一种单片集成收发一体光电芯片及集成芯片阵列的制作方法

本发明涉及光电技术领域，更具体地，涉及一种单片集成收发一体光电芯片及集成芯片阵列。

背景技术：

近年来信息技术领域的进步日新月异，从商业、工业、通信、社会服务等各个领域向人们的日常工作、生活的各个方面逐步加速渗透，互联网、云计算、大数据等现代信息技术深刻改变着人类的思维、生产、生活、学习方式，深刻展示了世界发展的前景，并进而更进一步推动了自身的飞速发展。在我国，云计算和大数据服务也受到了极大的关注和推动，国家十二五规划纲要、“十二五”国家战略性新兴产业发展规划将云计算列为新一代信息技术产业的重点领域。2015年《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议》中更具体提到要实施国家大数据战略，这标志着大数据已被国家纳入创新战略层面，成为国家战略计划的核心任务之一。进而，作为大数据战略服务支撑的云计算也同时获得了新的发展契机。目前，国家工信部正在制定大数据产业和云计算的“十三五”发展规划。

技术上看这一重要的“云”基本上由三个同等重要的系统构成。存储用户数据和信息资源的数据中心、联结各个数据中心的网络及联结终端用户到各个数据中心的网络。对于数据中心，其由多层交换机或路由器架构起所有服务器之间的互联通道以及与外部网络的联通与交换，光互联技术在其网络架构中起着决定性作用，几乎所有的交换机和路由器间的连接都由其实现，而且目前光互联技术更进一步渗透到服务器组交换机到服务器和服务器之间的连接领域。光互联的优势包括满足不断更新的应用对多种特性流量的联接需求、节能、交换转变的快速性、波分复用和并行联接的可行性、降低路由节点数、竞争解决和高速的光连接存储。目前已投入使用的100G的光互联方案如下表1所示。

表1：三种100G技术

备注：上表中，MMF：多模光纤；SMF：单模光纤；DFB：分布反馈布拉格。

目前主要研究的光互联技术方案有两种，基于垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)和多模光纤的方案，基于分布反馈布拉格(D绝缘层tributed Feedback Laser，DFB)激光器和单模光纤的方案。对于两种方案其收发端的研究重点是VCSEL和硅光子学集成芯片(Si-Photonics)，其评价主要从三个方面来考虑：考虑集成度的单位体积或面积带宽密度(Gb/s/mm3或Gb/s/mm2)、考虑功耗的单位速率功耗(pJ/bit或mW/Gb/s)以及考虑成本的单位带宽成本($/Gb/s)。而在实际应用中，99％以上的光互联距离都在300m以下，所以基于垂直腔面发射激光器的方案更为业界所重视。

对于垂直腔面发射激光器，自1996年首支VCSEL投入商用以来,已经有超过3亿支激光器应用在数据通信系统中。商用系统中应用的VCSEL传输速率也从1996年的1Gb/s逐步提升到2014年的28Gb/s。研究表明，80％应用多模光纤的互连距离小于100m，目前实际应用中VCSEL通常与符合OM3标准的多模光纤配合使用，可以支持单信道10Gb/s下100m的光互联或25Gb/s下75m的光互联。对于更高的传输速率要求目前通常是采用多光纤通道的并联方式实现，如4×10Gb/s、4×25Gb/s或8×12.5Gb/s等来实现40Gb/s到100Gb/s的传输速率。垂直腔面发射激光由上下两层反射镜(p-DBR和n-DBR)夹持着量子阱(QWs)有源区构成，由正/负电极(p-contact/n-contact)注入的电流被氧化层(oxide layer)形成的窗口限制。

