可集成光电器件及其制作方法、多个光电器件的集成方法与流程

本发明属于光电领域，尤其涉及一种可集成光电器件及其制作方法、多个光电器件的集成方法。

背景技术：

随着集成电路(ic)电子器件时钟频率的不断提高和集成密度的大幅上升，使用传统电子连接的芯片间及芯片上集成的解决方案遇到了过大的能耗和带宽限制的问题。在ic系统中，连接不同功能部分并传输信号的总线的时钟频率远远低于各个电子器件的时钟频率。从而导致电子线路而非单个器件的连接成为了限制系统速度的瓶颈。

在130nm技术条件下，为了避免微处理器功耗损耗在电子线路连接上，1984年首次提出了光互联技术，使用三五族化合物半导体(iii-v)制作的光电器件，并将光电器件，例如iii-v激光器、光电探测器、光调制器以及si波导集成在一个芯片上，从而突破能耗和带宽限制的问题。

然而，目前通常采用键合技术集成iii-v与si波导，其键合技术又需要严格的平整性以及光滑表面，而iii-v衬底与si衬底大小不同，从而限制了键合技术在大规模工业生产中的应用，并且soi衬底较为昂贵，不利于成本控制。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供一种可集成光电器件，旨在解决现有采用键合技术集成iii-v与si波导过程中由于衬底限制导致集成化应用局限、成本高的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种可集成光电器件，所述器件包括：

基底，所述基底为多层结构，所述基底从底至顶底依次包括衬底以及在所述衬底上依次逐层生长出的第一n型接触层、n型包层、第二n型接触层、有源区、p型接触层和无定型硅波导层；

硅波导区，所述硅波导区通过将所述无定型硅波导层第一次刻蚀为条状结构形成，所述硅波导区的两侧均暴露出条状的p型接触层。

本发明实施例的另一目的在于，提供一种可集成光电器件的制作方法，所述方法包括下述步骤：

制作基底，所述基底从底至顶依次为衬底，在所述衬底上依次逐层生长形成的第一n型接触层、n型包层、第二n型接触层、有源区、p型接触层和有无定型硅波导层；

将所述无定型硅波导层刻蚀为条状结构，使条状结构的无定型硅波导层的两侧均暴露出条状的p型接触层，将条状结构的无定型硅波导层作为硅波导区。

本发明实施例的另一目的在于，提供一种多个光电器件的集成方法，所述集成方法包括下述步骤：

在基底中形成多个上述的光电器件；

在各光电器件的硅波导区和/或iii-v族化合物波导区进行光传导，以实现器件间的光耦合；

在所述光电器件之间深刻蚀形成纵向深槽，以实现镜面耦合和器件隔离。

本发明实施例通过iii-v的直接生长，在iii-v或着si衬底上一次性直接生长各种iii-v光电器件层状结构，并使用无定型硅(a-si)和sio2为光波导，连接各个器件，避免使用键合技术和昂贵的soi衬底，制作工艺简单，有利于大规模低成本生产。

附图说明

图1为本发明实施例提供的波导的剖面图；

图2为本发明实施例提供的光电探测器或光调制器的剖面图；

图3为本发明实施例提供的激光器的剖面图；

图4为本发明实施例提供的集成光电探测器、光调制器和激光器的结构的侧视图；

图5为本发明实施例提供的集成光电探测器、光调制器和激光器的结构的俯视图；

图6为本发明实施例提供的多个光电器件的集成方法的流程结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例通过iii-v的直接生长，在iii-v或着si衬底上一次性直接生长各种iii-v光电器件层状结构，并使用无定型硅(a-si)和sio2为光波导，连接各个器件，避免使用键合技术和昂贵的soi衬底，制作工艺简单，有利于大规模低成本生产。

作为本发明一实施例，该可集成光电器件可以是波导、光电探测器、光调制器以及激光器等，通过光互联代替电子线路连接，从而降低ic中的能耗损失，突破ic的带宽限制。

图1示出了本发明实施例提供的波导的剖面结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

作为本发明一实施例，该波导的结构包括：

基底，该基底为层状结构，从底至顶底依次包括衬底2以及在衬底2上依次逐层生长出的第一n型接触层3、n型包层4、第二n型接触层5、有源区6、p型接触层7和无定型硅波导层8；

硅波导区9a，硅波导区9a通过将无定型硅波导层8第一次刻蚀为条状结构形成，硅波导区9a的两侧均暴露出条状的p型接触层7。

在本发明实施例中，基底中的无定型硅波导层8、p型接触层7、有源区6、第二n型接触层5、n型包层4、第一n型接触层3是在衬底2上逐层生长出来的，是没有图形的，而硅波导区9a是指无定型硅波导层8刻蚀掉了部分后形成的具有条形结构的剩下的部分。

