CN111244227A - 一种硅基光子集成模块及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种硅基光子集成模块及其制备方法，通过获取SOI衬底；在SOI衬底的顶层硅上刻蚀形成硅波导；将N型InP薄膜采用离子束剥离的方法转移到SOI衬底上，形成InP层；在InP层上依次外延生长形成第一限制层、有源层和第二限制层；对第一限制层、有源层和第二限制层进行刻蚀，形成光电器件的台面；形成的光电器件共用同一种有源区结构；在InP层上外延生长形成探测器PIN结构；对探测器PIN结构进行刻蚀，形成探测器的台面；对光电器件的台面进行H离子注入，并进行P型隔离；对InP层进行刻蚀以隔离光电器件和探测器，并将硅波导与空气接触；在InP层、光电器件和探测器的表面沉积电极。如此，可以降低硅基光子集成的难度，可以缩小光子芯片的尺寸。
Description
技术领域
本申请涉及光子集成技术领域，特别涉及一种硅基光子集成模块及其制备方法。
背景技术
未来微处理器将要处理空前高比特率的数据，电学互联不能很好的支持这种大数据的传输和处理。光互联具有大的带宽以及高的传输速率，因此将光互联与电互联相结合能够有效提升信息传输效率以及速率。光子集成电路的出现晚于集成电路，由于市场需求不高，技术不够成熟使其发展极其缓慢。在过去十几年中，由于数据量呈现爆发式的增长，驱动了光子集成电路得到了快速发展。
基于不同需求，光子集成电路存在不同集成平台，包括氮化硅的无源集成平台、InP的全光子集成平台和硅光混合集成平台。
对于氮化硅集成平台，主要利用氧化硅作为包层，氮化硅作为芯层形成波导，是无源器件的优秀集成平台。
在InP平台中，由于在InP衬底上可以外延堆叠其三元、四元的外延层来制备光电器件，因此在InP平台上可以实现完整的有源、无源器件集成，但是由于不能与硅基工艺兼容，无法大批量产业化，而且其波导限光能力较弱，使得光子集成芯片尺寸较大。
硅光混合集成是将Ⅲ-Ⅳ化合物半导体的光学器件通过键合的方式与硅衬底集成，通过硅波导耦合的方式将光源引入硅光中，这种方法将光学与电学进行了融合，充分利用了成熟的硅基工艺与Ⅲ-Ⅴ化合物半导体的光学性能，并且利用高限光硅波导，可以进一步缩小光子芯片尺寸，但是由于需要高的对准精度，不适用于产业化生长。
基于以上各个平台的优点，现有技术中较优的光子集成方案是在硅基衬底上集成InP单晶薄膜，然后利用硅基工艺以及InP的全光子集成来实现硅基光子集成。但是，在传统的异质外延生长中，由于InP与硅衬底间存在大的晶格失配和热失配，导致无法在硅衬底上沿轴向直接外延生长高质量InP单晶薄膜。
发明内容
本申请实施例提供了一种硅基光子集成模块及其制备方法，利用离子束剥离的方法将InP薄膜转移到刻蚀有硅波导的SOI衬底上，在异质衬底基础上利用两次外延的方法来实现光子集成，可以降低硅基光子集成的难度，可以缩小光子芯片的尺寸。
一方面，本申请实施例提供了一种硅基光子集成模块的制备方法，包括：
获取SOI衬底；
在SOI衬底的顶层硅上刻蚀形成硅波导；
将N型InP薄膜采用离子束剥离的方法转移到SOI衬底上，形成InP层；
在InP层上依次外延生长形成第一限制层、有源层和第二限制层；
对第一限制层、有源层和第二限制层进行刻蚀，形成光电器件的台面；形成的光电器件共用同一种有源区结构；
在InP层上外延生长形成探测器PIN结构；
对探测器PIN结构进行刻蚀，形成探测器的台面；
对光电器件的台面进行H离子注入，并进行P型隔离；
对InP层进行刻蚀以隔离光电器件和探测器，并将硅波导与空气接触；
在InP层、光电器件和探测器的表面沉积电极。
进一步地，SOI衬底的顶层硅为非掺硅薄膜。
进一步地，硅波导的形状为条形、锥形、弧形和环形中的任一种。
进一步地，N型InP薄膜的厚度为100纳米至1微米。
进一步地，外延生长包括分子束外延以及化学气相外延。
进一步地，在SOI衬底的顶层硅上刻蚀形成硅波导，包括：在SOI衬底的顶层硅上采用干法刻蚀形成硅波导；或；在SOI衬底的顶层硅上采用湿法刻蚀形成硅波导。
进一步地，光学器件包括激光器、放大器和调制器。