另一方面，从光互联的另一端-接收端来看，多年来没有太多的变化，采用高速的分立GaAs/InGaAs PIN、APD或Ge波导探测器作为接收器件，更进一步尝试与IC集成在一起，以及为了实现波分复用光通信中光信号的波长解复用接收，集成了谐振腔光波滤波器和谐振腔增强型光探测器而提出的多腔波长解复用探测器，如参考文献“Theory and experiments of a three-cavity wavelength-selective photodetector”,Applied Optics(USA),39(24),pp.4263-4269,2000”中。但是对于光互联通道单位体积或面积传输带宽指标来看，它占了将近一半的指标。而且对于更高集成密度的单纤双向信道来看，复杂的光学组件不仅没有降低模组尺寸，反而进一步增加了占用面积。在系统构成中，分立的探测组件也必然对应着单独的耦合封装需求，增加封装的成本。而在激光器与探测器集成方面，目前采用的主要研究思路是将两种器件在Si光学衬底上实现封装集成，并通过Si光学衬底上的光波导实现连接,称之为Si光子集成芯片；而在单片集成方面，一些研究项目将VCSEL与PD在同一芯片上实现了横向的并列集成，如参考文献“Bidirectional Multimode Fiber Interconnection at Gb/s Data Rates With Monolithically Integrated VCSEL–PIN Transceiver Chips，IEEE Photonics Technology Letters，23(15)，pp.1058-1060”所示，但是这一集成方式的缺点是VCSEL和探测器无法同时实现最佳的工作性能，以及将VCSEL在不同的工作状态(正偏工作或反偏工作)分别作为发射光源或光信号探测器，如参考文献“Bidirectional Multimode-Fiber CommunicationLinks Using Dual-Purpose Vertical Cavity Devices，J.of Lightwave Technology,24(3)，pp.1283-1294”所示，但是这一集成方式的缺点是无法同时实现光信号的发射与接收。

技术实现要素：

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的单片集成收发一体光电芯片及集成芯片阵列，整体集成芯片只应用一个光学腔，同时起到光发射上的谐振增强与光吸收上的高透滤波功能，实现光信号的发射与接收，而且实现工艺更加简便。

根据本发明的一个方面，提供一种单片集成收发一体光电芯片，包括衬底、光吸收单元和光发射单元；所述光发射单元的光激射波长构成光电芯片的发射光谱区，所述光吸收单元吸收波长构成光电芯片的吸收光谱区，所述吸收光谱区和所述发射光谱区不重叠；所述光吸收单元包括依次层叠于衬底上的第一半导体材料层、第二半导体材料层和第三半导体材料层；所述光发射单元包括第一反射镜、光学腔和第二反射镜，所述光学腔位于第一反射镜上，所述第二反射镜位于光学腔上；所述光吸收单元和光发射单元纵向垂直集成为一体。

作为优选的，所述第三半导体材料层上设有绝缘层，所述光吸收单元和光发射单元通过绝缘层电隔离。

作为优选的，所述光学腔由In_xGa_yAl_1-x-yAs、In_xGa_yAs_1-x-yP、In_xGa_yAl_1-x-yP、In_xGa_yAl_1-x-yN或In_xGa_yAs_1-x-yN中的一种材料层或多种不同材料层构成，其中，0≤x≤1，0≤y≤1，且x+y≤1；所述光学腔中含有In_xGa_yAl_1-x-yAs，In_xGa_yAs_1-x-yP，In_xGa_yAl_1-x-yP，In_xGa_yAl_1-x-yN或In_xGa_yAs_1-x-yN材料构成的多量子阱或多层量子点有源区，其中0≤x≤1，0≤y≤1，在被注入电流的情况下可激射的光波波长为700nm～1700nm。

作为优选的，所述第一半导体材料层、第二半导体材料层或第三半导体材料层由In_xGa_yAl_1-x-yAs，In_xGa_yAs_1-x-yP，In_xGa_yAl_1-x-yP，In_xGa_yAl_1-x-yN或In_xGa_yAs_1-x-yN中的一种材料层或多种不同材料层构成，其中0≤x≤1，0≤y≤1；其中含有由In_xGa_yAl_1-x-yAs、In_xGa_yAs_1-x-yP、In_xGa_yAl_1-x-yP、In_xGa_yAl_1-x-yN或In_xGa_yAs_1-x-yN半导体材料构成的吸收层，所述吸收层为体结构，多量子阱结构或多层量子点结构，且吸收700nm～1700nm波长的入射光波，其中，0≤x≤1，0≤y≤1，且x+y≤1。