本发明实施例还提供了一种可集成光电器件的制作方法，以下针对波导的制作方法进行说明，该集成方法包括下述步骤：

步骤s101，制作基底，基底从底至顶依次为衬底2，在衬底2上依次逐层生长形成的第一n型接触层3、n型包层4、第二n型接触层5、有源区6、p型接触层7和有无定型硅波导层8；

步骤s102，将无定型硅波导层8刻蚀为条状结构，使条状结构的无定型硅波导层8的两侧均暴露出条状的p型接触层7，将条状结构的无定型硅波导层8作为硅波导区9a。

在本发明实施例中，将刻蚀后的具有条形结构的无定型硅波导层8作为硅波导区9a，该无定型硅波导层8根据实际需求设定厚度，在不同的应用中其厚度需求有差异，经刻蚀形成的条状的硅波导区9a能够实现光传导，以及在多个光电器件之间进行光通信，比如连接半导体激光器和半导体光电探测器，从而降低传输损耗。

本发明实施例通过iii-v的直接生长，在iii-v或着si衬底上一次性直接生长各种iii-v光电器件层状结构，并使用无定型硅(a-si)和sio2为光波导，连接各个器件，避免使用键合技术和昂贵的soi衬底，制作工艺简单，有利于大规模低成本生产。

图2示出了本发明实施例提供的光电探测器或光调制器的剖面结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

作为本发明一实施例，该光电探测器或光调制器包括：

基底，该基底为层状结构，从底至顶底依次包括衬底2以及在衬底2上依次逐层生长出的第一n型接触层3、n型包层4、第二n型接触层5、有源区6、p型接触层7和无定型硅波导层8；

硅波导区9a，硅波导区9a通过将无定型硅波导层8第一次刻蚀为条状结构形成，硅波导区9的两侧均暴露出条状的p型接触层7；

iii-v族化合物波导区9b，iii-v族化合物波导区9b通过将所述p型接触层7和所述有源区6在硅波导区9a两侧进行第二次刻蚀为条状结构形成，iii-v族化合物波导区9b的条状结构的宽度大于硅波导区9a的条状结构的宽度；

在本发明实施例中，第一次刻蚀无定型硅波导层8后暴露出p型接触层7，第二次刻蚀p型接触层7和有源区6后暴露出第二n型接触层5，并且p型接触层7和有源区6的条状结构的宽度大于无定型硅波导层8的条状结构的宽度。

值得说明的是，基底中的无定型硅波导层8、p型接触层7、有源区6、第二n型接触层5、n型包层4、第一n型接触层3是在衬底2上逐层生长出来的，是没有图形的。而硅波导区9a是指第一次刻蚀后的无定型硅波导层8，是指具有条形结构的部分，iii-v族化合物波导区9b是指第二次刻蚀后的p型接触层7、有源区6，也是指具有条形结构的部分。

该光电探测器或光调制器还包括：

第三金属接触区10，第三金属接触区10为硅波导区9a的两侧均暴露出条状的p型接触层7；

第二金属接触区11，第二金属接触区11为通过刻蚀掉iii-v族化合物波导区9b两侧的部分p型接触层7、有源区6，使刻蚀后的p型接触层7和有源区6的两侧暴露出条状的部分第二n型接触层5形成，p型接触层7和有源区6的刻蚀图形相同；

第二金属接触区11和第三金属接触区10通过ebeam(electronbeam，电子束蒸发)形成金属接触。

在形成第二金属接触区11的同时形成了有源区6。

本发明实施例还提供了一种可集成光电器件的制作方法，结合图2，以下针对光电探测器或光调制器的制作方法进行说明，该集成方法包括下述步骤：

步骤s201，制作基底，基底从底至顶依次为衬底2，在所述衬底2上依次逐层生长形成的第一n型接触层3、n型包层4、第二n型接触层5、有源区6、p型接触层7和有无定型硅波导层8；

步骤s202，将无定型硅波导层8第一次刻蚀为条状结构，使条状结构的无定型硅波导层8的两侧均暴露出条状的p型接触层7，将条状结构的无定型硅波导层8作为硅波导区9a；

步骤s203，在硅波导区9a两侧通过第二次刻蚀形成的条状的p型接触层7和有源区6，作为iii-v族化合物波导区9b，iii-v族化合物波导区9b的条状结构的宽度大于硅波导区的条状结构的宽度；