另一方面，本申请实施例提供了一种硅基光子集成模块，包括SOI衬底、InP层、光学器件和探测器；
InP层与SOI衬底层叠连接；
光学器件和探测器均与InP层连接；光学器件与探测器之间电学隔离。
进一步地，SOI衬底的顶层硅刻蚀有硅波导；硅波导的形状为条形、锥形、弧形和环形中的任一种。
进一步地，SOI衬底的顶层硅为非掺硅薄膜；InP层的厚度为100纳米至1微米。
本申请实施例提供的一种硅基光子集成模块及其制备方法具有如下有益效果：
通过获取SOI衬底；在SOI衬底的顶层硅上刻蚀形成硅波导；将N型InP薄膜采用离子束剥离的方法转移到SOI衬底上，形成InP层；在InP层上依次外延生长形成第一限制层、有源层和第二限制层；对第一限制层、有源层和第二限制层进行刻蚀，形成光电器件的台面；形成的光电器件共用同一种有源区结构；在InP层上外延生长形成探测器PIN结构；对探测器PIN结构进行刻蚀，形成探测器的台面；对光电器件的台面进行H离子注入，并进行P型隔离；对InP层进行刻蚀以隔离光电器件和探测器，并将硅波导与空气接触；在InP层、光电器件和探测器的表面沉积电极。本申请利用离子束剥离的方法将InP薄膜转移到刻蚀有硅波导的SOI衬底上，在异质衬底基础上利用两次外延的方法来实现光子集成，可以降低硅基光子集成的难度，可以缩小光子芯片的尺寸。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的一种硅基光子集成模块的制备方法的流程示意图；
图2是本申请实施例提供的一种硅基光子集成模块的制备过程示意图；
图3是本申请实施例提供的一种硅基光子集成模块的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或服务器不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
请参阅图1，图1是本申请实施例提供的一种硅基光子集成模块的制备方法的流程示意图，该制备方法包括：
S101：获取SOI衬底。
S103：在SOI衬底的顶层硅上刻蚀形成硅波导。
S105：将N型InP薄膜采用离子束剥离的方法转移到SOI衬底上，形成InP层。
S107：在InP层上依次外延生长形成第一限制层、有源层和第二限制层。
S109：对第一限制层、有源层和第二限制层进行刻蚀，形成光电器件的台面；形成的光电器件共用同一种有源区结构。
S111：在InP层上外延生长形成探测器PIN结构。
S113：对探测器PIN结构进行刻蚀，形成探测器的台面。
S115：对光电器件的台面进行H离子注入，并进行P型隔离。
S117：对InP层进行刻蚀以隔离光电器件和探测器，并将硅波导与空气接触。
S119：在InP层、光电器件和探测器的表面沉积电极。
可选的，SOI衬底的顶层硅为非掺硅薄膜。
可选的，硅波导的形状为条形、锥形、弧形和环形中的任一种。
可选的，N型InP薄膜的厚度为100纳米至1微米。
可选的，外延生长包括分子束外延以及化学气相外延。
一种可选的在SOI衬底的顶层硅上刻蚀形成硅波导的实施方式中，在SOI衬底的顶层硅上采用干法刻蚀形成硅波导。
另一种可选的在SOI衬底的顶层硅上刻蚀形成硅波导的实施方式中，在SOI衬底的顶层硅上采用湿法刻蚀形成硅波导。
可选的，光学器件包括激光器、放大器和调制器。
本申请实施例中，利用离子束剥离的方法将InP薄膜转移到刻蚀有硅波导的SOI衬底上，在此异质衬底基础上利用两次外延的方法来实现激光器、波导、放大器或调制器和探测器的光子集成模块。该方法不需要高的对准精度，可以通过晶圆间自由键合完成，如此，可以降低硅基光子集成的难度，同时可以充分利用硅基成熟工艺与InP的全光子集成能力。采用高限光硅波导，也可以缩小光子芯片的尺寸。