作为优选的，所述吸收光谱区和发射光谱区位于光纤的850nm通信窗口、1310nm通信窗口或1550nm通信窗口

作为优选的，所述光发射单元的光激射方向指向光吸收单元所在方向的反方向。

作为优选的，所述绝缘层由绝缘胶构成，或由In_xAl_yGa_1-x-yAs、In_xAl_yGa_1-x-yP或In_xAl_yGa_1-x-yN半导体材料经湿法氧化工艺转变的绝缘材料构成，其中，0≤x≤1，y≥0.94，且x+y≤1。

作为优选的，所述第一反射镜和第二反射镜为多层由不同材料构成的布拉格反射镜或亚波长光栅反射镜；所述构成布拉格反射镜或亚波长光栅反射镜的材料包括In_xGa_yAl_1-x-yAs、In_xGa_yAs_1-x-yP、In_xGa_yAl_1-x-yP，In_xGa_yAl_1-x-yN、In_xGa_yAs_1-x-yN半导体材料，SiO₂、TiO₂、MgF、Si介质膜材料，其中，0≤x≤1，0≤y≤1，且x+y≤1。

作为优选的，所述第一反射镜、第二反射镜中至少一个反射镜含有至少一层In_xAl_yGa_1-x-yAs、In_xAl_yGa_1-x-yP或In_xAl_yGa_1-x-yN半导体材料，其中0≤x≤1，y≥0.94，x+y≤1，且该层半导体材料经湿法氧化工艺部分氧化为绝缘材料并构成注入电流限制窗口。

作为优选的，所述光吸收单元为PIN光电探测器、雪崩光电探测器或单行载流子光电探测器。

一种集成芯片阵列，包括若干如上所述的单片集成收发一体光电芯片。

本申请提出一种单片集成收发一体光电芯片，将光发射单元和光吸收单元纵向叠加集成在一起，利用光发射单元的光学谐振腔结构，使光发射单元的光学谐振腔在激光器的发射波长上形成高Q的谐振腔结构，光发射单元谐振腔的两个反射镜的反射率均大于96％，以利用激光器的激射，而在光吸收单元的探测光谱区则形成一个宽光谱(＞5nm)的的高透射(透射率>50％)低反射(反射率<50％)的光谱区，以提高光吸收单元半导体光电探测器的量子效率。整体集成芯片只应用一个光学腔，同时起到光发射上的谐振增强与光吸收上的高透滤波功能，可以同时实现光信号的发射与接收，而且实现工艺更加简便。

附图说明

图1是本发明实施例1中集成芯片的结构示意图；

图2是本发明实施例2中集成芯片的结构示意图；

图3是本发明实施例中第一反射镜所实现的反射谱示意图；

图4是本发明实施例中第二反射镜所实现的反射谱示意图；

图5是本发明中集成芯片整体结构的反射光谱示意图；

图6是本发明实施例中第一反射镜所实现的反射谱示意图；

图7是本发明实施例中第二反射镜所实现的反射谱示意图；

图8是本发明中集成芯片整体结构的反射光谱示意图；

图9是本发明中实施例5中集成芯片的结构介绍示意图；

图10是本发明中实施例6中集成芯片的结构介绍示意图；

图11是本发明中实施例7中集成芯片的结构介绍示意图；

图12是本发明实施例8中集成芯片阵列的介绍示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1示出了一种单片集成收发一体光电芯片，包括衬底1、光吸收单元和光发射单元；所述光发射单元的光激射方向指向光吸收单元所在方向的反方向；所述光发射单元的光激射波长构成光电芯片的发射光谱区，所述光吸收单元吸收波长构成光电芯片的吸收光谱区，所述吸收光谱区和所述发射光谱区不重叠；所述光吸收单元包括依次层叠于衬底1上的第一半导体材料层2、第二半导体材料层3和第三半导体材料层4，所述第三半导体材料上设有绝缘层5，所述光吸收单元和光发射单元通过绝缘层5电隔离；所述光发射单元包括第一反射镜6、光学腔7和第二反射镜8，所述光学腔7位于第一反射镜6上，所述第二反射镜8位于光学腔7上；光吸收单元接收的位于吸收光谱区的信号光经过光发射单元后入射，而光发射单元的反射谱在吸收光谱区具有低于50％的反射率。

