CN110716260A - 同质集成激光器、反射镜和探测器的通信芯片及制备方法 - Google Patents

同质集成激光器、反射镜和探测器的通信芯片及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种同质集成激光器、反射镜和探测器的通信芯片及制备方法，芯片基于硅衬底氮化镓晶圆制备，采用相同工艺步骤制备了两个单片集成的激光二极管，反射镜在刻蚀激光二极管的阶梯状台阶时同时获得，激光二极管在受激辐射模式下工作时作为光源向外发射调制激光信号，在自发辐射模式下工作时作为探测器探测来自外部的激光信号，激光器发出的调制激光信号通过自由空间传输，经氮化镓反射镜反射后到达探测器。本发明的制备方法简化了工艺步骤，降低了工艺难度，提高了制备成功率，而且对准精度更高，制成的通信芯片能够实现基于镜面反射的同质集成片上高速激光通信，有效增强了通信芯片的通信性能，可广泛应用于激光通信和激光传感领域。

Description

同质集成激光器、反射镜和探测器的通信芯片及制备方法
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激光器、反射镜和探测器的通信芯片及制备方法。
背景技术
氮化镓基半导体材料是继硅和砷化镓基材料之后的第三代半导体材料，具有宽的带隙，优异的物理和化学性能，在光电领域具有极为广泛的研究价值和应用前景，是制作从紫外到可见光波段半导体激光器的理想材料。和全固态激光器相比，半导体激光器具有体积小、效率高、成本低、寿命长、波长连续可调、易于调制等优势，因此应用前景十分广阔。
在攻克了氮化镓材料与硅衬底之间的晶格失配、大尺寸外延应力控制和高耐压氮化镓外延生长等技术难题后，高质量的大尺寸硅衬底氮化镓外延晶圆已经被成功研制。相比蓝宝石和碳化硅衬底的氮化镓晶圆，硅衬底氮化镓晶圆价格优势明显，导热性和导电性优良，具有成熟的器件加工工艺，更有利于实现芯片级的器件集成。氮化镓材料既可以实现光出射，又可以进行光探测，为实现同质集成的片上激光通信系统提供了物理基础。
目前现有技术中异质集成的芯片级激光通信系统存在制备工艺复杂，器件对准难度高等问题，而采用LED作为通信芯片的光源，存在通信距离相对较近、光信号依赖波导传输、且光能量传输损耗大等问题。
发明内容
技术目的：为解决上述技术问题，本发明提供一种同质集成激光器、反射镜和探测器的通信芯片，能够解决通过异质集成获得芯片级激光通信系统制备工艺复杂，器件对准难度高等问题。
技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：
一种同质集成激光器、反射镜和探测器的通信芯片，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包括缓冲层和硅衬底层，缓冲层上设置激光器、反射镜和探测器，所述激光器和探测器为采用相同工艺步骤制备的两个单片集成的激光二极管、主要由p-n结、绝缘隔离层、p电极和n电极组成，所述反射镜由p-n结组成，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p-n结包括设置于缓冲层上的n-GaN层，设置在所述n-GaN层上的第一AlGaN包覆层、设置在所述第一AlGaN包覆层上的第一InGaN波导层、设置在所述第一InGaN波导层上的InGaN多量子阱层、设置在所述InGaN多量子阱层上的第二InGaN波导层、设置在所述第二InGaN波导层上的第二AlGaN包覆层、设置在所述第二AlGaN包覆层上的p-GaN层。
优选地，所述激光二极管在受激辐射模式下工作时作为光源、向外发射调制激光信号，激光二极管在自发辐射模式下工作时作为探测器、探测来自外部的激光信号，激光器受激辐射产生的激光波长位于探测器的探测谱宽度范围内，激光器发出的调制激光信号通过自由空间传输，经反射镜反射后到达探测器，所述激光二极管为蓝光激光二极管。
优选地，所述激光器A和探测器B位于反射镜C的同一侧，从激光器A出射的调制激光信号经反射镜C反射后到达探测器B端面；所述激光器A和探测器B结构尺寸相同，均具备出射激光信号和探测激光信号的功能。即光源在自发辐射模式下工作时也能够作为探测器探测激光信号，探测器在受激辐射模式下工作时也能够作为光源向外发射调制激光信号。
优选地，所述绝缘隔离层为6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激光二极管的激光波长相同，绝缘隔离层的反射谱宽度覆盖激光二极管的自发辐射光谱宽度。
优选地，所述硅衬底氮化镓晶圆上表面刻蚀有阶梯状台阶，所述阶梯状台阶包括上台面和下台面，所述上台面为p-GaN层上表面，所述下台面为刻蚀后暴露的n-GaN层上表面；所述n电极设置在阶梯状台阶的下台面上，所述绝缘隔离层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电极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上表面、和接触区相互连接；所述反射镜镜面垂直于阶梯状台阶下台面。
本发明还提供了上述同质集成激光器、反射镜和探测器的通信芯片的制备方法，其特征在于，步骤为：
