CN1453599A - 硅基光子集成的器件及制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种锗硅的光波导器件，包括一个SiGe的波导阵列光栅的波长复用/解复用器和一组SiGe的光探测器。它工作光波长范围1.1～1.6微米。制作方法为：器件基片通过一次外延得到，先生长低Ge组分的SiGe导波层；然后生长具有高Ge组分的SiGe光探测层；器件含复用/解复用器和探测器两部分，用刻蚀方法将复用/解复用器部分上的高组分的SiGe层腐蚀掉，然后在复用/解复用器部分制作波导阵列光栅，在探测器部分制作波导型光探测器。

Description

硅基光子集成的器件及制作方法
技术领域
本发明涉及一种将锗硅(SiGe：Silicon Germanium)的波导型复用/解复用器和SiGe的波导探测器集成的设计思想和制作工艺。特别涉及SiGe波导阵列光栅(AWG：Arrayed Waveguide Grating)和SiGe探测器的集成设计思想和制作方法。
背景技术
形成平板光波导的条件是将一种高折射率的材料置于两种低折射率的材料中间，以形成对光的图2是探测器部分探测器阵列中的一个探测器与一个AWG输出波导连接在一起的三维结构示意图。制作用。由于SiGe材料的折射率随Ge的组分增加而增加，可用组分较高的SiGe单层和多层可以形成波导的导波层，用空气、SiO2(二氧化硅)或Si作波导的包层。三维的光波导可以通过刻蚀平板波导获得。设计光波导的尺寸、位置、曲率半径并通过波导连接构成平面光波回路。
SiGe材料的吸收边随Ge组分增加而增加，可以通过改变组分实现SiGe对不同波长光的探测功能。另一方面，在Si衬底上生长的SiGe层由于应变效应，带隙收缩会使吸收边红移，可用制作波长范围在1.1～1.6μm的探测器。
平面光波回路中复用/解复用器的功能是将光网络中不同波长的载波实现空间分离，然后使用光电探测器使之转化为电信号以方便存储和处理。通常，复用/解复用器和光探测器是两个分立的器件，因此需要用光纤通过耦合将它们连接起来。如果能将复用/解复用器和光探测器集成在同一基片上，将大大减小器件之间光纤耦合损耗和由于光纤耦合带来的制作成本的提高。利用SiGe材料的折射率和吸收边对Ge组分的依赖关系，既可以用SiGe来制作平面波导回路又可用它来实现光探测功能。将用SiGe制作的复用/解复用器和光探测器集成在同一Si基片上，这样会大大减小系统的成本，且与Si集成工艺和SiGe BiCMOS兼容。
本发明针对上述特点，利用SiGe既可制成平面光波回路，又能实现光电检测，提出将SiGe AWG解复用器和SiGe探测器单片集成的设计思想和制作方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硅基光子集成的器件及制作方法，其优点在于制作工艺简单，价格便宜，且与Si集成工艺和SiGe BiCMOS兼容，可用于光网络中的信息下载。
本发明一种硅基光子集成的器件，其特征在于，用硅锗制作平面光波回路的解复用器将光网络中不同波长的载波实现空间分离，然后通过集成在同一芯片上的多个硅锗光电探测器，实现光电转化。
其中解复用器包括：输入波导列阵，该输入波导列阵通过星形耦合器与波导光栅耦合，该波导光栅通过过星形耦合器与输出波导列阵耦合。
本发明一种新型的硅基光子集成器件的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：在硅衬底上外延生长一层较厚的低锗组分的硅锗层作为导波层；再在上面生长一层高锗组分的硅锗光探测层；然后利用光刻工艺将样品表面分成两个部分，其中一部分腐蚀上面的高组组分硅锗层，作为制作解复用器的部分；另一部分保留，作为制作硅锗探测器部分；用刻蚀方法制作波导AWG和波导型探测器，两者用波导直接连接。
