CN110518031A - 同质集成光源、探测器和有源波导的通信芯片及制备方法 - Google Patents
同质集成光源、探测器和有源波导的通信芯片及制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种同质集成光源、探测器和有源波导的通信芯片及制备方法，通信芯片基于硅衬底氮化镓晶圆制备，所述硅衬底氮化镓晶圆从上至下依次包括p‑GaN层、InGaN多量子阱层、InGaN波导层、AlGaN包覆层、n‑GaN层、缓冲层和硅衬底层，缓冲层上设置光源、探测器和有源波导，所述光源、探测器和有源波导均包括p‑n结、绝缘隔离层、p型电极和n型电极，各p‑n结通过对所述硅衬底氮化镓晶圆刻蚀而成。本发明能够解决异质集成通信芯片器件制备工艺复杂，不能晶圆级集成等问题，简化了制备工艺，传输损耗小，可应用于光通信和光传感领域，能够实现更长距离的片上光信号传输。
Description
技术领域
本发明涉及信息材料与器件领域，尤其涉及一种同质集成光源、探测器和有源波导的通信芯片及制备方法。
背景技术
氮化镓材料的应用研究是目前全球半导体研究的前沿和热点，是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料，被誉为继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。氮化镓材料直接带隙宽、原子键强、热导率高、化学稳定性好、抗辐照能力强，且具备光出射、光传输及光探测三重功能，在高速、高功率的光电元器件方面有着极为广阔的应用前景，为同质集成通信芯片的研制提供了物理基础。
目前异质集成光源、探测器和波导的通信芯片，光源、探测器和波导分别使用不同材料制备后再进行集成，制备工艺复杂，生产效率低。常用的SiO2绝缘隔离层无法在可见光波长范围内提供有效的光反射；普通的硅衬底氮化镓晶圆中不包含波导层和包覆层，所以量子阱出射的光子有很大一部分会被硅衬底吸收，因此需要增加剥离硅衬底等工艺步骤来解决硅衬底的光吸收等问题。此外，目前的通信芯片使用的都是无源波导，即不能发光的波导，无法提供光能量增益。
由于缺少氮化镓材料的体单晶，所以氮化镓主要在异质衬底上进行生长，目前应用最广泛的商业化衬底主要有两种，分别是蓝宝石衬底和碳化硅衬底。随着AlN/AlGaN等缓冲层技术的进步，硅衬底氮化镓晶圆的发展也愈发成熟。相比蓝宝石衬底和碳化硅衬底，硅衬底价格低廉、导热性和导电性优良，且有着成熟的器件加工工艺。目前，高质量的硅衬底氮化镓晶圆日益成熟，并开始逐步走向市场。
发明内容
技术目的：本发明所要解决的技术问题在于，提供一种同质集成光源、探测器和有源波导的通信芯片及制备方法，能够解决异质集成通信芯片器件制备工艺复杂，不能晶圆级集成问题，本发明采用有源波导在传输光信号时能够提供稳定的光能量增益，能够解决传统氮化镓无源波导传输损耗大、传输距离不够长的问题；电介质布拉格反射镜作为绝缘隔离层，能够解决传统SiO2绝缘隔离层无法提供有效光反射，不利于将出射光子限制在器件内部的问题。
技术方案：为实现上述技术目的，本发用了如下技术方案：
一种同质集成光源、探测器和有源波导的通信芯片，其特征在于：所述通信芯片基于硅衬底氮化镓晶圆制备，所述硅衬底氮化镓晶圆从上至下依次包括p-GaN层、InGaN多量子阱层、InGaN波导层、AlGaN包覆层、n-GaN层、缓冲层和硅衬底层，所述缓冲层上设置光源、探测器和有源波导，所述光源、探测器和有源波导均包括p-n结、绝缘隔离层、p型电极和n型电极，各p-n结通过对所述硅衬底氮化镓晶圆刻蚀而成。