步骤s204，第二次刻蚀后条状结构的p型接触层7和有源区6的两侧暴露出条状的第二n型接触层5，将暴露的第二n型接触层5作为第二金属接触区11，p型接触层7和有源区6的刻蚀图形相同；

步骤s205，将条状结构的无定型硅波导层8的两侧均暴露出条状的p型接触层7作为第三金属接触区10；

步骤s206，分别在第二金属接触11和第三金属接触区10通过ebeam形成金属接触。

在本发明实施例中，将刻蚀后的具有条形结构的无定型硅波导层8作为硅波导区9a，将刻蚀后的具有条形结构的p型接触层7和有源区6作为iii-v族化合物波导区9b，第二金属接触区11和第三金属接触区10均为条状结构，第二金属接触区11位于刻蚀后的有源区的两侧，第三金属接触区10位于硅波导区9a两侧。金属接触区采用半导体材料，在形成器件时进一步在金属接触区上沉积金属从而与金属实现欧姆接触。

本发明实施例通过iii-v的直接生长，在iii-v或着si衬底上一次性直接生长各种iii-v光电器件层状结构，并使用无定型硅(a-si)和sio2为光波导，连接各个器件，避免使用键合技术和昂贵的soi衬底，制作工艺简单，有利于大规模低成本生产。

图3示出了本发明实施例提供的激光器的剖面结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

作为本发明一实施例，该激光器包括：

基底，该基底为层状结构，从底至顶底依次包括衬底2以及在衬底2上依次逐层生长出的第一n型接触层3、n型包层4、第二n型接触层5、有源区6、p型接触层7和无定型硅波导层8；

硅波导区9a，硅波导区9a通过将无定型硅波导层8第一次刻蚀为条状结构形成，硅波导区9a的两侧均暴露出条状的p型接触层7；

iii-v族化合物波导区9b，iii-v族化合物波导区9b通过将p型接触层7、有源区6、第二n型接触层5、n型包层4在硅波导区两侧进行第二次刻蚀为条状结构形成，iii-v族化合物波导区9b的条状结构的宽度大于硅波导区9a的条状结构的宽度；

在本发明实施例中，第一次刻蚀无定型硅波导层8后暴露出p型接触层7，第二次刻蚀p型接触层7、有源区6、第二n型接触层5、n型包层4后暴露出第一n型接触层3，并且p型接触层7和有源区6、第二n型接触层5、n型包层4的条状结构的宽度大于无定型硅波导层8的条状结构的宽度。

值得说明的是，基底中的无定型硅波导层8、p型接触层7、有源区6、第二n型接触层5、n型包层4、第一n型接触层3是在衬底2上逐层生长出来的，是没有图形的。而硅波导区9a是指第一次刻蚀后的无定型硅波导层8，是指具有条形结构的部分，iii-v族化合物波导区9b是指第二次刻蚀后的p型接触层7、有源区6、第二n型接触层5、n型包层4，也是指具有条形结构的部分。

该激光器还包括：

第三金属接触区10，第三金属接触区10为硅波导区9a的两侧均暴露出条状的部分p型接触层7；

第一金属接触区14，第一金属接触区14通过刻蚀掉硅波导区9a两侧的部分p型接触层7、有源区6、第二n型接触层5、n型包层4，使刻蚀后的p型接触层7、有源区6、第二n型接触层5、n型包层4两侧暴露出条状的第一n型接触层3形成，p型接触层7和有源区6、第二n型接触层5、n型包层4的刻蚀图形相同；

第一金属接触区14和第三金属接触区10通过ebeam形成金属接触。

在形成第一金属接触区14的同时形成了有源区。

在本发明实施例中，硅波导区9a为条状结构，与iii-v族化合物波导区9b共同形成激光器波导；由于iii-v族化合物波导区9b中的p型接触层7会对激光产生较大的吸收，因此该层应该尽量薄，例如设置为50纳米厚。

第一金属接触区14和第三金属接触区10均为条状结构，第一金属接触区14位于n型包层4的两侧，第三金属接触区10位于波导区9两侧。金属接触区采用半导体材料，在形成器件时进一步在金属接触区上沉积金属从而与金属实现欧姆接触。

作为本发明一优选实施例，该激光器还可以包括：

电流隔离区13，电流隔离区13为刻蚀后的n型包层4中进行离子注入或氧化的部分，电流隔离区13位于硅波导区两侧对应的n型包层中，优选采用氢离子注入形成。

刻蚀后的n型包层在经过离子注入或氧化后快速退火形成n型功能区12，n型功能区12包括电流隔离区13。

值得说明的是，电流隔离区13仅仅是指离子注入或氧化的部分，而n型功能区12包括了离子注入或氧化的部分，也包括未进行离子注入或氧化的原n型包层4的部分，即n型包层4包括电流隔离区13。