其中光探测层的锗组分要高于导波层的锗组分。
其中导波层采用硅锗单层，硅锗/硅多层结构，多层起伏的硅锗/硅量子阱或多层硅锗/硅岛或量子点来构成。
其中光探测层采用硅锗单层，多层硅锗/硅多量子阱，多层起伏的硅锗/硅量子阱或多层硅锗/硅岛或量子点来构成。
其中导波层的上包层可以是空气、硅和二氧化硅。
其中硅锗波导探测器可制成PIN结构或MSM结构。
其中硅锗波导探测器的电极可以制成微带传输线结构。
附图说明
以下结合附图来说明本发明的技术特征，其中：
图1是锗硅的波长复用/解复用器和探测器集成的器件示意图；
图2是探测器部分探测器阵列中的一个探测器与一个AWG输出波导连接在一起的三维结构示意图。
具体实施方式
请参阅图2，本发明一种硅基光子集成器件的制作方法为：在Si衬底11上外延生长一层较厚的低Ge组分的SiGe层作为导波层12；再在导波层12上面生长一层高Ge组分的SiGe光探测层13；然后利用光刻工艺将样品表面分成两个部分，其中一部分腐蚀去上面的高Ge组分SiGe层，用以制作复用/解复用器；未腐蚀的另一部分，用以制作SiGe探测器。两者通过适宜的波导连接。
SiGe导波层12的组分与SiGe光探测层组分可以根据系统工作波长来选择。要使得导波层12的吸收边能力大于工作波长对应能量而尽量减小吸收损耗，SiGe光探测层13的吸收边能量则要小于工作波长对应能量，以获得尽量高效率的光电转换。SiGe材料的吸收边能量随Ge组分增加而减小，因此光探测层13的Ge组分要高于导波层12的Ge组分。
其中，外延生长过程要受临界厚度限制(即生长晶格质量完整的SiGe层其厚度不能超过特定厚度)。实际中，对于波导区域，为了有效耦合又要求较厚的SiGe导波层(＞1μm)，可利用生长SiGe/Si多层结构来实现较厚的SiGe导波层。对于SiGe探测区，也可以采用此方法制作。
对于工作于长波长SiGe探测器，量子阱的量子限制效应中产生的吸收边蓝移，使工作波长处的吸收减小，从而降低探测器的探测效率。可以采用起伏的SiGe多量子阱或Ge/Si三维岛(量子点)的多层结构来制作吸收区。它可以增加对应波长的吸收系数而又不会产大量的位错，使材料质量劣化。
SiGe波导的上包层可以用采用空气、SiO2或Si。用空气作上包层时，解复用器部分被刻蚀掉光探测层后，SiGe导波层制作成AWG后暴露于空气。用SiO2作上包层时，解复用器部分被刻蚀掉光探测层后，将SiGe波导层制作成AWG后淀积SiO2上包层。用Si作上包层时，要在低Ge组分的SiGe导波层和上面的高Ge组分的光探测层之间生长一层Si层，刻蚀Si层或Si层和SiGe层形成AWG。
SiGe AWG是由输入波导列阵，星形耦合器(平板波导)，波导光栅和输出波导列阵四部分构成，它们可以通过干法或湿法刻蚀一次完成。其设计参数取决于器件要求的工作波长、通道数目和通道间隔。以工作中心波长为1.552524μm，通道数为8，通道间隔为100Hz，AWG复用/解复用器为例，其相应设计参数如下表所示。
表1 SiGe AWG的设计参数，SiGe的组分为0.05，厚度为0.8μm，Si包层厚1.2μm，对应波长的Si和SiGe的折射率分别为3.476和3.4915(TE模式)。
中心波长 1.552524μm
通道数 8
通道间隔 100Hz
平板波导焦距 4340.9μm
阵列光程差 46.4μm
阵列波导数目 52
波导间最小间隔 10.2μm
波导宽 6μm
衍射级数 106
插入损耗(模拟值) ＜6dB
串扰(模拟值) ＜-30dB
其中，SiGe波导探测器可制成PIN结构或MSM结构。对PIN结构可以在生长低Ge组分SiGe波导层后生长一层P(N)掺杂欧姆接触层(可以是Si也可以是SiGe，为避免光的传播损耗，掺杂不能太高)，然后再生长高Ge组分的SiGe光探测层，最后生长N(P)的欧姆接触层14。MSM结构探测器不需要欧姆接触层，只要在上层高Ge组分的SiGe光探测层上制作叉指状金属电极15。