优选地，所述有源波导为弧形，有源波导的两个端面分别对准光源和探测器，有源波导和光源、探测器之间分别刻蚀有长度为微米级别的空气槽。
优选地，所述p-n结包括n-GaN层，设置在所述n-GaN层上的AlGaN包覆层、设置在所述AlGaN包覆层上的InGaN波导层、设置在所述InGaN波导层上的InGaN多量子阱层、设置在所述InGaN多量子阱层上的p-GaN层。
优选地，所述绝缘隔离层为3至5对SiO2/TiO2组成的电介质布拉格反射镜，绝缘隔离层的反射谱中心波长和InGaN多量子阱层电致发光光谱的主峰波长相同，绝缘隔离层的反射谱宽度覆盖InGaN多量子阱层电致发光光谱宽度。
优选地，所述硅衬底氮化镓晶圆上表面刻蚀有阶梯状台阶，阶梯状台阶包括上台面和下台面，上台面为p-GaN层的上表面，下台面为刻蚀后暴露的n-GaN层上表面；所述n型电极设置在下台面上，绝缘隔离层设置在上台面上且绝缘隔离层的四周边沿延伸至下台面上预设宽度，绝缘隔离层向下包覆刻蚀后暴露的p-n结的各层端面；所述p型电极包括接触区和键合区，接触区设置在阶梯状台阶的上台面上，键合区设置在绝缘隔离层上表面且和接触区相互连接。
本发明还公开了一种前述同质集成光源、探测器和有源波导的通信芯片的制备方法，其特征在于，顺序执行以下步骤：
步骤一、在所述硅衬底氮化镓晶圆的p-GaN层上表面均匀旋涂一层光刻胶，在光刻胶层上定义出阶梯状台阶上台面区域并进行刻蚀，随后剥离残余光刻胶，获得阶梯状台阶，阶梯状台阶的下台面为蚀刻后暴露的n-GaN层的上表面；
步骤二、在硅衬底氮化镓晶圆上表面的上台面均匀旋涂一层光刻胶，在光刻胶层上定义p型电极的接触区区域，在接触区域蒸镀Ni/Au，剥离残余光刻胶后获得p型电极的接触区；
步骤三、在硅衬底氮化镓晶圆上表面旋涂一层光刻胶，在光刻胶层上定义绝缘隔离层(8)窗口区域，在硅衬底氮化镓晶圆上表面沉积电介质布拉格反射镜，剥离残余光刻胶后获得绝缘隔离层；
步骤四、在硅衬底氮化镓晶圆上表面均匀旋涂一层光刻胶，在光刻胶层上定义p型电极键合区窗口区域和n型电极窗口区域并分别在区域内蒸镀Pt/Au，剥离残余光刻胶、退火后获得p型电极和n型电极。
优选地，所述步骤一中在光刻胶层上定义刻蚀区域的方法使用电感耦合等离子反应离子刻蚀技术。
优选地，所述步骤二中使用磁控溅射技术蒸镀Ni/Au，Ni/Au厚度分别为60nm/260nm。
优选地，所述步骤三中使用电子束蒸发技术在硅衬底氮化镓晶圆上表面沉积电介质布拉格反射镜，沉积使用的材料为SiO2/TiO2，沉积的SiO2/TiO2为3-5对，沉积温度为130℃；
优选地，所述步骤四中使用磁控溅射技术蒸镀Pt/Au，Pt/Au厚度分别为60nm/200nm，退火氛围为压缩氮气，温度控制在590±5℃。
有益效果：本发明所述一种同质集成光源、探测器和有源波导的通信芯片及制备方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明提出的同质集成光源、探测器和有源波导的通信芯片，光源、探测器和有源波导基于硅衬底氮化镓晶圆采用相同工艺步骤制备完成，相比异质集成光源、探测器和波导的通信芯片，简化了制备工艺，降低了制备难度，提升了制备成功率，实现了晶圆级集成；
2、本发明采用的硅衬底氮化镓晶圆在量子阱层下方生长有波导层和包覆层，能够有效避免硅衬底对出射光的吸收，而采用普通硅衬底氮化镓晶圆制备的器件需要剥离硅衬底来解决硅衬底的吸光问题；相比之下，本发明提出的通信芯片简化了制备工艺，无须硅衬底剥离，保证了硅衬底的完整性，提升了器件的健壮性；
