柱四；32-氮化物量子阱三；33-硅柱七；34-n型氮化物平台六。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明工作原理和技术方案做进一步的详细的描述。
如图1、图2、图3、图4、图5所示，一种光子陀螺芯片，包括激光器、Y分支波导7、谐振腔10、直波导一17、探测器一和探测器二；Y分支波导7的一端连接激光器，另一端连接谐振腔10；所述谐振腔10上连接有直波导一17；所述直波导一17的一端连接探测器一、另一端连接探测器二。
探测器一和探测器二采用圆形氮化镓光电探测器，探测器的外环半径为100
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，
激光器为圆形氮化镓激光器，激光器外环半径为125
Figure 128979DEST_PATH_IMAGE002
，
激光器通过直波导二2连接有n型氮化物平台一1，n型氮化物平台一1采用沉积有Au/Ni金属的圆形n型氮化镓平台，半径为80
Figure 46119DEST_PATH_IMAGE002
；
探测器一通过直波导三12连接有n型氮化物平台二11；
探测器二通过直波导四22连接有n型氮化物平台三23；
与探测器一和探测器二连接的n型氮化物平台二11、n型氮化物平台三23采用沉积有Au/Ni金属的圆形n型氮化镓平台，平台半径为80
Figure 825857DEST_PATH_IMAGE002
；
Y分支波导7的一侧连接有n型氮化物平台四8，另一侧连接有n型氮化物平台五9，n型氮化物平台四8和n型氮化物平台五9采用圆形n型氮化镓平台，半径为80
Figure 784847DEST_PATH_IMAGE002
。
n型氮化物平台一1通过硅柱一26支撑；激光器通过硅柱二27支撑；谐振腔10通过硅柱三30支撑；n型氮化物平台四8通过硅柱四31支撑；n型氮化物平台五9通过硅柱五28支撑；探测器一通过硅柱六29支撑；探测器二通过硅柱七33支撑。
激光器包括n型氮化物平台六34、氮化物量子阱一25、p型氮化物平台一6、p型区电极一5和n型区电极一3；n型氮化物平台六34、氮化物量子阱一25、p型氮化物平台一6、p型区电极一5自下而上依次设置；n型区电极一3环绕在氮化物量子阱一25四周的n型氮化物平台六34的上表面；探测器一包括n型氮化物平台六34、氮化物量子阱二24、p型氮化物平台二20、p型区电极二21和n型区电极二18；n型氮化物平台六34、氮化物量子阱二24、p型氮化物平台二20、p型区电极二21自下而上依次设置；n型区电极二18环绕在氮化物量子阱二24四周的n型氮化物平台六34的上表面；；探测器二包括n型氮化物平台六34、氮化物量子阱三32、p型氮化物平台三15、p型区电极三16和n型区电极三13；n型氮化物平台六34、氮化物量子阱三32、p型氮化物平台三15、p型区电极三16自下而上依次设置；p型区电极三16环绕在氮化物量子阱三32四周的n型氮化物平台六34的上表面。
p型区电极一5、p型区电极二21和p型区电极三16的几何形状为圆形；p型区电极一5的半径小于p型氮化物平台一6的半径；p型区电极二21的半径小于p型氮化物平台二20的半径；p型区电极三16的半径小于p型氮化物平台三15的半径；n型区电极一3、n型区电极二18和n型区电极三13的几何形状为环带形；n型区电极一3的半径大于p型氮化物平台一6的半径；n型区电极二18的半径大于p型氮化物平台二20的半径；n型区电极三13的半径大于p型氮化物平台三15的半径。
直波导一17、直波导二2、直波导三12、直波导四22和Y分支波导的线宽均相同，以上直波导均为n型氮化镓直波导，线宽均为10
Figure 599220DEST_PATH_IMAGE002
。
n型区电极一3、n型区电极二18和n型区电极三13的表面沉积有Au/Ni金属；p型区电极一5、p型区电极二21和p型区电极三16的表面沉积有Au/Ni金属；直波导二2、直波导三12和直波导四22的表面沉积有Au/Ni金属；n型氮化物平台一1、n型氮化物平台二11和n型氮化物平台三23的表面沉积有Au/Ni金属。
谐振腔10包括三根悬臂梁和固定在悬臂梁上的圆环，谐振腔的圆环环带线宽为10
Figure 483999DEST_PATH_IMAGE002
，谐振腔的外环半径为100
Figure 751032DEST_PATH_IMAGE002
；
三根悬臂梁的一端与圆环的圆心重合，每两根所述悬臂梁之间的夹角为
