CN111193183A - 一种单片集成的平衡探测器芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种单片集成的平衡探测器芯片及其制备方法，包括N‑InP衬底、分别设置于N‑InP衬底上的激光器外延结构与探测器外延结构、以及设置于激光器外延结构与探测器外延结构相邻区域的电隔离层。本发明在InP衬底上实现了激光光源、MMI波导、探测器的单片集成，可以实现对MMI输出端干涉光纤的监控和调控，同时单片集成减小了器件整体的体积和封装成本，有利于进一步的集成化。
Description
技术领域
本发明涉及光源和探测技术领域，特别是一种单片集成的平衡探测器芯片及其制备方法。
背景技术
在相干探测中，本振激光器的相对强度噪声、光电二极管的散粒噪声、电路的热噪声等对相干解调灵敏度的影响仍然无法解除；采用平衡探测器的相干探测技术，比通常的直接探测技术光探测器的接收灵敏度高约20dB，显著消除了接收机噪声和电子线路噪声对微弱光信号检测的影响。
目前，国内还未有成型的InP基平衡探测芯片；而且国外相关的报道也主要集中在波导和探测器的集成。本发明在已有的基础上，进一步进行集成，实现单片上光源、波导和探测器的集成，有效降低了整体器件的体积和封装成本。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提出一种单片集成的平衡探测器芯片及其制备方法，在InP衬底上实现了激光光源、MMI波导、探测器的单片集成，减小了器件整体的体积和封装成本，有利于进一步的集成化。
本发明采用以下方案实现：一种单片集成的平衡探测器芯片，包括N-InP衬底、分别设置于N-InP衬底上的激光器外延结构与探测器外延结构、以及设置于激光器外延结构与探测器外延结构相邻区域的电隔离层。
进一步地，所述激光器外延结构自下而上依次包括第一N-InP缓冲层、无掺杂InGaAsP下波导层、InGaAsP压应变多量子阱、无掺杂InGaAsP上波导层、第一P-InP间隔层、P-InGaAsP腐蚀停止层、第二P-InP间隔层、激光器区域P-InGaAsP光栅、第一P-InP空间层、P-InGaAsP过渡层以及P-InGaAs重掺杂层。
进一步地，所述探测器外延结构自下而上依次包括第二N-InP缓冲层、N-InP空间层、非掺杂InGaAsP吸收层、第二P-InP空间层以及P-InGaAs欧姆接触层。
进一步地，所述电隔离层采用填充的BCB胶。
本发明还提供了一种基于上文所述的单片集成的平衡探测器芯片的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：在衬底上生长InGaAsP应变量子阱外延结构；
步骤S2：在InGaAsP应变量子阱外延结构上制备局部光栅，并完成光栅的掩埋再生长，进而完成激光器结构的外延生长；
步骤S3：在激光器外延结构的表面生长SiO2层，形成选择生长区域，在选择生长区域生长探测器结构，完成外延生长；
步骤S4：对激光器和探测器相邻区域进行刻蚀形成电隔离，并制备包括波导结构、P面金属在内的结构，完成芯片的制备。
进一步地，步骤S1具体为：在N-InP衬底上依次生长第一N-InP缓冲层、无掺杂InGaAsP下波导层、InGaAsP压应变多量子阱、无掺杂InGaAsP上波导层、第一P-InP间隔层、P-InGaAsP腐蚀停止层、第二P-InP间隔层、P-InGaAsP光栅层，完成基片外延结构生长。
进一步地，步骤S2具体为：在基片外延结构上通过光刻和全息曝光的方法去除激光器以外区域的光栅结构，并在溴素系溶液里低温搅拌腐蚀形成均匀光栅，并接着生长第一P-InP空间层、P-InGaAsP过渡层和P-InGaAs重掺杂层，完成激光器结构的外延生长。
进一步地，步骤S3具体为：在激光器外延结构表面通过PECVD生长SiO2，通过包括光刻、腐蚀在内的方法去除生长区域表面的SiO2，并通过RIE刻蚀将生长区域的激光器外延结构刻蚀至衬底，采用溴素系腐蚀液对刻蚀表面进行腐蚀修复；在选择区域生长前，将片子放到外延炉中进行630℃、10min的烘烤，去除片子表面脏污，并使表面发生质量输运，改善片子表面生长质量；接着在选择生长区域生长探测器外延结构。
其中，步骤S3中，所述生长探测器外延结构具体为：自下而上依次生长第二N-InP缓冲层、N-InP空间层、非掺杂InGaAsP吸收层、第二P-InP空间层、P-InGaAs欧姆接触层，完成探测器结构生长。