3、本发明采用有源波导进行光信号传输，光源发射的光信号通过自由空间耦合进行有源波导，在有源波导中增强并沿波导传输，最后通过自由空间被探测器捕获，相比无源波导，有源波导在传输光信号时，本身能够发光，提供稳定的光能量增益，相比氮化镓无源波导，有源波导的传输损耗小、实现同质集成的片上高速光通信，可应用于光通信和光传感领域，能够实现更长距离的光信号传输。
4、本发明采用电介质布拉格反射镜作为绝缘隔离层，相比SiO2绝缘隔离层，电介质布拉格反射镜绝缘隔离层在缩小器件有源区有效尺寸、降低器件电容及通信芯片RC常数，提高系统响应速度的同时，还能更有效地将出射光子限制在器件内部，提升通信芯片的光信号耦合效率，能够解决传统SiO2绝缘隔离层无法提供有效光反射，不利于将出射光子限制在器件内部的问题；
5、本发明采用硅衬底氮化镓晶圆实现，和蓝宝石衬底及碳化硅衬底相比，硅衬底更易于获得大尺寸外延，有利于制备更大规模集成度的通信芯片；而且硅衬底氮化镓晶圆相比传统的蓝宝石衬底氮化镓晶圆和SiC衬底氮化镓晶圆具有极大的成本优势，易于加工，更加有利于大规模量产。
附图说明
图1为本发明一种同质集成光源、探测器和有源波导的通信芯片中光源和探测器的主视图；
图2为本发明的一种同质集成光源、探测器和有源波导的通信芯片中有源波导的主视图；
图3为本发明的一种同质集成光源、探测器和有源波导的通信芯片的俯视图；
图4为本发明的一种同质集成光源、探测器和有源波导的通信芯片及其制备方法流程示意图；
其中，1、硅衬底层，2、缓冲层，3、n-GaN层，4、AlGaN包覆层，5、InGaN波导层，6、InGaN多量子阱层，7、p-GaN层，8绝缘隔离层，9、p型电极，10、n型电极，A、光源，B、有源波导，C、探测器。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。
实施例:
如图1、图2、图3和图4所示，一种同质集成光源、探测器和有源波导的通信芯片基于硅衬底氮化镓晶圆制备，所述硅衬底氮化镓晶圆从上至下依次包括p-GaN层7、InGaN多量子阱层6、InGaN波导层5、AlGaN包覆层4、n-GaN层3、缓冲层2和硅衬底层1。所述同质集成光源、探测器和有源波导的通信芯片基于硅衬底氮化镓晶圆制备，包括设置在所述缓冲层2上的光源A、探测器C和有源波导B。
如图3所示，本实施例中，有源波导B为弧形，包括p型电极9和n型电极10，加载适当正向偏压或注入电流可以产生光子，产生的光子能够和光源发出的光信号进行叠加，起到提供光能量增益的效果。有源波导B的两个端面分别对准光源A和探测器C，所述光源和所述有源波导之间，所述有源波导和所述探测器之间，分别刻蚀有长度为微米级别的空气槽，所述空气槽的深度等于阶梯状台阶的高度。
如图1、图2所示，光源A、探测器C和有源波导B均包括p-n结、绝缘隔离层8、p型电极9和n型电极10，p-n结包括n-GaN层3，设置在所述n-GaN层3上的AlGaN包覆层4、设置在所述AlGaN包覆层4上的InGaN波导层5、设置在所述InGaN波导层5上的InGaN多量子阱层6、设置在所述InGaN多量子阱层6上的p-GaN层7。优选绝缘隔离层8为3至5对SiO2/TiO2组成的电介质布拉格反射镜，每对SiO2/TiO2包括一层SiO2和一层TiO2，SiO2层和TiO2层的厚度均对应四分之一的电介质布拉格反射镜目标波长，所述绝缘隔离层8的反射谱中心波长和InGaN多量子阱层6电致发光光谱的主峰波长相同，所述绝缘隔离层8的反射谱宽度覆盖InGaN多量子阱层6电致发光光谱宽度。