Figure 12249DEST_PATH_IMAGE001
，三根悬臂梁的一端与圆环的内环相交，每两根悬臂梁与内环的交点构成的圆弧长度为1⁄3内环周长。
如图6所示，一种光子陀螺芯片的制备方法，光子陀螺芯片包括p型氮化物层、氮化物量子阱层、n型氮化物层、p型区电极、n型区电极和硅柱；
p型氮化物层包括p型氮化物平台一6、p型氮化物平台二20和p型氮化物平台三15；
n型氮化物层包括n型氮化物平台一1、直波导二2； Y分支波导7、n型氮化物平台四8、n型氮化物平台五9；谐振腔10、n型氮化物平台二11、直波导三12、直波导一17、直波导四22、n型氮化物平台三23、n型氮化物平台六34；
p型区电极包括p型区电极一5、p型区电极二21和p型区电极三16；
n型区电极包括n型区电极一3、n型区电极二18和n型区电极三13；
氮化物量子阱层包括氮化物量子阱一25、氮化物量子阱二24和氮化物量子阱三32。
硅柱包括硅柱一26、硅柱二27、硅柱三30、硅柱四31、硅柱五28、硅柱六29和硅柱七33。
1）将购买的商用硅衬底氮化镓晶片，经丙酮、无水乙醇和去离子水依次超声清洗后，用氮气吹干，使用匀胶机在晶片正面以4000转/分钟的转速旋涂光刻胶AZ4620，旋涂时间为40秒（光刻胶厚度为6微米）；使用光学光刻技术，在光刻胶层上定义p型氮化物层的表面结构，光刻机型号为MA6，其几何图形如图1所示；
2）采用反应离子刻蚀技术向下刻蚀，直至n型氮化物层的上表面，从而将步骤1）中定义的结构转移至硅基氮化物晶片的p型氮化物层，使用RIE刻蚀机，刻蚀深度为1.8
Figure 743445DEST_PATH_IMAGE002
，Cl2流量为10sccm，BCl3流量为25sccm，上电极功率（forward）300w，下电极功率（RF）100w，最后用丙酮溶液去除残余的光刻胶；
3）使用匀胶机在晶片正面以4000转/分钟的转速旋涂光刻胶AZ4620，旋涂时间为40秒（光刻胶厚度为6微米）；采用光学光刻技术，在光刻胶层定义出如图2所示的几何图形；
4）采用III-V族材料电感耦合等离子体刻蚀技术，将步骤3）定义出的图形结构转移至硅基氮化镓晶片的p型氮化镓层、量子阱层和n型氮化镓层中，使硅衬底上侧面暴露出来，使用ICP180刻蚀机，刻蚀深度4
Figure 736809DEST_PATH_IMAGE002
，Cl2流量为10sccm，BCl3流量为25sccm，上电极功率（forward）300w，下电极功率（RF）100w，最后用丙酮溶液去除残余的光刻胶；
5）使用匀胶机在晶片正面以4000转/分钟的转速旋涂光刻胶AZ4620，旋涂时间为40秒（光刻胶厚度为6微米）；采用光学光刻技术，定义出p型区电极和n型区电极的区域。采用电子束蒸镀技术，在晶片正面蒸镀Au/Ni，然后在有机溶剂中去除残余光刻胶，获得p型区电极和n型区电极，具体做法为：电子束蒸发设备的型号为Ei-5z，蒸镀的Ni厚度为15nm，Au厚度为20nm；将晶片放入有机溶剂中完成剥离工艺，去除非电极区域的光刻胶及其表面的金属薄膜，获得p型区电极和n型区电极；
6）采用各向同性湿法刻蚀技术，对经步骤5）处理后的硅基氮化物晶片的硅衬底进行湿法刻蚀，从而获得用于支撑集成光子陀螺的硅柱，湿法刻蚀溶液为（HF：HNO3=3:1）HNF溶液，刻蚀时间为40s；
7）采用引线技术，分别将经步骤6）处理后的硅基氮化物晶片上的p型区电极和n型区电极表面引线至基板铜导体，获得封装的硅衬底氮化镓集成光子陀螺芯片。
为了进一步实现更高密度集成光学陀螺的性能指标，引入光学微腔作为谐振腔以及集成材料的选择至关重要，由于光学微腔的优良的频率选择特性和较低的传输损耗。通过在硅衬底氮化物外延片上制备激光器、波导、谐振腔和光电探测器，其中激光器和光电探测器的环带状n型区电极用波导引到了沉积有金属的圆形氮化物平台上，Y分支波导旁连接两个圆形氮化物平台，谐振腔采用圆环内接三根三叉星悬臂梁的几何形状，最后通过湿法刻蚀形成由硅柱支撑的悬空光子陀螺系统，实现光子陀螺的光电集成。
该集成光子陀螺具有以下三个优势：第一，本发明中的激光器、波导、谐振腔和光电探测器都是在硅衬底氮化物外延片上制备的，没有引入外部器件，具有极高的集成度。第二，本发明中采用圆环内接三根三叉星悬臂梁的谐振腔结构，与目前的光学陀螺中采用的光纤谐振腔相比，具有极小的尺寸；第三，本发明中对整个光子陀螺系统进行了悬空，使得光子陀螺系统中光可以在波导中水平传输，减少了垂直方向上的光学损耗。
