CN111816669B - 通讯用光放大器与光电二极管探测器集成元件及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了通讯用光放大器与光电二极管探测器集成元件及制备方法，集成元件包括基板，基板上依次设置有光电二极管有源层、光放大器有源层和模斑转换器结构层，模斑转换器结构层位于靠近集成元件的收光端面一侧，模斑转换器结构层的底面低于光放大器有源层的底面，光电二极管有源层和光放大器有源层上覆盖有第一包层，第一包层和模斑转换器结构层上覆盖有第二包层，第二包层上自下至上依次覆盖有接触层和p‑金属电极层，基板下表面镀有n‑金属电极层。本发明将斑驳转换器作为半导体光波导结构，提升耦光效率；采取边耦合的形式，将入射光引入集成探测器元件，简化了工艺流程，可实现50G PON以上系统接收端光探测器的国产化批量生产。
Description
技术领域
本发明属于通讯用半导体光探测器技术领域，具体涉及通讯用光放大器与光电二极管探测器集成元件及制备方法。
背景技术
随着通讯网络的容量需求增加，现有的10G PON网路需再进一步提高系统带宽才能满足未来市场的需求。下一阶段的系统带宽提升，预计会考量 25G PON，50G PON 甚至100G PON的更高速系统；这些系统的提升方案，主要基于采用现行较成熟的25G器件来实现，相较于10G PON，致力发展25G PON的难度最低，但是由于速率提升幅度较小，未来仍马上会面临速率瓶颈，因此50G PON以上的系统开发，相关行业领跑者已于近三年着手启动，从2018年起每年都能看到OFC大会上相关通讯领域的业者针对50G PON与100G PON的系统验证方案演示。
针对50G PON以上的技术开发研究，如欲以单波长50G的光器件搭配NRZ调制方式来实现，瓶颈在于50G的光器件目前仅少数美日大厂能提供样品，尚不普及，在价格上不具备优势，因此利用较为成熟的25G光器件搭配高阶调制方案成为现阶段的开发重点。常见的高阶调制方案为PAM4调制技术，虽此技术能降低对光器件带宽的要求，但是对接收端的灵敏度也提高至少5dB以上的要求，除灵敏度的要求提高以外，接收端探测器的带宽也必须足够，如采用APD(雪崩光电二极管)探测器来提升带宽，将会面临灵敏度要求不容易满足的情况，因为APD本身在设计上，带宽与放大增益是相互取舍的关系，为克服此问题，SOA(光放大器)搭配PIN(光电二极管)的设计可以分别针对优化放大器噪声(克服灵敏度)和光电二极管的速率(克服带宽)的方式来同时改善，此集成器件能克服APD上遭遇的矛盾问题。
而国内外现况的解决方案是在发射端的激光器上集成SOA，以提高发射端的光功率来解决接收端高灵敏度的要求，此方案造成发射端的集成SOA激光器仅能与极少数的美日大厂商谈，由于高价格与厂家的制约，使原本预计使用一般成熟的25G光器件加PAM4调制技术下孕育而生的50G PON系统变得开发成本与技术受限门槛极高，失去原本的意义。
为解决此问题，可采用SOA(光放大器)搭配PIN(光电二极管)集成技术的探测器元件，一般而言，将入射光引入探测器为降低耦合损耗，探测器均具备大收光面积的垂直光腔设计，因此SOA(光放大器)搭配PIN(光电二极管)集成元件也须采用大收光面积的垂直光腔设计，但是此方式会增加半导体外延技术的复杂度，在外延层中每一层的设计与制程控制需具备一定的精度，提高了量产的技术门槛。
发明内容
本发明提供了通讯用光放大器与光电二极管探测器集成元件及制备方法，能避免在外延技术上的设计门槛与制程精度要求。
为达到上述目的，本发明通讯用光放大器与光电二极管探测器集成元件，包括基板，基板上沿水平方向依次设置有光电二极管有源层、光放大器有源层和模斑转换器结构层，模斑转换器结构层位于靠近集成元件的收光端面一侧，模斑转换器结构层的底面低于光放大器有源层的底面，光电二极管有源层和光放大器有源层上覆盖有第一包层，第一包层和模斑转换器结构层上覆盖有第二包层，第二包层上自下至上依次覆盖有接触层和p-金属电极层，基板下表面镀有n-金属电极层。
进一步的，模斑转换器结构层材料为In1-xGaxAsyP1-y，x的取值范围是0.05~0.32，y的取值范围是0.05~0.69。
进一步的，x=0.23， y=0. 50。
进一步的，端面刻蚀区的刻蚀底面和光放大器有源层底面之间的高度差为T1，T1的取值范围是50nm~250nm。