进一步地，步骤S4具体为：通过RIE对激光器和探测器相邻区域进行刻蚀，刻蚀至衬底，并采用溴素系腐蚀液进行腐蚀修复，接着采用PECVD沉积SiO2，通过包括光刻、刻蚀、腐蚀在内的方法形成激光器脊型波导和2×2结构的MMI波导；去除SiO2，PECVD再沉积SiO2钝化层，并通过包括光刻，刻蚀、腐蚀在内的方法在激光器脊型波导、MMI波导和探测器表面进行开孔，通过电子束蒸发沉积P面金属，并对激光器和探测器相邻刻蚀区域进行BCB填充进一步改善电隔离特性，接着进行减薄和N面金属工艺，并通过合金形成欧姆接触；解离成bar条，并对两端的腔面进行高反和高透光学膜的蒸镀，完成芯片的制备。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明采用选择区域生长的方法实现了激光器、MMI波导、探测器的单片集成，减小了器件整体的体积和封装成本，有利于进一步的集成化。
附图说明
图1为本发明实施例的沿着激光器谐振腔方向平衡探测器外延结构图。
图2为本现有技术中InP上单片集成了2×2 MMI波导、可调光衰减器（VOA）、探测器的芯片示意图。
图中，1为N-InP衬底；2至12为激光器外延结构，2为第一N-InP缓冲层、3为无掺杂InGaAsP下波导层、4为InGaAsP压应变多量子阱、5为无掺杂InGaAsP上波导层、6第一为P-InP间隔层、7为P-InGaAsP腐蚀停止层、8为第二P-InP间隔层、9为激光器区域P-InGaAsP光栅、10为第一P-InP空间层、11为P-InGaAsP过渡层、12为P-InGaAs重掺杂层；13至17为探测器外延结构，13为第二N-InP缓冲层、14为N-InP空间层、15为非掺杂InGaAsP吸收层、16为第二P-InP空间层、17为P-InGaAs欧姆接触层；18为填充的BCB。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1所示，本实施例提供了一种单片集成的平衡探测器芯片，包括N-InP衬底、分别设置于N-InP衬底上的激光器外延结构与探测器外延结构、以及设置于激光器外延结构与探测器外延结构相邻区域的电隔离层。
在本实施例中，所述激光器外延结构自下而上依次包括第一N-InP缓冲层、无掺杂InGaAsP下波导层、InGaAsP压应变多量子阱、无掺杂InGaAsP上波导层、第一P-InP间隔层、P-InGaAsP腐蚀停止层、第二P-InP间隔层、激光器区域P-InGaAsP光栅、第一P-InP空间层、P-InGaAsP过渡层以及P-InGaAs重掺杂层。
在本实施例中，所述探测器外延结构自下而上依次包括第二N-InP缓冲层、N-InP空间层、非掺杂InGaAsP吸收层、第二P-InP空间层以及P-InGaAs欧姆接触层。
在本实施例中，所述电隔离层采用填充的BCB胶。
本实施例还提供了一种基于上文所述的单片集成的平衡探测器芯片的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：在衬底上生长InGaAsP应变量子阱外延结构；
步骤S2：在InGaAsP应变量子阱外延结构上制备局部光栅，并完成光栅的掩埋再生长，进而完成激光器结构的外延生长；
步骤S3：在激光器外延结构的表面生长SiO2层，形成选择生长区域，在选择生长区域生长探测器结构，完成外延生长；
步骤S4：对激光器和探测器相邻区域进行刻蚀形成电隔离，并制备包括波导结构、P面金属在内的结构，完成芯片的制备。
在本实施例中，步骤S1具体为：在N-InP衬底上依次生长第一N-InP缓冲层、无掺杂InGaAsP下波导层、InGaAsP压应变多量子阱、无掺杂InGaAsP上波导层、第一P-InP间隔层、P-InGaAsP腐蚀停止层、第二P-InP间隔层、P-InGaAsP光栅层，完成基片外延结构生长。
较佳地，本实施例以以下参数为例对步骤S1进行进一步描述：在N-InP衬底片上，通过MOCVD依次外延生长：1μm N-InP缓冲层、100nm无掺杂InGaAsP下波导层、5对InGaAsP压应变多量子阱（量子阱和垒的厚度分别为6nm和10nm）、100nm 无掺杂InGaAsP上波导层、100nm P-InP间隔层、15nm P-InGaAsP腐蚀停止层、30nm P-InP间隔层、20nm P-InGaAsP光栅层，完成基片外延结构生长。
在本实施例中，步骤S2具体为：在基片外延结构上通过光刻和全息曝光的方法去除激光器以外区域的光栅结构，并在溴素系溶液里低温搅拌腐蚀形成均匀光栅，并接着生长第一P-InP空间层、P-InGaAsP过渡层和P-InGaAs重掺杂层，完成激光器结构的外延生长。
