CN110114942B - 光子集成电路的电隔离 - Google Patents

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Abstract

一种在用于光子集成器件的波导结构中的子部分之间提供电隔离的方法，该结构包括衬底、缓冲层和核心层，所述缓冲层位于衬底和核心层之间并且包括第一类型的掺杂剂，所述第一类型是n型或p型，该方法包括在将任何层添加到与缓冲层相对的核心层的一侧之前的步骤：选择至少一个区域作为电隔离区域，将电介质掩模应用于与缓冲层相对的核心层表面，所述掩模中的窗口暴露对应于所选电隔离区域的表面区域，实现第二类型的掺杂剂的扩散，所述第二类型具有与第一类型相反的极性，并且允许第二类型的掺杂剂渗透到衬底以形成阻挡结。

Description

光子集成电路的电隔离
技术领域
本公开涉及光子集成电路中的组件的电隔离。
背景技术
光子集成电路(PIC)或集成光学电路是集成多个光子功能的器件，例如半导体光放大器、激光器部分、调制器等。图1是典型器件的横截面图，其包括两个半导体光放大器(SOA)101、相位调制器102和互补抽头检测器(CTAP)103，带有阴极104。这些器件通过核心层105光学连接，核心层105位于过度生长层106和缓冲层107之间，后者由半绝缘衬底108支撑。
这种结构中的挑战是在半绝缘(SI)衬底上提供PIC的各个元件的有效电隔离。目的是减少电串扰，最小化由不同偏置电平引起的静态电流和/或允许元件的串联连接。
用于产生电隔离区域的技术包括掺入掺杂剂杂质以通过熔体生长、外延生长(包括选择性蚀刻或选择性区域生长)、扩散、注入和量子阱混合(QWI)来产生电隔离区域。通过这种技术，可以产生与半导体晶片的平面平行的绝缘层或层区域。此外，这些技术可用于产生垂直于晶片平面的屏障或部分屏障，并且已知组合使用层和屏障特征。
以前，通过层和屏障特征的简单组合已经实现了隔离，其中深注入区域可以与半绝缘(SI)衬底结合使用，以在子器件之间产生完全的电隔离，如图2所示的布置。在这样的布置中，三个子器件201、202和203形成在上包层204和下包层205内，上包层204和下包层205施加到衬底206，其间具有有源层207。三个子器件具有单独的下电极208、209和210以及上电极211、212和213，并且三个子器件通过离子注入形成的深垂直隔离区214和215彼此完全电隔离，并延伸到半绝缘衬底206。
问题是这些元件通过半导体光波导连接，因此通过深蚀刻到衬底中而实现的隔离会引起不可接受的光学损耗和背反射。在这里描述的方案中，深蚀刻用于电隔离未通过波导连接的元件。
注入也不是实用的选择，因为为了避免退火的影响，这必须在最终的外延生长阶段之后进行，因此需要非常深(～5μm)的注入。穿透到该深度所需的离子能量将非常昂贵，在场外进行并且与当前的掩蔽技术不兼容。
发明内容
根据第一方面，提供了一种在用于光子集成器件的波导结构中的子部分之间提供电隔离的方法。该结构包括衬底、缓冲层和核心层，缓冲层位于衬底和核心层之间并且包括第一类型的掺杂剂，掺杂剂为n型或p型。该方法包括，在将任何层添加到与缓冲层相对的核心层的一侧之前，将第二类型的掺杂剂扩散到结构中，第二类型与第一类型的极性相反，并且允许第二类型的掺杂剂渗透到衬底上以形成阻挡结。
将掺杂剂扩散到结构中的步骤可包括选择至少一个区域作为电隔离区域，将电介质掩模施加到与缓冲层相对的核心层表面，掩模中的窗口暴露对应于所选电隔离区域的表面区域。
该方法还可以包括通过蚀刻和再生长核心层的至少一部分来从核心层去除掺杂剂。
在一个实施方式中，该方法还包括在核心层的顶部添加具有第二类型的掺杂剂的过度生长层的步骤。
在一个实施方式中，该方法还包括通过氦注入在对应于电隔离区域的过度生长层中产生隔离区域的步骤。