第一步：在硅衬底氮化镓晶圆的p-GaN层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和反射镜区域并进行刻蚀，随后剥离残余光刻胶，获得用作激光二极管的阶梯状台阶和反射镜，阶梯状台阶的下台面为蚀刻后暴露的n-GaN层的上表面；
第二步：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电极接触区窗口区域，使用磁控溅射技术蒸镀Pd/Pt/Au，剥离残余光刻胶后获得p电极接触区；
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；
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电极键合区窗口区域和n电极窗口区域，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电极和n电极，获得激光器和探测器，制成同质集成激光器、反射镜和探测器的通信芯片。
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，所述第二步中使用磁控溅射技术蒸镀Pd/Pt/Au，Pd/Pt/Au厚度分别为30nm/45nm/280nm。
优选地，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6对，沉积温度为135℃。
优选地，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90nm/500nm，退火氛围为压缩氮气，温度控制在580±5℃。
有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
1、本发明提出的同质集成激光器、反射镜和探测器的通信芯片，激光器和探测器基于硅衬底氮化镓晶圆采用相同工艺步骤制备完成，相比异质集成的芯片级激光通信系统存在制备工艺复杂，器件对准难度高等问题，本发明的制备方法简化了工艺步骤，降低了工艺难度，提高了制备成功率，而且对准精度更高；
2、本发明提出的同质集成激光器、反射镜和探测器的通信芯片，反射镜在刻蚀激光器和探测器阶梯状台阶时同时刻蚀获得，相比采用聚焦离子束刻蚀等技术后期制备反射镜，精简了工艺步骤；
3、本发明提出的同质集成激光器、反射镜和探测器的通信芯片，采用激光器二极管作为光源，能够解决LED光源通信芯片通信距离相对较近、光信号依赖波导传输、且光能量传输损耗大等问题；本发明的激光器出射的激光具备高亮度、高方向性、高单色性、高相干性、能量更加集中的特点，能够实现更长距离的片上光通信；
4、本发明提出的同质集成激光器、反射镜和探测器的通信芯片，可通过调整激光器的腔长使其受激辐射产生的激光波长位于探测器的探测谱宽度范围内，探测器在自发辐射模式下接收激光信号相比加载零偏压时具有更强的探测能力，因此本发明能够有效增强通信芯片的通信性能，广泛应用于激光通信和激光传感领域；
5、本发明提出的同质集成激光器、反射镜和探测器的通信芯片，使用反射镜反射激光信号实现光信号的传输，相比采用光波导传输光信号，本发明使用反射镜调控激光信号传输路线，可以解决以光波导引导光信号传输的通信芯片难以实现复杂非线性布局器件单片集成的问题；本发明的能量损耗小，且易于实现复杂非线性布局器件的单片集成；
6、本发明提出的同质集成激光器、反射镜和探测器的通信芯片，采用上述结构的硅衬底氮化镓晶圆，其在量子阱层上方和下方均设有波导层和包覆层，基于该结构能够制备产生粒子反转和光学增益的光学微腔，进而用作激光二极管器件；采用电介质布拉格反射镜作为绝缘隔离层，相比SiO2等传统绝缘隔离层具有更强的光子限制能力，能够将更多的出射光子限制在器件内部，减少光能量损耗，能够解决SiO2等传统绝缘隔离层光子限制能力弱，不能将出射光子进一步限制在器件内部的问题；
7、本发明提出的同质集成激光器、反射镜和探测器的通信芯片，采用硅衬底氮化镓晶圆实现，相比蓝宝石衬底氮化镓晶圆成本更低，而且更易于获得大尺寸外延，有利于实现更大规模的通信芯片。
附图说明
图1为本发明一种同质集成激光器、反射镜和探测器的通信芯片中激光器和探测器的主视图；
图2为本发明一种同质集成激光器、反射镜和探测器的通信芯片中反射镜的主视图；
图3为本发明一种同质集成激光器、反射镜和探测器的通信芯片的俯视图；
图4为本发明一种同质集成激光器、反射镜和探测器的通信芯片制备流程示意图；
其中，1、硅衬底层，2、缓冲层，3、n-GaN层，4、第一AlGaN包覆层，5、第一InGaN波导层，6、InGaN多量子阱层，7、第二InGaN波导层，8、第二AlGaN包覆层，9、p-GaN层，10、绝缘隔离层，11、p电极，12、n电极，A、激光器，B、反射镜，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，一种同质集成激光器、反射镜和探测器的通信芯片，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9、第二AlGaN包覆层8、InGaN波导层7、InGaN多量子阱层6、第一InGaN波导层5、第一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上设置激光器A、反射镜B和探测器C，所述激光器A和探测器C由p-n结、绝缘隔离层10、p电极11和n电极12组成，所述反射镜B由p-n结组成。