较佳地，本实施例以以下参数对步骤S2进行进一步地说明：在基片上通过光刻和全息曝光的方法去除激光器以外区域的光栅结构，并在溴素系溶液里低温搅拌腐蚀形成均匀光栅；并接着在MOCVD中依次生长：1600nm P-InP空间层、50nm P-InGaAsP过渡层和250nmP-InGaAs重掺杂层，完成激光器结构的外延生长。
在本实施例中，步骤S3具体为：在激光器外延结构表面通过PECVD生长SiO2，通过包括光刻、腐蚀在内的方法去除生长区域表面的SiO2，并通过RIE刻蚀将生长区域的激光器外延结构刻蚀至衬底，采用溴素系腐蚀液对刻蚀表面进行腐蚀修复；在选择区域生长前，将片子放到外延炉中进行630℃、10min的烘烤，去除片子表面脏污，并使表面发生质量输运，改善片子表面生长质量；接着在选择生长区域生长探测器外延结构。
较佳地，本实施例以以下具体参数对步骤S3进行进一步地说明：在激光器结构外延片表面通过PECVD生长150nm SiO2，通过光刻、并用BOE腐蚀去除生长区域表面的SiO2，接着通过RIE刻蚀，采用H2和CH4刻蚀气体将生长区域的激光器外延结构刻蚀至衬底，刻蚀深度约3300nm；接着采用溴素系腐蚀液对刻蚀表面进行短时间的腐蚀修复；将片子放到外延炉中进行630℃、10min的烘烤，在烘烤过程中通入大量的PH3气体，来抑制含P材料的高温挥发；通过高温烘烤来去除片子表面脏污，并使表面发生质量输运、来改善片子表面生长质量；烘烤完成后生长探测器外延结构。
其中，步骤S3中，所述生长探测器外延结构具体为：自下而上依次生长第二N-InP缓冲层、N-InP空间层、非掺杂InGaAsP吸收层、第二P-InP空间层、P-InGaAs欧姆接触层，完成探测器结构生长。
较佳地，本实施例以以下参数对探测器外延结构的生长做进一步说明：依次生长800nm N-InP缓冲层、200nm N-InP空间层、300nm 非掺杂InGaAsP吸收层、200nm P-InP空间层、250nm P-InGaAs欧姆接触层完成探测器结构生长。
在本实施例中，步骤S4具体为：通过RIE对激光器和探测器相邻区域进行刻蚀，刻蚀至衬底，并采用溴素系腐蚀液进行腐蚀修复，接着采用PECVD沉积SiO2，通过包括光刻、刻蚀、腐蚀在内的方法形成激光器脊型波导和2×2结构的MMI波导；去除SiO2，PECVD再沉积SiO2钝化层，并通过包括光刻，刻蚀、腐蚀在内的方法在激光器脊型波导、MMI波导和探测器表面进行开孔，通过电子束蒸发沉积P面金属，并对激光器和探测器相邻刻蚀区域进行BCB填充进一步改善电隔离特性，接着进行减薄和N面金属工艺，并通过合金形成欧姆接触；解离成bar条，并对两端的腔面进行高反和高透光学膜的蒸镀，完成芯片的制备。
较佳地，本实施例以以下参数对步骤S4进行进一步地说明：接着通过RIE对激光器和探测器相邻区域进行刻蚀，刻蚀至衬底，并采用溴素系腐蚀液进行短时间的腐蚀修复，接着PECVD沉积150nm SiO2，通过光刻形成激光器脊型波导和MMI波导结构图形、采用RIE刻蚀去掉图形之外的SiO2层，接着采用溴素系溶液腐蚀去除激光器脊型波导和MMI波导表面的InGaAs层、并用H3PO4:HCl溶液进行腐蚀，腐蚀至腐蚀停止层，形成激光器脊型波导和MMI波导结构，波导上表面宽度约为2.0μm。接着去除片子表面的SiO2，在PECVD中沉积400nmSiO2钝化层，光刻，在探测器、激光器脊型波导和MMI波导表面进行开孔，刻蚀去除开孔区域的SiO2层，蒸发P面金属，分别形成探测器、激光器和MMI中VOA的P面电极。接着在片子表面涂覆BCB胶，通过光刻保留激光器和探测器相邻刻蚀区域的BCB胶填充，用来改善激光器和探测器之间的电串扰，并去除其他区域的BCB胶。将片子的背面进行物理减薄，厚度减薄至110μm左右，并通过电子束蒸发N面金属，在氮气氛围中进行合金，形成芯片的P面和N面欧姆接触。解离形成平衡探测器芯片bar条，在激光器端端面和探测器端端面分别电子束蒸发高反光学膜和高透光学膜，完成芯片的制备。
特别的，本实施例还可以在现有的已经在InP上单片集成了2×2 MMI波导、VOA、探测器的芯片上进一步集成激光光源，以形成本实施例所描述的芯片，芯片整体尺寸为500μm×1500μm，其中，现有的已经在InP上单片集成了2×2 MMI波导、VOA、探测器的芯片如图2所示。