请参阅图2，图2是本申请实施例提供的一种硅基光子集成模块的制备过程示意图。首先，如图2(a)所示，准备SOI衬底，其顶层硅为非掺硅薄膜，采用干法刻蚀或湿法刻蚀在顶层硅上刻蚀出硅(Si)波导，该Si波导为条形波导；其次，如图2(b)所示，将N型InP薄膜采用离子束剥离方法转移到此SOI衬底，该N型InP薄膜厚度在100纳米至1微米；其次，如图2(c)所示，在InP/Si/SiO2/Si衬底上通过分子束外延外延生长激光器和放大器或调制器的上下限制层以及中间的有源层。其次，如图2(d)所示，刻蚀出激光器和放大器或调制器的台面，刻蚀截止到InP层。其次，如图2(e)所示，通过外延生长探测器PIN结构；其次，如图2(f)所示，刻蚀出探测器的台面。其次，如图2(g)所示，对激光器台面两端进行H离子注入，并进行P型隔离，阻止横向的电流输运，缩短沟道长度，保证激光器产生的光模式大部分在Si波导中。其次，如图2(h)所示，通过刻蚀去除激光器、放大器或调制器和探测器间的InP层，对器件形成电学隔离，同时将硅波导与空气接触，形成大的折射率差，如此，可以更好的将光限制在Si波导中；最后沉积电极。如此，激光器发出的激光通过耦合进硅波导传输到放大器和探测器。
本申请实施例还提供了一种硅基光子集成模块。如图3所示，图3是本申请实施例提供的一种硅基光子集成模块的结构示意图，包括SOI衬底、InP层、光学器件和探测器；
InP层与SOI衬底层叠连接；
光学器件和探测器均与InP层连接；光学器件与探测器之间电学隔离。
可选的，SOI衬底的顶层硅刻蚀有硅波导；硅波导的形状可以为条形、锥形、弧形和环形中的任一种。
可选的，SOI衬底的顶层硅为非掺硅薄膜；InP层的厚度为100纳米至1微米。
本申请实施例中的硅基光子集成模块与制备方法基于同样地申请构思。
需要说明的是：上述本申请实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种硅基光子集成模块的制备方法，其特征在于，包括：
获取SOI衬底；
在所述SOI衬底的顶层硅上刻蚀形成硅波导；
将N型InP薄膜采用离子束剥离的方法转移到所述SOI衬底上，形成InP层；
在所述InP层上依次外延生长形成第一限制层、有源层和第二限制层；
对所述第一限制层、所述有源层和所述第二限制层进行刻蚀，形成光电器件的台面；所述形成的光电器件共用同一种有源区结构；
在所述InP层上外延生长形成探测器PIN结构；
对所述探测器PIN结构进行刻蚀，形成探测器的台面；
对所述光电器件的台面进行H离子注入，并进行P型隔离；
对所述InP层进行刻蚀以隔离所述光电器件和所述探测器，并将所述硅波导与空气接触；
在所述InP层、所述光电器件和所述探测器的表面沉积电极。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述SOI衬底的顶层硅为非掺硅薄膜。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硅波导的形状为条形、锥形、弧形和环形中的任一种。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述N型InP薄膜的厚度为100纳米至1微米。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述外延生长包括分子束外延以及化学气相外延。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述SOI衬底的顶层硅上刻蚀形成硅波导，包括：
在所述SOI衬底的顶层硅上采用干法刻蚀形成所述硅波导；
或；在所述SOI衬底的顶层硅上采用湿法刻蚀形成所述硅波导。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光学器件包括激光器、放大器和调制器。
8.一种硅基光子集成模块，其特征在于，包括SOI衬底、InP层、光学器件和探测器；
所述InP层与所述SOI衬底层叠连接；
所述光学器件和所述探测器均与所述InP层连接；所述光学器件与所述探测器之间电学隔离。
9.根据权利要求8所述的模块，其特征在于，所述SOI衬底的顶层硅刻蚀有硅波导；
所述硅波导的形状为条形、锥形、弧形和环形中的任一种。
10.根据权利要求8所述的模块，其特征在于，所述SOI衬底的顶层硅为非掺硅薄膜；
所述InP层的厚度为100纳米至1微米。
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