为实现探测器的高速响应SiGe波导探测器的金属电极可以制成微带传输线结构。为了增加探测器的响应速度并且减小探测器的长度，可以制作共振腔增强的SiGe探测器。
光探测层的Ge组分要高于导波层的Ge组分，相应的光探测层的折射率要高于导波层，光在传播的过程中会从导波层逐渐耦合到探测层，而被吸收。因此复用/解复用器和探测器之间用直的波导连接即可。
请参阅图1，其中A为复用/解复用器部分，B为探测器部分。复用/解复用器是由一个SiGe波导阵列光栅(AWG)构成，AWG由输入波导列阵1，星形耦合器2，波导光栅3和输出波导列阵4，其中解复用器包括：输入波导列阵1，该输入波导列阵1通过星形耦合器2与波导光栅3耦合，该波导光栅3通过过星形耦合器2与输出波导列阵4耦合。其中输出波导列阵的数目取决于器件所需要的解复用波长的数目(图中画出的为四个波长)。探测器部分由SiGe的探测器阵列5构成。两部分由AWG的输出波导4连接。
请参阅图2是探测器部分探测器阵列中的一个探测器与一个AWG输出波导连接在一起的三维结构示意图。其中11为Si衬底，22为SiGe导波层，13为SiGe光探测层，14为上电极欧姆接触层，15为电极。其中导波层12可采用生长SiGe/Si多层结构来实现较厚的适中Ge组分SiGe导波层。其中光探测层13可以是单层高Ge组分SiGe，适中Ge组分SiGe/Si多量子阱，多层起伏的SiGe/Si量子阱或多层Ge/Si岛或量子点。制作PIN结构探测器时，在生长SiGe波导层12后再生长一层高掺杂的欧姆接触层14，也可以对SiGe波导层掺杂，作为下电极的接触层。制作MSM结构探测器时，图中上电极接触层不需要，直接将叉指状电极制作在SiGe光探测层上。

Claims (9)

1、一种硅基光子集成的器件，其特征在于，用硅锗制作平面光波回路的解复用器将光网络中不同波长的载波实现空间分离，然后通过集成在同一芯片上的多个硅锗光电探测器，实现光电转化。
2、根据权利要求1所述的硅基光子集成的器件，其特征在于，其中解复用器包括：输入波导列阵，该输入波导列阵通过星形耦合器与波导光栅耦合，该波导光栅通过过星形耦合器与输出波导列阵耦合。
3、一种硅基光子集成器件的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
在硅衬底上外延生长一层较厚的低锗组分的硅锗层作为导波层；
再在上面生长一层高锗组分的硅锗光探测层；
然后利用光刻工艺将样品表面分成两个部分，其中一部分腐蚀上面的高组组分硅锗层，作为制作解复用器的部分；另一部分保留，作为制作硅锗探测器部分；
用刻蚀方法制作波导AWG和波导型探测器，两者用波导直接连接。
4、根据权利要求3所述的硅基光子集成器件的制作方法，其特征在于：其中光探测层的锗组分要高于导波层的锗组分。
5、根据权利要求3所述的硅基光子集成器件的制作方法，其特征在于：其中导波层采用硅锗单层，硅锗/硅多层结构，多层起伏的硅锗/硅量子阱或多层硅锗/硅岛或量子点来构成。
6、根据权利要求3所述的硅基光子集成器件的制作方法，其特征在于：其中光探测层采用硅锗单层，多层硅锗/硅多量子阱，多层起伏的硅锗/硅量子阱或多层硅锗/硅岛或量子点来构成。
7、根据权利要求3所述的硅基光子集成器件的制作方法，其特征在于：其中导波层的上包层可以是空气、硅和二氧化硅。
8、根据权利要求3所述的硅基光子集成器件的制作方法，其特征在于：其中硅锗波导探测器可制成PIN结构或MSM结构。
9、根据权利要求3所述的硅基光子集成器件的制作方法，其特征在于：其中硅锗波导探测器的电极可以制成微带传输线结构。
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