在一个实施方式中，第一类型的掺杂剂是n型掺杂剂，第二类型的掺杂剂是p型掺杂剂。
在一个实施方式中，第二类型的掺杂剂是锌。
在一个实施方式中，第二类型的掺杂剂是镁。
在一个实施方式中，波导结构还包括在衬底和缓冲层之间的扩散阻挡层。
在一个实施方式中，波导结构还包括缓冲层内的扩散阻挡层。
在一个实施方式中，缓冲层包括邻近衬底的第一子层，第一子层包括扩散阻挡层，以及在第一子层和核心之间的第二子层，第二子层不具有扩散阻挡层。
在一个实施方式中，其中缓冲层包括三个子层：邻近衬底的第一子层，其不具有扩散阻挡层；邻近核心层的第二子层，其不具有扩散阻挡层；以及位于第一子层和第二子层之间的第三子层，其包括扩散阻挡层。
在一个实施方式中，其中第一子层比第二子层薄。
在一个实施方式中，扩散缓冲层包括以下之一：铝铟砷化物、铝镓铟砷化物、铟镓砷化物和铟镓砷磷化物。
根据第二方面，提供了一种用于光子集成电路的波导结构，包括衬底、包括第一类型的掺杂剂的缓冲层和核心层，其中缓冲层位于衬底和核心层之间。波导结构还包括至少一个电隔离区域，该区域包括缓冲层内的第一隔离区域并包括扩散到第一区域中的第二类型的掺杂剂，第一类型的掺杂剂和第二类型的掺杂剂的极性相反。
在一个实施方式中，波导结构还包括过度生长层，该过度生长层包括第二类型的掺杂剂，并且其中核心层位于缓冲层和过度生长层之间。
在一个实施方式中，电隔离区域还包括在过度生长层内的第二隔离区域，所述第二隔离区域包括注入到过度生长层中的氦离子。
根据第三方面，提供了一种光子集成电路，包括根据第二方面的波导结构。
在一个实施方式中，光子集成电路还包括至少部分地嵌入到波导结构中的至少两个光电器件和包括根据第二方面的波导结构的光子集成电路。
附图说明
现在将参考以下附图仅以示例的方式描述本发明的上述和其他方面：
图1是光子集成电路的横截面图；
图2是具有隔离区域的光子集成电路的横截面图；
图3是用于光子集成电路的波导结构的横截面图；
图4是说明根据一个实施方式的在光子集成电路中提供电隔离的方法的步骤的流程图；
图5是扩散过程完成后波导结构的横截面图；
图6是说明在如图3所示的波导结构中构造电隔离区域的另外阶段的流程图；
图7是波导结构的横截面图，示出了图6所示过程的结果；
图8是说明根据一个实施方式的创建电隔离区域的进一步步骤的流程图；
图9是步骤801的结果的横截面图；
图10是步骤802的结果的横截面图，示出了已经经过氦注入的隔离区域；
图11是根据一个实施方式的波导结构的横截面图；
图12是根据一个实施方式的波导结构的横截面图；
图13是根据一个实施方式的波导结构的横截面图；
图14是根据一个实施方式的用于光子集成电路的波导结构的横截面图，示出了由扩散阻挡层限制的隔离方案；
以及
图15是典型布置的横截面图，其中可以使用本文公开的方法。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图更全面地描述实施方式，附图中示出了某些实施方式。然而，在本公开的范围内，许多不同形式的其他实施方式也是可能的。通过示例的方式提供以下实施方式，使得本公开彻底和完整，并且将向本领域技术人员充分传达本公开的范围。
本公开旨在通过使用掺杂剂扩散到包层区域中来解决上述问题，以便构造npn或pnp类型的阻挡结。相比其他技术，扩散可以在过程的前期阶段执行。构造波导结构的过程以常规方式开始，其中铺设半绝缘衬底、掺杂有n或p型掺杂剂的第一包层或缓冲层、以及波导芯。然而，在构造其他层之前执行构造电隔离区域的扩散过程。过程穿透深度大大减小，并且在后续过程阶段期间可以去除诸如波导芯之类的不希望掺杂的区域。
根据一个实施方式的构造具有电隔离的光子集成电路的步骤在图3至图5中示出。图4是示出根据实施方式的方法的步骤的流程图，图3和5是在构造的不同阶段的光子集成电路的层的横截面图。