所述第一半导体材料层2、第二半导体材料层3、第三半导体材料层4、绝缘层5、第一反射镜6、第二反射镜8可以是n型掺杂，p型掺杂，本征无掺杂或非特意掺杂；所述光学腔7为本征区或非特意掺杂区。

作为优选的，所述光学腔7又In_xGa_yAl_1-x-yAs、In_xGa_yAs_1-x-yP、In_xGa_yAl_1-x-yP、In_xGa_yAl_1-x-yN或In_xGa_yAs_1-x-yN中的一种材料层或多种不同的材料层构成，所述光学腔中含有In_xGa_yAl_1-x-yAs，In_xGa_yAs_1-x-yP，In_xGa_yAl_1-x-yP，In_xGa_yAl_1-x-yN或In_xGa_yAs_1-x-yN材料构成的多量子阱或多层量子点有源区，其中0≤x≤1，0≤y≤1，在被注入电流的情况下可激射的光波波长为700nm～1700nm。

作为优选的，所述第一半导体材料层2、第二半导体材料层3或第三半导体中包括由In_xGa_yAl_1-x-yAs、In_xGa_yAs_1-x-yP、In_xGa_yAl_1-x-yP、In_xGa_yAl_1-x-yN或In_xGa_yAs_1-x-yN半导体材料构成的吸收层，所述吸收层为多量子阱或量子点结构，且吸收700nm～1700nm波长的入射光波，其中，0≤x≤1，0≤y≤1。

作为优选的，所述吸收光谱区和发射光谱区位于光纤的850nm通信窗口、1310nm通信窗口或1550nm通信窗口

作为优选的，所述光发射单元的光激射方向指向光吸收单元所在方向的反方向。

作为优选的，所述第一半导体材料层2、第二半导体材料层3、第三半导体材料层4和所述光学腔7为In_xGa_yAl_1-x-yAs，In_xGa_yAs_1-x-yP，In_xGa_yAl_1-x-yP，In_xGa_yAl_1-x-yN或In_xGa_yAs_1-x-yN中的一种或多种材料层构成，其中，0≤x≤1，0≤y≤1。

作为优选的，所述绝缘层5由绝缘胶构成，或由In_xAl_yGa_1-x-yAs、In_xAl_yGa_1-x-yP或In_xAl_yGa_1-x-yN半导体材料经湿法氧化工艺转变的绝缘材料构成，其中，0≤x≤1，y≥0.94。

作为优选的，所述第一反射镜6和第二反射镜8为多层由不同材料构成的布拉格反射镜或亚波长光栅反射镜；所述构成布拉格反射镜或亚波长光栅反射镜的材料包括In_xGa_yAl_1-x-yAs、In_xGa_yAs_1-x-yP、In_xGa_yAl_1-x-yP，In_xGa_yAl_1-x-yN、In_xGa_yAs_1-x-yN半导体材料，SiO₂、TiO₂、MgF、Si介质膜材料。

作为优选的，所述第一反射镜6、第二反射镜8中至少一个反射镜含有至少一层In_xAl_yGa_1-x-yAs、In_xAl_yGa_1-x-yP或In_xAl_yGa_1-x-yN半导体材料，其中0≤x≤1，y≥0.94，且该层半导体材料经湿法氧化工艺部分氧化为绝缘材料并构成注入电流限制窗口。