如图1、图2和图4所示，所述p-n结包括n-GaN层3，设置在所述n-GaN层3上的第一AlGaN包覆层4、设置在所述第一AlGaN包覆层4上的第一InGaN波导层5、设置在所述第一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上的第二InGaN波导层7、设置在所述第二InGaN波导层7上的第二AlGaN包覆层8、设置在所述第二AlGaN包覆层8上的p-GaN层9。
本发明采用上述结构的硅衬底氮化镓晶圆，其在量子阱层上方和下方均设有波导层和包覆层，基于该结构能够制备产生粒子反转和光学增益的光学微腔，进而制备激光二极管器件。如本实施例中，激光器A和探测器C采用相同工艺步骤制备的两个单片集成的激光二极管，激光二极管在受激辐射模式下工作时作为光源、向外发射调制激光信号，激光二极管在自发辐射模式下工作时作为探测器、探测来自外部的激光信号，激光器A受激辐射产生的激光波长位于探测器C的探测谱宽度范围内，激光器A发出的调制激光信号通过自由空间传输，经反射镜B反射后到达探测器C。反射镜B为镜面反射镜，调制激光信号到达空气和反射镜的分界面时发生反射并改变传播方向，从而实现对调制激光信号传播方向的引导，完成激光器和探测器之间的激光信号通信。
本发明可通过调整激光器的腔长使其受激辐射产生的激光波长位于探测器的探测谱宽度范围内，探测器在自发辐射模式下接收激光信号相比加载零偏压时具有更强的探测能力，能够有效增强通信芯片的通信性能。
如图3所示，本实施例中，激光器A和探测器C位于反射镜B的同一侧，从激光器A出射的调制激光信号经反射镜B反射后可以到达探测器C端面；激光器A和探测器C结构尺寸相同，均具备出射激光信号和探测激光信号的能力，即激光器A在自发辐射模式下工作时也能够作为探测器探测激光信号，探测器C在受激辐射模式下工作时也能够作为光源向外发射调制激光信号，本发明中激光二极管优选蓝光激光二极管。
本发明优选绝缘隔离层8优选为6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激光二极管的激光波长相同，绝缘隔离层8的反射谱宽度覆盖激光二极管的自发辐射光谱宽度。
如图1、图2和图4所示，本发明的一种同质集成激光器、反射镜和探测器的通信芯片，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，所述上台面为p-GaN层9上表面，所述下台面为刻蚀后暴露的n-GaN层3上表面；所述n电极12设置在阶梯状台阶的下台面上，所述绝缘隔离层10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电极11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10上表面、和接触区相互连接。所述反射镜B镜面垂直于阶梯状台阶下台面。
如图4所示，上述同质集成激光器、反射镜和探测器的通信芯片的制备方法为：
第一步：在硅衬底氮化镓晶圆的p-GaN层9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，以及反射镜B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，获得阶梯状台阶和反射镜B；光刻胶也可以用其它光致抗蚀材料代替；
第二步：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电极11接触区窗口区域，使用磁控溅射技术蒸镀Pd/Pt/Au，剥离残余光刻胶后获得p电极11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10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10；
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电极11键合区窗口区域和n电极12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电极11和n电极12。
即通过上述四个步骤能够一次性制备激光器、反射镜和探测器，采用相同工艺步骤制备了两个单片集成的激光二极管，分别作为片上通信系统的激光器和反射镜，反射镜在刻蚀激光二极管的阶梯状台阶时同时获得，极大地简化了制备工艺，激光器发出的调制激光信号通过自由空间传输，经氮化镓反射镜反射后到达探测器，实现了同质集成的镜面反射片上高速激光通信。
本发明制备方法中，所述第二步中使用磁控溅射技术蒸镀Pd/Pt/Au，Pd/Pt/Au厚度分别为30nm/45nm/280nm。
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6对，沉积温度为135℃。
本发明制备方法中，所述第第四步中使用磁控溅射技术蒸镀Pt/Au，Pt/Au厚度分别为90nm/500nm，退火氛围为压缩氮气，温度控制在580±5℃。

Claims (10)