图3是根据实施方式的在实施电隔离过程之前的波导结构的初始层的截面图。在此阶段，波导结构包括半绝缘衬底303、掺杂缓冲层302和核心层301。缓冲层具有第一类型(n型或p型)的掺杂剂。在所示的实施方式中，该第一类型是n型。在该实施方式中，用于产生电隔离区域的第二类掺杂剂是p型。然而，本领域技术人员将理解，可以在缓冲层中使用p型掺杂。如果该第一掺杂类型是p型，则第二掺杂类型的极性是n型。
图4是示出根据一个实施方式的电隔离区域的构造阶段的流程图。该过程在波导结构上实现，如图3所示。电隔离区域的构造在任何其他层放置在核心层上方之前进行。在整个公开内容中，假设衬底板是器件的基部，因此“在层上方”意味着在离衬底最远的一侧，同样“上”表面是指远离衬底的层一侧的表面。
该过程的第一步骤包括选择401作为电隔离区域的结构区域。接着是将具有与缓冲层极性相反的第二类型的掺杂剂扩散402到结构中。在所示的实施方式中使用锌，一种p型掺杂剂。然而，在其他实施方式中，可以使用其他p型掺杂剂，例如镁。如果缓冲层是p型，则在扩散过程中使用n型掺杂剂。
在一个实施方式中，通过将电介质掩模施加403到结构的核心层的表面来实现扩散。电介质掩模包括窗口，该窗口对应于将要构造电隔离区域的区域上方的表面区域。在所示的实施方式中，仅示出了一个电隔离区域。然而，本领域技术人员将理解，可以构造多个隔离区域，在这种情况下，电介质掩模将包括用于每个隔离区域的窗口。
继续扩散，直到第二类型的掺杂剂已经穿透到半绝缘衬底404。
图5是扩散过程完成后波导结构的横截面图。半绝缘衬底301、缓冲层302和核心层303如图3所示。该结构现在还包括区域501，在该实施方式中，区域501是锌掺杂的。该区域与其任一侧的区域一起提供npn阻挡结以提供电隔离。在另一个实施方式中，阻挡结将是pnp结。在一个实施方式中，扩散的掺杂剂穿透到半绝缘衬底并且部分地穿透半绝缘衬底。在其他实施方式中，掺杂剂渗透到衬底中。
图6是说明在如图3所示的波导结构中构造电隔离区域的另外阶段的流程图。在一个实施方式中，蚀刻核心层601。然后再生长602核心层。图7是波导结构的横截面图，示出了图6的过程的结果。已经经历掺杂剂扩散的区域501保留在缓冲层中，并且在一个实施方式中保留在半绝缘衬底中，从而提供电隔离区域701。然而，核心层301不再含有掺杂剂，提供用于光传播的本征半导体区域702。
图8是说明根据一个实施方式的创建电隔离区域的进一步步骤的流程图。将包含第二类型的掺杂剂的过度生长区域添加到核心层上方的结构中801。在一个实施方式中，通过氦注入在过度生长区域中构造电隔离区域802。图9是步骤801的结果的横截面图，示出了过度生长层901。图10是步骤802的结果的横截面图，示出了已经有过氦注入的隔离区域501。
在另一实施方式中，在缓冲层和衬底之间提供扩散阻挡层。该层的目的是充当掺杂剂扩散到衬底中的屏障。图11是在添加掺杂剂之前根据该实施方式的光子集成电路的波导结构的横截面图。在图11的实施方式中，提供了另外的扩散阻挡层1101。扩散阻挡层可以包括相对于N-缓冲层具有降低的扩散性的材料。在一个实施方式中，扩散阻挡层包括铝铟砷化物。在其他实施方式中，使用铝镓铟砷化物。在另一个实施方式中，使用铟镓砷化物。在另一个实施方式中，使用铟镓砷磷化物。然而，本领域技术人员将理解可以使用其他材料。技术人员还将理解，铟、铝、镓和砷的合金可以包含组成材料的不同部分，并且本发明不限于任何一种。在图11所示实施方式中，扩散阻挡层位于缓冲层和衬底之间。在替代实施方式中，扩散阻挡层位于缓冲层内。通常，扩散阻挡层朝向该层的底部定位，比核心层更靠近衬底。在这种布置中，扩散缓冲层通常包括位于衬底附近的第一子层，第一子层包括扩散阻挡层，以及在扩散阻挡层和核心层之间的第二子层，第二子层不包括扩散阻挡层。图12是根据该实施方式的波导结构的横截面图。示出了包括扩散阻挡层的第一子层1201和不具有扩散层阻挡层的第二层1102。在另一个实施方式中，缓冲层包括三个子层：邻近衬底的第一子层，其不具有扩散阻挡层；邻近核心层的第二子层，其不具有扩散阻挡层；以及位于第一子层和第二子层之间的第三子层，其包括扩散阻挡层。在一个实施方式中，第一子层比第二子层薄。图13是根据该实施方式的波导结构的横截面图。示出了不具有扩散阻挡层的第一子层1301和第二子层1302，以及具有扩散阻挡层的第三子层1303。