如图1、图2所示，硅衬底氮化镓晶圆上表面刻蚀有阶梯状台阶，阶梯状台阶包括上台面和下台面，所述上台面为p-GaN层7上表面，下台面为刻蚀后暴露的n-GaN层3上表面；所述n型电极10设置在阶梯状台阶的下台面上，所述绝缘隔离层8部分设置在阶梯状台阶的上台面上、部分设置在阶梯状台阶的下台面上，所述p型电极9包括接触区和键合区，所述接触区设置在阶梯状台阶的上台面上，所述键合区设置在绝缘隔离层8上表面、和接触区相互连接。
一种同质集成光源、探测器和有源波导的通信芯片中，所述p型电极9接触区沉积使用的金属材料为Ni/Au合金，所述p型电极9键合区和n型电极10沉积使用的金属材料均为Pt/Au合金。
如图4所示，本发明的一种同质集成光源、探测器和有源波导的通信芯片的制备方法，顺序执行以下步骤：
第一步：在硅衬底氮化镓晶圆的p-GaN层7上表面均匀旋涂一层光刻胶，使用曝光技术在光刻胶层上定义出阶梯状台阶上台面区域，使用电感耦合等离子体反应离子刻蚀技术进行刻蚀，随后剥离残余光刻胶，获得阶梯状台阶，阶梯状台阶的下台面为蚀刻后暴露的n-GaN层3的上表面；
第二步：在硅衬底氮化镓晶圆上表面的上台面均匀旋涂一层光刻胶，结合光刻对准及曝光技术在光刻胶层上定义p型电极9接触区窗口区域，使用磁控溅射技术蒸镀Ni/Au，剥离残余光刻胶后获得p型电极9接触区；
第三步：在硅衬底氮化镓晶圆上表面旋涂一层光刻胶，使用光刻对准及曝光技术在光刻胶层上定义绝缘隔离层8窗口区域，使用电子束蒸发技术在硅衬底氮化镓晶圆上表面沉积电介质布拉格反射镜，剥离残余光刻胶后获得绝缘隔离层8；
第四步：在硅衬底氮化镓晶圆上表面均匀旋涂一层光刻胶，结合光刻对准及曝光技术在光刻胶层上定义p型电极9键合区窗口区域和n型电极10窗口区域，使用磁控溅射技术蒸镀Pt/Au，剥离残余光刻胶、退火后获得p型电极9和n型电极10；
上述四个步骤能够实现光源、探测器和有源波导一次性制备完成，因为三者的层次结构完全相同，上述各步骤在定义光刻胶层的时候，同时定义出光源、探测器和有源波导位置的对应区域即可，极大地简化了制备工艺。光刻胶也可以用其它光致抗蚀材料代替。
本发明制备方法中，所述第二步中使用磁控溅射技术蒸镀Ni/Au，Ni/Au厚度分别为60nm/260nm。
本发明制备方法中，所述第三步中使用电子束蒸发技术在硅衬底氮化镓晶圆上表面沉积电介质布拉格反射镜，沉积使用的材料为SiO2/TiO2，沉积的SiO2/TiO2为3-5对，沉积温度为130℃；
本发明制备方法中，所述第四步中使用磁控溅射技术蒸镀Pt/Au，Pt/Au厚度分别为60nm/200nm，退火氛围为压缩氮气，温度控制在590±5℃。
Claims (10)
1.一种同质集成光源、探测器和有源波导的通信芯片，其特征在于：所述通信芯片基于硅衬底氮化镓晶圆制备，所述硅衬底氮化镓晶圆从上至下依次包括p-GaN层(7)、InGaN多量子阱层(6)、InGaN波导层(5)、AlGaN包覆层(4)、n-GaN层(3)、缓冲层(2)和硅衬底层(1)，所述缓冲层(2)上设置光源(A)、探测器(C)和有源波导(B)，所述光源(A)、探测器(C)和有源波导(B)均包括p-n结、绝缘隔离层(8)、p型电极(9)和n型电极(10)，各p-n结通过对所述硅衬底氮化镓晶圆刻蚀而成。
2.根据权利要求1所述的同质集成光源、探测器和有源波导的通信芯片，其特征在于：所述有源波导(B)为弧形，有源波导(B)的两个端面分别对准光源(A)和探测器(C)，有源波导(B)和光源(A)、探测器(C)之间分别刻蚀有长度为微米级别的空气槽。