进一步的，模斑转换器结构层的厚度T2取值范围为200nm~600nm。
进一步的，模斑转换器结构层区域的波导宽度自光放大器有源层至收光端面方向由W1变化至W2，W1的取值范围是1.5um~2.2um， W2的取值范围是3um~10um，模斑转换器结构层区域的波导长度Lscc的取值范围是20um~50um。
进一步的，模斑转换器结构层的一端镀有抗反射镀膜层，与抗反射镀膜层相对的一端镀有高反射镀膜层。
一种通讯用光放大器与光电二极管探测器集成元件的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、在基板上制作光电二极管有源层和光放大器有源层，在光电二极管有源层和光放大器有源层上沉积第一包层，在第一包层表面沉积一层端面刻蚀区的掩模层，然后刻蚀出端面刻蚀区；刻蚀后，端面刻蚀区底部和光放大器有源层底面的高度差为T1；
步骤2、在端面刻蚀区内生长InGaAsP层作为模斑转换器结构层；
步骤3、在第一包层与模斑转换器结构层上方依次沉积第二包层与InGaAs接触层，得到晶圆；
步骤4、在晶圆上方形成波导结构，其中模斑转换器区域的波导宽度由W1连续变化至W2；
步骤5、在具有波导结构的晶圆表面形成一层绝缘层，之后再去除波导结构上表面的绝缘层，露出InGaAs接触层，然后在InGaAs接触层与绝缘层上方形成p-金属电极层，之后将InP基板背面减薄、抛光，并在基板底面镀上n-金属电极层，然后切割晶圆，得到多个光放大器与光电二极管集成芯片。
进一步的，步骤1中，刻蚀端面刻蚀区时，首先进行干刻，将露出区域刻蚀至光放大器有源层底面以下的位置，再进行湿刻形成端面刻蚀区。
进一步的，步骤2中，在环境温度为600℃~630℃条件下生长InGaAsP层作为模斑转换器结构层。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
本发明提出边耦合（Edge-coupled）型 SOA（光放大器）搭配PIN（光电二极管）集成技术元件的结构与制备方法，从SOA的设计考量，要达到足够的放大效果，必须针对SOA的腔长尺寸与材料选择进行设计，因此主要会以长腔长与高增益材料为设计目标，从外延技术的角度来观察，边耦合型SOA集成PIN元件比面接收SOA集成PIN元件易于达成长腔长与高增益材料的SOA设计需求，因此本发明提出的方案在外延技术上的设计门槛与制程精度要求相对来说易于达成；其中，元件的收光端利用模斑转换器作为半导体光波导结构，能将系统中从光纤出光的大光斑，借由模斑转换器的光波导结构进行光斑形貌转换，有效的引入到SOA区域，借由提升耦光效率有效将光进行放大；采取此类的边耦合的形式，将入射光一路经过放大再引进探测器，实现了光放大与光电信号转换的需求，此方式能将SOA与PIN分别独立设计，不仅设计简化，也降低外延工艺需求精度，可实现50G PON以上系统接收端光探测器的国产化批量生产，摆脱此技术的进口依赖，推动国内50G PON或100G PON以上网络的快速部署。
进一步的，x=0.23，最佳值y=0. 50，取用此组份主要原因为此材料组份于MOCVD成长时易于控制。
此类集成元件最困难实现量产的关键，在于外延集成设计时，须兼顾不同区域元件的特性下进行集成，传统垂直式元件集成固然有大收光面积提升耦合效能的优势，但在SOA与PIN的外延设计上，会牺牲两区域性能而取折衷方案，无法达到最佳化性能，本发明所述的制备方法，是基于边射型元件集成技术，先于衬底上外延PIN有源区，再于PIN有源区邻近区域刻蚀后外延SOA有源区与模斑转换器区域，此制备方式即能实现模斑转换器, SOA与PIN三元件分区设计分区外延的工艺优势，在不牺牲不同元件区域性能下完成集成，从量产角度而言，具备简化工艺与性能优势。
进一步的，步骤1中，刻蚀端面刻蚀区时，首先进行干刻，将露出区域刻蚀至光放大器有源层底面以下的位置，再进行湿刻形成端面刻蚀区，便于控制刻蚀深度。
进一步的，步骤2中，在环境温度为600℃~630℃条件下生长InGaAsP层作为模斑转换器结构层，以生长厚度均匀的光波导层。
附图说明
图1为光放大器与光电二极管探测器集成芯片结构示意图；
图2a为端面刻蚀工艺图；
图2b为端面模斑转换器结构层生长工艺图；
图2c为外包层再生长工艺图；
图2d为器件结构形成工艺图；
图3a为外延方向结构层示意图；
图3b为p型电极面波导区宽度设计示意图；