作为优选的，所述光吸收单元为PIN光电探测器、雪崩光电探测器或单行载流子光电探测器。

实施例1

本实施例提供的单片集成收发一体光电芯片的基本结构如图1所示，其中衬底1为n型掺杂的GaAs，第一半导体材料层2为300nm厚n型掺杂Al_0.2Ga_0.8As层，第二半导体材料层3由1600nm厚本征的或非特意掺杂GaAs构成的光吸收层，第三半导体材料层4由300nm厚p型掺杂的Al_0.2Ga_0.8As层和10nm厚p型掺杂的GaAs层构成，第一半导体材料层2，第二半导体材料层3和第三半导体材料层4构成的光吸收单元构成PIN光电探测器结构。第一反射镜6为33对n型掺杂的Al_0.9Ga_0.1As/Al_0.1Ga_0.9As材料构成的反射镜，其反射谱示意图如图3所示。光学腔7由本征的或非特意掺杂的Al_0.2Ga_0.8As/MQW/Al_0.2Ga_0.8As构成，谐振波长位于集成芯片发射光谱区，其中MQW是由5对4nm厚的In_0.07Ga_0.93As阱区和6nm厚Al_0.37Ga_0.63As势垒构成。第二反射镜8由29对p型掺杂的Al_0.9Ga_0.1As/Al_0.1Ga_0.9As材料构成的反射镜，靠近光学腔7侧为第一对。在第二反射镜8中第1对和第2对Al_0.9Ga_0.1As/Al_0.1Ga_0.9As材料间插入一层30nm厚的p掺杂Al_0.96Ga_0.04As并在器件加工中通过湿法氧化将其氧化为Al₂O₃绝缘层5，中心留出6微米直径的区域不氧化，作为注入电流限制窗口。第二反射镜8具有如图4所示意的反射谱。图5示意了集成芯片整体结构的反射谱。从图3，4，45可以看到，第一反射镜6，第二反射镜8以及集成芯片整体结构的反射光谱均在吸收光谱区具有低的反射率(反射率低于50％)，而在发射光谱区第一反射镜6和第二反射镜8具有高的反射率(反射率大于90％)，而集成芯片整体结构的反射光谱由于光发射单元的光学谐振腔作用，在位于发射光谱区的光学谐振波长上反射率降低。本实施例集成芯片的吸收光谱区和发射光谱区位于光纤850nm附近的通信窗口。

实施例2

本实施例提供的单片集成收发一体光电芯片的基本结构如图2所示，其中衬底1为p型掺杂的GaAs，第一半导体材料层2为300nm厚p型掺杂Al_0.2Ga_0.8As层，第二半导体材料层3由1600nm厚本征的或非特意掺杂GaAs构成的光吸收层，第三半导体材料层4由300nm厚n型掺杂的Al_0.2Ga_0.8As层和10nm厚n型掺杂的GaAs层构成，第一半导体材料层2，第二半导体材料层3和第三半导体材料层4构成的光吸收单元构成PIN光电探测器结构。绝缘层5为30nm厚的n型掺杂Al_0.98Ga_0.02As材料并在器件工艺实现中通过湿法氧化将其完全氧化为Al₂O₃层来实现光吸收器单元和光发射单元的电隔离。第一反射镜6为33对n型掺杂的Al_0.9Ga_0.1As/Al_0.1Ga_0.9As材料构成的反射镜，其反射谱示意图如图3所示。光学腔7由本征的或非特意掺杂的Al_0.2Ga_0.8As/MQW/Al_0.2Ga_0.8As构成，谐振波长位于集成芯片发射光谱区，其中MQW是由5对4nm厚的In_0.07Ga_0.93As阱区和6nm厚Al_0.37Ga_0.63As势垒构成。第二反射镜8由29对p型掺杂的Al_0.9Ga_0.1As/Al_0.1Ga_0.9As材料构成的反射镜，靠近光学腔7侧为第一对。在第二反射镜8中第1对和第2对Al_0.9Ga_0.1As/Al_0.1Ga_0.9As材料间插入一层30nm厚的p掺杂Al_0.96Ga_0.04As并在器件加工中通过湿法氧化将其氧化为Al₂O₃绝缘层5，中心留出6微米直径的区域不氧化，作为注入电流限制窗口。第二反射镜8具有如图4所示意的反射谱。图5示意了集成芯片整体结构的反射谱。从图3，4，5可以看到，第一反射镜6，第二反射镜8以及集成芯片整体结构的反射光谱均在吸收光谱区具有低的反射率(反射率低于50％)，而在发射光谱区第一反射镜6和第二反射镜8具有高的反射率(反射率大于90％)，而集成芯片整体结构的反射光谱由于光发射单元的光学谐振腔作用，在位于发射光谱区的光学谐振波长上反射率降低。本实施例集成芯片的吸收光谱区和发射光谱区位于光纤850nm附近的通信窗口。