特别的，该平衡探测器芯片可以实现对MMI输出端光强的监控，并在MMI波导的电极上通过增加偏压来实现对波导内光增益的调控从而实现对MMI两端输出光强的调控。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种单片集成的平衡探测器芯片，其特征在于，包括N-InP衬底、分别设置于N-InP衬底上的激光器外延结构与探测器外延结构、以及设置于激光器外延结构与探测器外延结构相邻区域的电隔离层。
2.根据权利要求1所述的一种单片集成的平衡探测器芯片，其特征在于，所述激光器外延结构自下而上依次包括第一N-InP缓冲层、无掺杂InGaAsP下波导层、InGaAsP压应变多量子阱、无掺杂InGaAsP上波导层、第一P-InP间隔层、P-InGaAsP腐蚀停止层、第二P-InP间隔层、激光器区域P-InGaAsP光栅、第一P-InP空间层、P-InGaAsP过渡层以及P-InGaAs重掺杂层。
3.根据权利要求1所述的一种单片集成的平衡探测器芯片，其特征在于，所述探测器外延结构自下而上依次包括第二N-InP缓冲层、N-InP空间层、非掺杂InGaAsP吸收层、第二P-InP空间层以及P-InGaAs欧姆接触层。
4.根据权利要求1所述的一种单片集成的平衡探测器芯片，其特征在于，所述电隔离层采用填充的BCB胶。
5.一种基于权利要求1-4任一条所述的单片集成的平衡探测器芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：在衬底上生长InGaAsP应变量子阱外延结构；
步骤S2：在InGaAsP应变量子阱外延结构上制备局部光栅，并完成光栅的掩埋再生长，进而完成激光器结构的外延生长；
步骤S3：在激光器外延结构的表面生长SiO2层，形成选择生长区域，在选择生长区域生长探测器结构，完成外延生长；
步骤S4：对激光器和探测器相邻区域进行刻蚀形成电隔离，并制备包括波导结构、P面金属在内的结构，完成芯片的制备。
6.根据权利要求5所述的单片集成的平衡探测器芯片的制备方法，其特征在于，步骤S1具体为：在N-InP衬底上依次生长第一N-InP缓冲层、无掺杂InGaAsP下波导层、InGaAsP压应变多量子阱、无掺杂InGaAsP上波导层、第一P-InP间隔层、P-InGaAsP腐蚀停止层、第二P-InP间隔层、P-InGaAsP光栅层，完成基片外延结构生长。
7.根据权利要求6所述的单片集成的平衡探测器芯片的制备方法，其特征在于，步骤S2具体为：在基片外延结构上通过光刻和全息曝光的方法去除激光器以外区域的光栅结构，并在溴素系溶液里低温搅拌腐蚀形成均匀光栅，并接着生长第一P-InP空间层、P-InGaAsP过渡层和P-InGaAs重掺杂层，完成激光器结构的外延生长。
8.根据权利要求5所述的单片集成的平衡探测器芯片的制备方法，其特征在于，步骤S3具体为：在激光器外延结构表面通过PECVD生长SiO2，通过包括光刻、腐蚀在内的方法去除生长区域表面的SiO2，并通过RIE刻蚀将生长区域的激光器外延结构刻蚀至衬底，采用溴素系腐蚀液对刻蚀表面进行腐蚀修复；在选择区域生长前，将片子放到外延炉中进行630℃、10min的烘烤，去除片子表面脏污，并使表面发生质量输运，改善片子表面生长质量；接着在选择生长区域生长探测器外延结构。
9.根据权利要求8所述的单片集成的平衡探测器芯片的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述生长探测器外延结构具体为：自下而上依次生长第二N-InP缓冲层、N-InP空间层、非掺杂InGaAsP吸收层、第二P-InP空间层、P-InGaAs欧姆接触层，完成探测器结构生长。
10.根据权利要求5所述的单片集成的平衡探测器芯片的制备方法，其特征在于，步骤S4具体为：通过RIE对激光器和探测器相邻区域进行刻蚀，刻蚀至衬底，并采用溴素系腐蚀液进行腐蚀修复，接着采用PECVD沉积SiO2，通过包括光刻、刻蚀、腐蚀在内的方法形成激光器脊型波导和2×2结构的MMI波导；去除SiO2，PECVD再沉积SiO2钝化层，并通过包括光刻，刻蚀、腐蚀在内的方法在激光器脊型波导、MMI波导和探测器表面进行开孔，通过电子束蒸发沉积P面金属，并对激光器和探测器相邻刻蚀区域进行BCB填充进一步改善电隔离特性，接着进行减薄和N面金属工艺，并通过合金形成欧姆接触；解离成bar条，并对两端的腔面进行高反和高透光学膜的蒸镀，完成芯片的制备。
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