图4a为Lssc和Ｗ2不变时，在不同的蚀深度T1下，耦合损耗随着模斑转换器结构层厚度T2的变化示意图；
图4b为T1=150nm， T2=500nm时，耦合损耗随着模斑转换器区波导长度Lssc的变化示意图；
图4c为T1=150nm， T2=500nm，Lssc=45um时，耦合损耗随着模斑转换器收光端波导宽度W2的变化示意图。
附图中：10-基板，11-光电二极管有源层，12-光放大器有源层，13-第一包层，14-端面刻蚀区，15-收光端面，20-模斑转换器结构层，30-第二包层，31-接触层，40-p-金属电极层，41-n-金属电极层，42-高反射镀膜层，43-抗反射镀膜层。
具体实施方式
为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
边耦合(Edge-coupled)型光放大器集成光电二极管探测器的设计，对于其中光放大器与光电二极管设计与制作技术已经非常成熟，可以分别针对灵敏度与高速带宽的需求进行设计，采用边耦合方式时，光损耗大，会造成对光放大器要求形成负担，因此提升边耦合的集成结构设计成为该产品的最大技术门槛。如图1所示，本发明在光放大器的前置收光端加入SSC(Spot Size Converter, SSC)模斑转换器结构，用于提升发射光从单模光纤到光放大器的耦光效能，模斑转换器主要是通过调整收光端波导区的材料组份，波导厚度，波导宽度与波导位置来提高入射光的耦光效能，当入射光顺利由模斑转换器引入后，再由光放大器区域将光信号进行放大，最终进入图1最左侧的光电二极管探测器端将光信号转换成电信号完成光电转换信息的功能。
为实现上述目的，本发明包括基板10，首先在基板上外延的光电二极管有源层11、通过半导体刻蚀工艺将部分光电二极管有源层11刻蚀后，再继续于基板10上方与光电二极管有源层11邻近区域外延光放大器有源层12，于光放大器有源层12前置端面刻蚀区14，端面刻蚀区14底部位于基板内，且端面刻蚀区14内生长有模斑转换器结构层20，光放大器有源层12与光电二极管有源层11上覆盖有第一包层13，第一包层13和模斑转换器结构层20上覆盖有第二包层30，第二包层30上自下至上依次覆盖有接触层31和p-金属电极层40，基板10下表面镀有n-金属电极层41，模斑转换器结构层的一端镀有抗反射镀膜层43，与抗反射镀膜层43相对的一端镀有高反射镀膜层42。
其中，第一包层13为InP材料，光放大器有源层12和第一包层13一端设置有端面刻蚀区14，端面刻蚀区14底部位于基板10内。如图2b，端面刻蚀区14内生长有模斑转换器结构层20，模斑转换器结构层20为InGaAsP材料。
其中：
如图3a所示，端面刻蚀区14的刻蚀底面和光放大器有源层12底面之间的高度差为T1，T1的取值范围是50nm~250nm，最佳值T1=150nm，模斑转换器结构层20材料为In1- xGaxAsyP1-y，材料组分x的取值范围是0.05~0.32，最佳值x=0.23，y的取值范围是0.05~0.69，最佳值y=0.50；模斑转换器结构层20的厚度T2取值范围为200nm~600nm，最佳值T2=500nm；
图3b为p型电极面波导区的横剖图，记光电二极管有源层11所在区域为光电二极管区，光放大器有源层12所在区域为光放大器区域，模斑转换器结构层20所在区域为模斑转换器区域；模斑转换器结构层20(亦称为模斑转换器波导)的宽度自光放大器有源层12至收光端面15方向由W1变化至W2，W1的取值范围是1.5um~2.2um，最佳值W1=2um，W2的取值范围是3um~10um，最佳值W2=8um，模斑转换器区域的波导长度Lscc的取值范围是20um~50um，最佳值Lscc=45um；
参照图2a至图2d，一种通讯用光放大器与光电二极管集成元件的制备方法，包括顺序进行的以下工序：
其中工序一与工序二即为边射型元件集成外延与工艺技术，该技术优势在于能分区外延光电二极管有源层，光放大器有源层与模斑转换器结构层，具备分区优化设计的优势。