实施例3

本实施例提供的单片集成收发一体光电芯片的基本结构如图2所示，其中衬底1为p型掺杂的GaAs，第一半导体材料层2为300nm厚p型掺杂GaAs层，第二半导体材料层3由本征的或非特意掺杂GaAs/MQW/GaAs构成，其中MQW由10对InGaAs/GaAs量子阱构成，作为光吸收区，吸收光谱区位于光纤的1310nm光通信窗口，第三半导体材料层4由300nm厚n型掺杂的GaAs层构成，第一半导体材料层2，第二半导体材料层3和第三半导体材料层4构成的光吸收单元构成PIN光电探测器结构。绝缘层5为30nm厚的n型掺杂Al_0.98Ga_0.02As材料并在器件工艺实现中通过湿法氧化将其完全氧化为Al₂O₃层来实现光吸收器单元和光发射单元的电隔离。第一反射镜6为33对n型掺杂的Al_0.9Ga_0.1As/GaAs材料构成的反射镜，其反射谱示意图如图3所示。光学腔7由本征的或非特意掺杂的GaAs/MQW/GaAs构成，谐振波长位于集成芯片发射光谱区(位于光纤的1310nm光通信窗口)，其中MQW由3对6nm厚的In_0.35N_0.018Ga_0.632As阱区和25nm厚的GaAs势垒构成。第二反射镜8由29对p型掺杂的Al_0.9Ga_0.1As/GaAs材料构成的反射镜，靠近光学腔7侧为第一对。在第二反射镜8中第1对和第2对Al_0.9Ga_0.1As/GaAs材料间插入一层30nm厚的p掺杂Al_0.96Ga_0.04As并在器件加工中通过湿法氧化将其氧化为Al₂O₃绝缘层5，中心留出13微米直径的区域不氧化，作为注入电流限制窗口。第二反射镜8具有如图4所示意的反射谱。图5示意了集成芯片整体结构的反射谱。从图3，4，5可以看到，反射镜第一反射镜6，第二反射镜8以及集成芯片整体结构的反射光谱均在吸收光谱区具有低的反射率(反射率低于50％)，而在发射光谱区第一反射镜6和第二反射镜8具有高的反射率(反射率大于90％)，而集成芯片整体结构的反射光谱由于光发射单元的光学谐振腔作用，在位于发射光谱区的光学谐振波长上反射率降低。本实施例集成芯片的吸收光谱区和发射光谱区位于光纤1310nm附近的通信窗口。