图14是在添加掺杂剂之后根据图11的实施方式的波导结构的横截面图。扩散阻挡层不是掺杂剂扩散的完全阻挡层。然而，与没有阻挡层时会发生的典型扩散区域1402相比，扩散的掺杂剂的量减少并且掺杂剂扩散到的区域1401减少。
上述实施方式示出了具有单个隔离区域的波导结构。这些隔离区域的目的是电隔离两个或更多个光电器件组件，例如相位调制器、半导体光学放大器、多段激光器的部分等。图15是典型布置的横截面图，其中可以使用上述技术。图15所示光子集成电路包括两个半导体光放大器(SOA)1501、相位调制器1502和互补抽头检测器(CTAP)1503，具有阴极1504。这些器件通过核心层1505光学连接，核心层1505位于过度生长层1506和缓冲层1507之间，后者由半绝缘衬底1108支撑。通过在缓冲层中的掺杂剂扩散产生的第一隔离区域1509和由过度生长层中的氦注入产生的第二隔离区域1510提供电隔离。本领域技术人员将理解，上述技术和结构适用于各种光子组件，并且本发明不限于任何器件或器件组合。横向子部分之间的任何电隔离都是可能的。
以上主要参考几个实施方式描述了本公开。然而，如本领域技术人员容易理解的，除了以上公开的实施方式之外的其他实施方式同样可以在由所附权利要求限定的本公开的范围内。

Claims (25)

1.一种在光子集成电路的波导结构中提供电隔离的方法，所述光子集成电路包括多个光电器件，并被配置成集成多个光子功能，所述电隔离被提供于第一光电器件和第二光电器件之间，其中所述第一光电器件和第二光电器件由所述波导结构光学连接，及其中所述波导结构包括衬底、所述衬底上的缓冲层和所述缓冲层上的核心层，该核心层光学连接到所述第一光电器件和所述第二光电器件；所述缓冲层包括第一类型的掺杂剂，所述第一类型为n型或p型，在所述核心层上方添加任何层之前，所述方法包括：
将第二类型的掺杂剂扩散到所述波导结构中，所述第二类型与所述第一类型的极性相反；
允许所述掺杂剂穿透所述缓冲层到达所述衬底以形成阻挡结；以及
在所述核心层的顶部添加具有第二类型的掺杂剂的过度生长层，
还包括通过氦注入在对应于选择的电隔离区域的所述过度生长层中产生隔离区域的步骤。
2.根据权利要求1所述的方法，其中将所述第一类型的掺杂剂扩散到所述波导结构中的步骤包括以下步骤：选择至少一个区域作为电隔离区域，并将电介质掩模施加到所述核心层的上表面，所述电介质掩模中的窗口暴露对应于所选电隔离区域的上表面区域。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括通过蚀刻和再生长所述核心层的至少一部分从所述核心层去除所述掺杂剂的步骤。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一类型的掺杂剂是n型掺杂剂，所述第二类型的掺杂剂是p型掺杂剂。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述第二类型的掺杂剂是锌。