工序一：在基板10上制作光电二极管有源层11和光放大器有源层12，在光电二极管有源层11和光放大器有源层12上沉积第一包层13，在已经制作好的光放大器有源层12上方的第一包层13表面用等离子体增强型化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition-PECVD)的方法沉积一层端面刻蚀的掩模层，掩模层的材料为Si3N4或SiO2。然后采用光刻技术将刻蚀区域露出，即端面刻蚀区的顶面，首先采用RIE(Reactive IonEtching)技术进行干刻，将露出区域刻蚀至光放大器有源层12底面以下的位置；再使用溴溶液进行湿刻形成端面刻蚀区14，刻蚀后，端面刻蚀区14底部距光放大器有源层12底面的高度差T1为50nm~250nm，得到如图2a所示的结构。
工序二：使用选择区域生长技术(Selective Area Growth, SAG)先在端面刻蚀区14内生长一层InGaAsP层作为模斑转换器结构层20，且长晶的环境温度为600℃~630℃。其中： InGaAsP层的厚度T2为200nm~600nm，得到如图2b所示的结构。模斑转换器结构层厚度的增加有利降低耦合损耗（如图4a所示），所以模斑转换器结构层上端面高于光放大器有源层12的顶面效果较佳。
工序三：使用MOCVD金属有机化学气相沉积方法在第一包层13与模斑转换器结构层20上方依次沉积第二包层30与InGaAs接触层31，得到晶圆，如图2c所示。
工序四：在工序三后，首先使用通用光刻技术在晶圆上方形成水平方向的波导结构，其中模斑转换器区域的波导宽度由W1连续变化至W2，W1的取值范围是1.5um~2.2um，W2的取值范围是3um~10um，模斑转换器区域的波导长度的取值范围是20um~50um。
工序五：在具有波导结构的晶圆上表面使用PECVD形成一层绝缘层，之后再去除波导结构上表面的绝缘层，露出InGaAs接触层31，然后在InGaAs接触层31与绝缘层上方形成p-金属电极层40，之后将InP基板10背面减薄抛光至100um，并在基板10底面镀上n-金属电极层41；晶圆经过切割后，得到多个光放大器与光电二极管集成芯片半成品，在各个光放大器与光电二极管集成芯片半成品有模斑转换器结构层的一端镀上抗反射镀膜层43，另一端镀上高反射镀膜层42，至此，工艺完成，得到光放大器与光电二极管集成芯片，如图2d所示。
在本发明的实施例：
以下三项实施例为针对模斑转换器进行优化设计，优化设计的过程中，三项实施例使用的模斑转换器结构层材料组分均为x=0.23, y=0.50；取用此组份主要原因为此材料组份于MOCVD成长时易于控制，而如果x与y取值有变动，对模斑转换器造成的耦合损耗趋势是一致的，并不影响实施例对三项模斑转换器优化的结果。
实施例1
本实施例为优化设计刻蚀深度（即端面刻蚀区14的刻蚀底面和光放大器有源层12底面之间的高度差）T1与模斑转换器结构层厚度T2，关于模斑转换器区波导长度Lssc与模斑转换器收光端波导宽度W2的优化，将分别于实施例2与3中逐项进行优化设计。因此于实施例1中，模斑转换器区波导长度Lssc与模斑转换器收光端波导宽度W2将先取用取值范围的中间值（即Lssc=35um与Ｗ2=6.5um），依此中间值对刻蚀深度T1进行优化；优化结果如图4a所示，在模斑转换器结构层厚度 T2达到500nm时，耦合损耗改善趋势已经趋近于饱和，在考量长晶时间与成本考量下，模斑转换器结构层厚度T2=500nm为较佳厚度选择；于此厚度下，刻蚀深度T1为50nm，150nm与250nm的三组条件均达到改善耦合损耗7dB的优势，其中以刻蚀深度T1=150nm相较于50nm与250nm有较低的耦合损耗，因此刻蚀深度T1=150nm为最佳刻蚀深度。
实施例2
本实施例为优化设计模斑转换器区波导长度Lssc，取用实施例1中最佳刻蚀深度T1=150nm与优化后模斑转换器结构层厚度 T2=500nm的为设计前提，模斑转换器收光端波导宽度W2取用取值范围的中间值（Ｗ2=6.5um）；如图4b所示，对模斑转换器区波导长度Lssc为20 um -50 um时的耦合损耗进行测量，在模斑转换器区波导长度Lssc=45um有最低的耦合损耗值可以达到4.9dB，故此长度为最佳波导长度，耦合损耗相较于原实施例1中Lssc=35um能再改善0.6dB。
实施例3
本实施例为优化模斑转换器收光端波导宽度W2, 取用实施例1与2中最佳刻蚀深度T1=150nm, 优化后模斑转换器结构层厚度 T2=500nm与最佳模斑转换器区波导长度Lssc=45um的为设计前提。如图4c所示，在模斑转换器收光端波导宽度W2=8um时，耦合损耗已趋近于饱和值，可以达到小于4dB以内的极低损耗水平，W2宽度再增加改善有限，在考量工艺制作上波导宽度一制性高有利于生产控制的前提，所以W2=8um为最佳波导长度，耦合损耗相较于原实施例2中W2=6.5um的设计，能再改善0.95dB，最终耦合损耗值可以达到3.95dB，此耦合损耗值有利于克服开发边耦合型器件解决光功率损耗的瓶颈。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (9)