3.根据权利要求1所述的同质集成光源、探测器和有源波导的通信芯片，其特征在于：所述p-n结包括n-GaN层(3)，设置在所述n-GaN层(3)上的AlGaN包覆层(4)、设置在所述AlGaN包覆层(4)上的InGaN波导层(5)、设置在所述InGaN波导层(5)上的InGaN多量子阱层(6)、设置在所述InGaN多量子阱层(6)上的p-GaN层(7)。
4.根据权利要求1所述的同质集成光源、探测器和有源波导的通信芯片，其特征在于：所述绝缘隔离层(8)为3至5对SiO2/TiO2组成的电介质布拉格反射镜，绝缘隔离层(8)的反射谱中心波长和InGaN多量子阱层(6)电致发光光谱的主峰波长相同，绝缘隔离层(8)的反射谱宽度覆盖InGaN多量子阱层(6)电致发光光谱宽度。
5.根据权利要求1所述的同质集成光源、探测器和有源波导的通信芯片，其特征在于：所述硅衬底氮化镓晶圆上表面刻蚀有阶梯状台阶，阶梯状台阶包括上台面和下台面，上台面为p-GaN层(7)的上表面，下台面为刻蚀后暴露的n-GaN层(3)上表面；所述n型电极(10)设置在下台面上，绝缘隔离层(8)设置在上台面上且绝缘隔离层(8)的四周边沿延伸至下台面上预设宽度，绝缘隔离层(8)向下包覆刻蚀后暴露的p-n结的各层端面；所述p型电极(9)包括接触区和键合区，接触区设置在阶梯状台阶的上台面上，键合区设置在绝缘隔离层(8)上表面且和接触区相互连接。
6.一种权利要求1-5任一所述的同质集成光源、探测器和有源波导的通信芯片的制备方法，其特征在于，顺序执行以下步骤：
步骤一、在所述硅衬底氮化镓晶圆的p-GaN层(7)上表面均匀旋涂一层光刻胶，在光刻胶层上定义出阶梯状台阶上台面区域并进行刻蚀，随后剥离残余光刻胶，获得阶梯状台阶，阶梯状台阶的下台面为蚀刻后暴露的n-GaN层(3)的上表面；
步骤二、在硅衬底氮化镓晶圆上表面均匀旋涂一层光刻胶，在光刻胶层上定义p型电极(9)的接触区窗口区域，蒸镀Ni/Au，剥离残余光刻胶后获得p型电极(9)的接触区；
步骤三、在硅衬底氮化镓晶圆上表面的上台面旋涂一层光刻胶，在光刻胶层上定义绝缘隔离层(8)窗口区域，在硅衬底氮化镓晶圆上表面沉积电介质布拉格反射镜，剥离残余光刻胶后获得绝缘隔离层(8)；
步骤四、在硅衬底氮化镓晶圆上表面均匀旋涂一层光刻胶，在光刻胶层上定义p型电极(9)键合区窗口区域和n型电极(10)窗口区域蒸镀Pt/Au，剥离残余光刻胶、退火后获得p型电极(9)和n型电极(10)。
7.根据权利要求6所述的同质集成光源、探测器和有源波导的通信芯片的制备方法，其特征在于：所述步骤一中在光刻胶层上定义刻蚀区域的方法使用电感耦合等离子反应离子刻蚀技术。
8.根据权利要求6所述的同质集成光源、探测器和有源波导的通信芯片的制备方法，其特征在于：所述步骤二中使用磁控溅射技术蒸镀Ni/Au，Ni/Au厚度分别为60nm/260nm。
9.根据权利要求6所述的同质集成光源、探测器和有源波导的通信芯片的制备方法，其特征在于：所述步骤三中使用电子束蒸发技术在硅衬底氮化镓晶圆上表面沉积电介质布拉格反射镜，沉积使用的材料为SiO2/TiO2，沉积的SiO2/TiO2为3-5对，沉积温度为130℃。
10.根据权利要求6所述的同质集成光源、探测器和有源波导的通信芯片的制备方法，其特征在于：所述步骤四中使用磁控溅射技术蒸镀Pt/Au，Pt/Au厚度分别为60nm/200nm，退火氛围为压缩氮气，温度控制在590±5℃。
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