实施例4

本实施例提供的单片集成收发一体光电芯片的基本结构如图2所示，其中衬底1为p型掺杂的GaAs，第一半导体材料层2为300nm厚p型掺杂GaAs层，第二半导体材料层3由本征的或非特意掺杂GaAs/MQW/GaAs构成，其中MQW由10对InGaAs/GaAs量子阱构成，作为光吸收区，吸收光谱区位于光纤的1310nm光通信窗口，第三半导体材料层4由300nm厚n型掺杂的GaAs层构成，第一半导体材料层2，第二半导体材料层3和第三半导体材料层4构成的光吸收单元构成PIN光电探测器结构。绝缘层5为30nm厚的n型掺杂Al_0.98Ga_0.02As材料并在器件工艺实现中通过湿法氧化将其完全氧化为Al₂O₃层来实现光吸收器单元和光发射单元的电隔离。第一反射镜6为33对n型掺杂的Al_0.9Ga_0.1As/GaAs材料构成的反射镜，其反射谱示意图如图6所示。光学腔7由本征的或非特意掺杂的GaAs/量子点有源区/GaAs构成，谐振波长位于集成芯片发射光谱区(位于光纤的1310nm光通信窗口)，其中量子点有源区是由5组每组3层GaAs上的InAs量子点构成。第二反射镜8由29对p型掺杂的Al_0.9Ga_0.1As/GaAs材料构成的反射镜，靠近光学腔7侧为第一对。在第二反射镜8中第1对和第2对Al_0.9Ga_0.1As/GaAs材料间插入一层30nm厚的p掺杂Al_0.96Ga_0.04As并在器件加工中通过湿法氧化将其氧化为Al₂O₃绝缘层5，中心留出13微米直径的区域不氧化，作为注入电流限制窗口。第二反射镜8具有如图7所示意的反射谱。图8示意了集成芯片整体结构的反射谱。从图6，7，8可以看到，第一反射镜6，第二反射镜8以及集成芯片整体结构的反射光谱均在吸收光谱区具有低的反射率(反射率低于50％)，而在发射光谱区第一反射镜6和第二反射镜8具有高的反射率(反射率大于90％)，而集成芯片整体结构的反射光谱由于光发射单元的光学谐振腔作用，在位于发射光谱区的光学谐振波长上反射率降低。本实施例集成芯片的吸收光谱区和发射光谱区位于光纤1310nm附近的通信窗口。

实施例5

本实施例提供的单片集成收发一体光电芯片的基本结构如图9所示，其中衬底1为p型掺杂的GaAs，第一半导体材料层2为300nm厚p型掺杂GaAs层，第二半导体材料层3由本征的或非特意掺杂GaAs/MQW/GaAs构成，其中MQW由10对InGaAs/GaAs量子阱构成，作为光吸收区，吸收光谱区位于光纤的1310nm光通信窗口，第三半导体材料层4由300nm厚n型掺杂的GaAs层构成，第一半导体材料层2，第二半导体材料层3和第三半导体材料层4构成的光吸收单元构成PIN光电探测器结构。绝缘层5为30nm厚的n型掺杂Al_0.98Ga_0.02As材料并在器件工艺实现中通过湿法氧化将其完全氧化为Al₂O₃层来实现光吸收器单元和光发射单元的电隔离。第一反射镜6为33对n型掺杂的Al_0.9Ga_0.1As/GaAs材料构成的反射镜，其反射谱示意图如图3所示。光学腔7由500nm厚的p掺杂GaAs，30nm厚的p掺杂Al_0.96Ga_0.04As以及本征的或非特意掺杂的GaAs/量子点有源区/GaAs构成，谐振波长位于集成芯片发射光谱区(位于光纤的1310nm光通信窗口)，其中量子点有源区是由5组每组3层GaAs上的InAs量子点构成，而Al_0.96Ga_0.04As层在器件加工中通过湿法氧化将其氧化为Al₂O₃绝缘层5，中心留出13微米直径的区域不氧化，作为注入电流限制窗口。第二反射镜8是由Si/SiO₂材料的亚波长光栅构成。第二反射镜8具有如图4所示意的反射谱。图5示意了集成芯片整体结构的反射谱。从图3，4，5可以看到，第一反射镜6，第二反射镜8以及集成芯片整体结构的反射光谱均在吸收光谱区具有低的反射率(反射率低于50％)，而在发射光谱区第一反射镜6和第二反射镜8具有高的反射率(反射率大于90％)，而集成芯片整体结构的反射光谱由于光发射单元的光学谐振腔作用，在位于发射光谱区的光学谐振波长上反射率降低。本实施例集成芯片的吸收光谱区和发射光谱区位于光纤1310nm附近的通信窗口。