1.通讯用光放大器与光电二极管探测器集成元件，其特征在于，包括基板（10），所述基板（10）上沿水平方向依次设置有光电二极管有源层（11）、光放大器有源层（12）和模斑转换器结构层（20），所述模斑转换器结构层（20）位于靠近集成元件的收光端面（15）一侧，所述模斑转换器结构层（20）的底面低于光放大器有源层（12）的底面，所述光电二极管有源层（11）和光放大器有源层（12）上覆盖有第一包层（13），第一包层（13）和模斑转换器结构层（20）上覆盖有第二包层（30），第二包层（30）上自下至上依次覆盖有接触层（31）和p-金属电极层（40），基板（10）下表面镀有n-金属电极层（41）；
所述模斑转换器结构层（20）材料为In1-xGaxAsyP1-y，x的取值范围是0.05~0.32，y的取值范围是0.05~0.69。
2.根据权利要求1所述的通讯用光放大器与光电二极管探测器集成元件，其特征在于，所述x=0.23， y=0. 50。
3.根据权利要求1所述的通讯用光放大器与光电二极管探测器集成元件，其特征在于，所述模斑转换器结构层（20）的厚度T2取值范围为200nm~600nm。
4.根据权利要求1所述的通讯用光放大器与光电二极管探测器集成元件，其特征在于，所述模斑转换器结构层（20）区域的波导宽度自光放大器有源层（12）至收光端面（15）方向由W1变化至W2，W1的取值范围是1.5um~2.2um， W2的取值范围是3um~10um，模斑转换器结构层（20）区域的波导长度Lscc的取值范围是20um~50um。
5.根据权利要求1所述的通讯用光放大器与光电二极管探测器集成元件，其特征在于，所述模斑转换器结构层（20）的一端镀有抗反射镀膜层（43），与抗反射镀膜层（43）相对的一端镀有高反射镀膜层（42）。
6.一种权利要求1所述的通讯用光放大器与光电二极管探测器集成元件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、在基板（10）上制作光电二极管有源层（11）和光放大器有源层（12），在光电二极管有源层（11）和光放大器有源层（12）上沉积第一包层（13），在第一包层（13）表面沉积一层端面刻蚀区的掩模层，然后刻蚀出端面刻蚀区（14）；刻蚀后，端面刻蚀区（14）底部和光放大器有源层（12）底面的高度差为T1；
步骤2、在端面刻蚀区（14）内生长InGaAsP层作为模斑转换器结构层（20）；
步骤3、在第一包层（13）与模斑转换器结构层（20）上方依次沉积第二包层（30）与InGaAs接触层（31），得到晶圆；
步骤4、在晶圆上方形成波导结构，其中模斑转换器区域的波导宽度由W1连续变化至W2；
步骤5、在具有波导结构的晶圆表面形成一层绝缘层，之后再去除波导结构上表面的绝缘层，露出InGaAs接触层（31），然后在InGaAs接触层（31）与绝缘层上方形成p-金属电极层（40），之后将InP基板（10）背面减薄、抛光，并在基板（10）底面镀上n-金属电极层（41），然后切割晶圆，得到多个光放大器与光电二极管集成芯片。
7.根据权利要求6所述的通讯用光放大器与光电二极管探测器集成元件的制备方法，其特征在于，所述T1的取值范围是50nm~250nm。
8.根据权利要求6所述的通讯用光放大器与光电二极管探测器集成元件的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，刻蚀端面刻蚀区（14）时，首先进行干刻，将露出区域刻蚀至光放大器有源层（12）底面以下的位置，再进行湿刻形成端面刻蚀区（14）。
9.根据权利要求6所述的通讯用光放大器与光电二极管探测器集成元件的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，在环境温度为600℃~630℃条件下生长InGaAsP层作为模斑转换器结构层（20）。
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