应理解上述实施例仅用于说明本发明技术方案的具体实施方式，而不用于限制本发明的范围。在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改和替换均落于本申请权利要求所限定的保护范围。

Claims (7)

1.一种光子陀螺芯片，其特征在于：包括激光器、Y分支波导（7）、谐振腔（10）、直波导一（17）、探测器一和探测器二；
所述Y分支波导（7）的一端连接激光器，另一端连接谐振腔（10）；
所述谐振腔（10）上连接有直波导一（17）；
所述直波导一（17）的一端连接探测器一、另一端连接探测器二；
所述谐振腔（10）包括三根悬臂梁和外接于悬臂梁的圆环；
所述三根悬臂梁的一端与圆环的圆心重合，每两根所述悬臂梁一端之间的夹角为120o。
2.根据权利要求1所述的一种光子陀螺芯片，其特征在于：
所述激光器通过直波导二（2）连接有n型氮化物平台一（1）；
所述探测器一通过直波导三（12）连接有n型氮化物平台二（11）；
所述探测器二通过直波导四（22）连接有n型氮化物平台三（23）；
所述Y分支波导（7）的一侧连接有n型氮化物平台四（8），另一侧连接有n型氮化物平台五（9）。
3.根据权利要求2所述的一种光子陀螺芯片，其特征在于：
所述n型氮化物平台一（1）通过硅柱一（26）支撑；
所述激光器通过硅柱二（27）支撑；
所述谐振腔（10）通过硅柱三（30）支撑；
所述n型氮化物平台四（8）通过硅柱四（31）支撑；
所述n型氮化物平台五（9）通过硅柱五（28）支撑
所述探测器一通过硅柱六（29）支撑；
所述探测器二通过硅柱七（33）支撑。
4.根据权利要求2所述的一种光子陀螺芯片，其特征在于：所述激光器包括n型氮化物平台六（34）、氮化物量子阱一（25）、p型氮化物平台一（6）、p型区电极一（5）和n型区电极一（3）；
所述n型氮化物平台六（34）、氮化物量子阱一（25）、p型氮化物平台一（6）、p型区电极一（5）自下而上依次设置；
所述n型区电极一（3）沉积于氮化物量子阱一（25）四周的n型氮化物平台六（34）的上表面；
所述探测器一包括n型氮化物平台六（34）、氮化物量子阱二（24）、p型氮化物平台二（20）、p型区电极二（21）和n型区电极二（18）；
所述n型氮化物平台六（34）、氮化物量子阱二（24）、p型氮化物平台二（20）、p型区电极二（21）自下而上依次设置；
所述n型区电极二（18）沉积于氮化物量子阱二（24）四周的n型氮化物平台六（34）的上表面；
所述探测器二包括n型氮化物平台六（34）、氮化物量子阱三（32）、p型氮化物平台三（15）、p型区电极三（16）和n型区电极三（13）；
所述n型氮化物平台六（34）、氮化物量子阱三（32）、p型氮化物平台三（15）、p型区电极三（16）自下而上依次设置；
所述n型区电极三（13）沉积于氮化物量子阱三（32）四周的n型氮化物平台六（34）的上表面。
5.根据权利要求4所述的一种光子陀螺芯片，其特征在于：所述p型区电极一（5）、p型区电极二（21）和p型区电极三（16）的几何形状为圆形；
所述p型区电极一（5）的半径小于p型氮化物平台一（6）的半径；
所述p型区电极二（21）的半径小于p型氮化物平台二（20）的半径；
所述p型区电极三（16）的其半径小于p型氮化物平台三（15）的半径；
所述n型区电极一（3）、n型区电极二（18）和n型区电极三（13）的几何形状为环带形；
所述n型区电极一（3）的半径大于p型氮化物平台一（6）的半径；
所述n型区电极二（18）的半径大于p型氮化物平台二（20）的半径；
所述n型区电极三（13）的半径大于p型氮化物平台三（15）的半径。
6.根据权利要求2所述的一种光子陀螺芯片，其特征在于：所述直波导一（17）、直波导二（2）、直波导三（12）、直波导四（22）和Y分支波导（7）的线宽均相同。
7.根据权利要求4所述的一种光子陀螺芯片，其特征在于：所述n型区电极一（3）、n型区电极二（18）和n型区电极三（13）的表面沉积有Au/Ni金属；
所述p型区电极一（5）、p型区电极二（21）和p型区电极三（16）的表面沉积有Au/Ni金属；
所述直波导二（2）、直波导三（12）和直波导四（22）的表面沉积有Au/Ni金属；
所述n型氮化物平台一（1）、n型氮化物平台二（11）和n型氮化物平台三（23）的表面沉积有Au/Ni金属。
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