6.根据权利要求4所述的方法，其中所述第二类型的掺杂剂是镁。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述波导结构包括在所述衬底和所述缓冲层之间的扩散阻挡层。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述波导结构包括在所述缓冲层内的扩散阻挡层。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述缓冲层包括邻近所述衬底的第一子层，所述第一子层包括扩散阻挡层，以及在所述第一子层和所述核心层之间的第二子层，所述第二子层不具有扩散阻挡层。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述缓冲层包括三个子层：邻近所述衬底的第一子层，所述第一子层不具有扩散阻挡层；邻近所述核心层的第二子层，所述第二子层不具有扩散阻挡层；以及位于所述第一子层和所述第二子层之间的第三子层，所述第三子层包括扩散阻挡层。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一子层比所述第二子层薄。
12.根据权利要求8所述的方法，其中所述扩散阻挡层包括以下之一：铝铟砷化物、铝镓铟砷化物、铟镓砷化物和铟镓砷磷化物。
13.一种用于在光子集成电路中光学连接第一光电器件和第二光电器件的波导结构，所述光子集成电路包括多个光电器件，并被配置为集成多个光子功能，以及所述波导结构包括：衬底(303)；包括第一类型的掺杂剂的缓冲层(302)和核心层(301)，该核心层光学连接到所述第一光电器件和所述第二光电器件；其中所述缓冲层位于所述衬底和所述核心层之间，所述波导结构还包括至少一个电隔离区域(501)，所述至少一个电隔离区域包括在所述缓冲层内的第一隔离区域并且包括扩散到所述第一隔离区域中的第二类型的掺杂剂，所述第一类型的掺杂剂和所述第二类型的掺杂剂具有相反的极性；并且所述波导结构还包括所述核心层上方的过度生长层(901)，所述过度生长层包括所述第二类型的掺杂剂，
其中选择的电隔离区域还包括在所述过度生长层内的第二隔离区域，所述第二隔离区域包括注入到所述过度生长层中的氦离子。
14.根据权利要求13所述的波导结构，其中所述核心层包括本征半导体。
15.根据权利要求13所述的波导结构，其中所述第一类型的掺杂剂是n型掺杂剂，所述第二类型的掺杂剂是p型掺杂剂。
16.根据权利要求15所述的波导结构，其中所述第二类型的掺杂剂是锌。
17.根据权利要求15所述的波导结构，其中所述第二类型的掺杂剂是镁。
18.根据权利要求13至16中任一项所述的波导结构，其中所述结构还包括位于所述衬底和所述缓冲层之间的扩散阻挡层。
19.根据权利要求13所述的波导结构，包括在所述缓冲层内的扩散阻挡层。
20.根据权利要求13所述的波导结构，其中所述缓冲层包括邻近所述衬底的第一子层，所述第一子层包括扩散阻挡层，以及在所述第一子层和所述核心层之间的第二子层，所述第二子层不具有扩散阻挡层。
21.根据权利要求13所述的波导结构，其中所述缓冲层包括三个子层：邻近所述衬底的第一子层，所述第一子层不具有扩散阻挡层；邻近所述核心层的第二子层，所述第二子层不具有扩散阻挡层；以及位于所述第一子层和所述第二子层之间的第三子层，所述第三子层包括扩散阻挡层。
22.根据权利要求21所述的波导结构，其中所述第一子层比所述第二子层薄。
23.根据权利要求18所述的波导结构，其中所述扩散阻挡层包括以下之一：铝铟砷化物、铝镓铟砷化物、铟镓砷化物和铟镓砷磷化物。
24.一种光子集成电路，包括根据权利要求13至23中任一项所述的波导结构。
25.根据权利要求24所述的光子集成电路，还包括至少两个光电器件，所述光电器件至少部分地嵌入到所述波导结构中并且通过所述核心层彼此光学连接，其中每个光电器件与至少另一个光电器件电隔离。
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