1.一种同质集成激光器、反射镜和探测器的通信芯片，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包括缓冲层(2)和硅衬底层(1)，缓冲层(2)上设置激光器(A)、反射镜(B)和探测器(C)，所述激光器(A)和探测器(C)为采用相同工艺步骤制备的两个单片集成的激光二极管，主要由p-n结、绝缘隔离层(10)、p电极(11)和n电极(12)组成，所述反射镜(B)由p-n结组成，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所述的同质集成激光器、反射镜和探测器的通信芯片，其特征在于：所述p-n结包括设置于缓冲层(2)上的n-GaN层(3)，设置在所述n-GaN层(3)上的第一AlGaN包覆层(4)、设置在所述第一AlGaN包覆层(4)上的第一InGaN波导层(5)、设置在所述第一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)上的第二InGaN波导层(7)、设置在所述第二InGaN波导层(7)上的第二AlGaN包覆层(8)、设置在所述第二AlGaN包覆层(8)上的p-GaN层(9)。
3.根据权利要求1所述的同质集成激光器、反射镜和探测器的通信芯片，其特征在于：所述激光二极管在受激辐射模式下工作时作为光源、向外发射调制激光信号，激光二极管在自发辐射模式下工作时作为探测器、探测来自外部的激光信号，激光器(A)受激辐射产生的激光波长位于探测器(C)的探测谱宽度范围内，激光器(A)发出的调制激光信号通过自由空间传输，经反射镜(B)反射后到达探测器(C)。
4.根据权利要求3所述的同质集成激光器、反射镜和探测器的通信芯片，其特征在于：所述激光器(A)和探测器(C)位于反射镜(B)的同一侧，从激光器(A)出射的调制激光信号经反射镜(B)反射后到达探测器(C)端面；所述激光器(A)和探测器(C)结构尺寸相同，均具备出射激光信号和探测激光信号的功能，所述激光二极管为蓝光激光二极管。
5.根据权利要求3所述的同质集成激光器、反射镜和探测器的通信芯片，其特征在于：所述绝缘隔离层(10)为6对SiO2/TiO2组成的电介质布拉格反射镜，绝缘隔离层(10)的反射谱中心波长和激光二极管的激光波长相同，绝缘隔离层(10)的反射谱宽度覆盖激光二极管的自发辐射光谱宽度。
6.根据权利要求1所述的同质集成激光器、反射镜和探测器的通信芯片，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，所述阶梯状台阶包括上台面和下台面，所述上台面为p-GaN层(9)上表面，所述下台面为刻蚀后暴露的n-GaN层(3)上表面；所述n电极(12)设置在阶梯状台阶的下台面上，所述绝缘隔离层(10)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电极(11)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(10)上表面、和接触区相互连接；所述反射镜(B)镜面垂直于阶梯状台阶下台面。
7.一种权利要求1所述的同质集成激光器、反射镜和探测器的通信芯片的制备方法，其特征在于，步骤为：
第一步：在硅衬底氮化镓晶圆的p-GaN层(9)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和反射镜(B)区域并进行刻蚀，随后剥离残余光刻胶，获得用作激光二极管的阶梯状台阶和反射镜(B)，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电极(11)接触区窗口区域，使用磁控溅射技术蒸镀Pd/Pt/Au，剥离残余光刻胶后获得p电极(11)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(10)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(10)；
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电极(11)键合区窗口区域和n电极(12)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电极(11)和n电极(12)，获得激光器(A)和探测器(B)，制成同质集成激光器、反射镜和探测器的通信芯片。
8.根据权利要求7所述的同质集成激光器、反射镜和探测器的通信芯片，其特征在于：所述第二步中使用磁控溅射技术蒸镀Pd/Pt/Au，Pd/Pt/Au厚度分别为30nm/45nm/280nm。
9.根据权利要求7所述的同质集成激光器、反射镜和探测器的通信芯片的制备方法，其特征在于：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6对，沉积温度为135℃。
10.根据权利要求7所述的同质集成激光器、反射镜和探测器的通信芯片的制备方法，其特征在于：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90nm/500nm，退火氛围为压缩氮气，温度控制在580±5℃。
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