实施例6

如图10所示，其中衬底1为p型掺杂的InP，第一半导体材料层2，第二半导体材料层3，第三半导体材料层4由InGaAlAs/InGaAs/InGaAsP/InP材料构成雪崩光电探测器结构(APD)，其吸收光谱区位于光纤的1550nm光通信窗口。第一反射镜6是由Si/SiO₂材料的亚波长光栅构成，具有如图3所示意的反射谱。绝缘层5为BCB绝缘胶构成的绝缘层5，并且用于粘合在另一InP衬底1上制作的光学腔7和第二反射镜8。光学腔7由10nm厚n型掺杂InGaAs，300nm厚n型掺杂InP以及本征的或非特意掺杂的InP/MQW/InP构成，光学腔7和绝缘层5共同构成的谐振腔谐振波长位于集成芯片的发射光谱区(位于光纤的1550nm光通信窗口)，其中MQW是由6对InAlGaAs/InGaAsP量子阱构成。第二反射镜8由p型掺杂45对InAlGaAs/InGaAsP材料构成，具有如图4所示意的反射谱。粘合工艺完成后将位于第二反射镜8一侧的InP衬底1去除。图5示意了集成芯片整体结构的反射谱。从图3，4，5可以看到，第一反射镜6，第二反射镜8以及集成芯片整体结构的反射光谱均在吸收光谱区具有低的反射率(反射率低于50％)，而在发射光谱区第一反射镜6和第二反射镜8具有高的反射率(反射率大于90％)，而集成芯片整体结构的反射光谱由于光发射单元的光学谐振腔作用，在位于发射光谱区的光学谐振波长上反射率降低。本实施例集成芯片的吸收光谱区和发射光谱区位于光纤1550nm附近的通信窗口。

实施例7

如图11所示，其中衬底1为n型掺杂的InP，第一半导体材料层2，第二半导体材料层3，第三半导体材料层4由InGaAlAs/InGaAs/InGaAsP/InP材料构成单行载流子光电探测器结构(UTC-PD)，其吸收光谱区位于光纤的1550nm光通信窗口。第一反射镜6是由Si/SiO₂材料的亚波长光栅构成，具有如图6所示意的反射谱。绝缘层5为BCB绝缘胶构成的绝缘层5，并且用于粘合在另一InP衬底上制作的光学腔7和第二反射镜8。光学腔7由10nm厚p型掺杂InGaAs，300nm厚p型掺杂InP以及本征的或非特意掺杂的InP/MQW/InP构成，光学腔7和绝缘层5共同构成的谐振腔谐振波长位于集成芯片的发射光谱区(位于光纤的1550nm光通信窗口)，其中MQW是由6对InAlGaAs/InGaAsP量子阱构成。第二反射镜8由n型掺杂45对InAlGaAs/InGaAsP材料构成，具有如图7所示意的反射谱。粘合工艺完成后将位于第一半导体材料层2一侧的InP衬底1去除。图8示意了集成芯片整体结构的反射谱。从图6，7，8可以看到，第一反射镜6，第二反射镜8以及集成芯片整体结构的反射光谱均在吸收光谱区具有低的反射率(反射率低于50％)，而在发射光谱区第一反射镜6和第二反射镜8具有高的反射率(反射率大于90％)，而集成芯片整体结构的反射光谱由于光发射单元的光学谐振腔作用，在位于发射光谱区的光学谐振波长上反射率降低。本实施例集成芯片的吸收光谱区和发射光谱区位于光纤1550nm附近的通信窗口。

实施例8

如图12所示，由实施例1所实现的单片集成收发一体光电芯片所构成的集成芯片阵列。

本申请提出一种单片集成收发一体光电芯片，将光发射单元和光吸收单元纵向叠加集成在一起，利用光发射单元的光学谐振腔结构，使光发射单元的光学谐振腔在激光器的发射波长上形成高Q的谐振腔结构，光发射单元谐振腔的两个反射镜的反射率均大于96％，以利用激光器的激射，而在光吸收单元的探测光谱区则形成一个宽光谱(＞5nm)的的高透射(透射率>50％)低反射(反射率<50％)的光谱区，以提高光吸收单元半导体光电探测器的量子效率。整体集成芯片只应用一个光学腔7，同时起到光发射上的谐振增强与光吸收上的高透滤波功能，可以同时实现光信号的发射与接收，而且实现工艺更加简便。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。