在本发明实施例中，硅波导区9a下面的n型包层4没有经受氢离子注入，其他地方的n型功能区经受氢离子注入。有氢离子注入的位置，电阻率变大，从而隔断电流通过。使得，激光器工作的时候，光场中心与电流密度最大的位置重合，从而提高激光量子效率。

本发明实施例还提供了一种可集成光电器件的制作方法，结合图3，以下针对激光器的制作方法进行说明，该集成方法包括下述步骤：

步骤s301，制作基底，基底从底至顶依次为衬底2，在衬底2上依次逐层生长形成的第一n型接触层3、n型包层4、第二n型接触层5、有源区6、p型接触层7和有无定型硅波导层8；

步骤s302，将无定型硅波导层8刻蚀为条状结构，使条状结构的无定型硅波导层8的两侧均暴露出条状的p型接触层7，将条状结构的无定型硅波导层8作为硅波导区9a；

步骤s303，在硅波导区9a两侧通过第二次刻蚀形成的条状的p型接触层7、有源区6、第二n型接触层5、n型包层4，作为iii-v族化合物波导区9b，iii-v族化合物波导区9b的条状结构的宽度大于硅波导区9a的条状结构的宽度；

在本发明实施例中，硅波导区9a是指第一次刻蚀后的无定型硅波导层8，是指具有条形结构的部分，iii-v族化合物波导区9b是指第二次刻蚀后的p型接触层7、有源区6、第二n型接触层5、n型包层4，也是指具有条形结构的部分。

步骤s304，将条状结构的无定型硅波导层8的两侧均暴露出条状的p型接触层7作为第三金属接触区；

可选地，步骤s305，通过离子注入(或者氧化)在n型包层4中注入氢离子(或者氧化)后快速退火，形成n型功能区12；

在步骤s305中，刻蚀后的n型包层中进行离子注入或氧化的部分作为电流隔离区13，电流隔离区13位于n型功能区12中硅波导区9a两侧对应的区域。

步骤s306，刻蚀掉硅波导区9a两侧的部分p型接触层7、有源区6、第二n型接触层5、n型包层4，使刻蚀后的p型接触层7、有源区6、第二n型接触层5、n型包层4两侧暴露出条状的第一n型接触层3，将暴露的第一n型接触层3作为第一金属接触区，p型接触层7和有源区6、第二n型接触层5、n型包层4的刻蚀图形相同；

步骤s307，分别在第一金属接触区14和第三金属接触区10通过ebeam形成金属接触。

在本发明实施例中，硅波导区9a下面的n型功能区12没有经受氢离子注入，其他地方的n型功能区经受氢离子注入。有氢离子注入的位置，电阻率变大，从而隔断电流通过。使得，激光器工作的时候，光场中心与电流密度最大的位置重合，从而提高激光量子效率。

优选地，可以使用fib在激光器两端制作镜面。

在本发明实施例中，n型包层4是指材料生长的层状结构，没有经历过其他任何加工工艺。n型功能区12是指n型包层经过比如离子注入后形成的有特定功能的区域。n型功能区12通过离子注入方法在n型包层中注入离子形成。硅波导9a下面的n型功能区12没有经受离子注入，其他地方的n型功能区经受离子注入。有离子注入的位置，电阻率变大，从而隔断电流通过。

在上述实施例中，均可以优选使用fresco刻蚀溶液刻蚀形成波导区和第三金属接触区。

在上述实施例中，均可以优选使用干法刻蚀或者湿法刻蚀形成第一金属接触区和第二金属接触区。

在本发明实施例中，该可集成光电器件作为光电探测器、光调制器以及激光器件的时候，其光场中心强度位于有源区6中。

本发明实施例通过iii-v的直接生长，在iii-v或着si衬底上一次性直接生长各种iii-v光电器件层状结构，并使用无定型硅(a-si)和sio2为光波导，连接各个器件，避免使用键合技术和昂贵的soi衬底，制作工艺简单，有利于大规模低成本生产。

图6示出了本发明实施例提供的多个光电器件的集成方法的流程结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

作为本发明一实施例，结合图4和图5，该多个光电器件的集成方法包括下述步骤：

步骤s401，在基底中形成多个上述实施例中的任一光电器件；

步骤s402，在各光电器件的硅波导9a和/或iii-v族化合物波导区进行光传导，以实现器件间的光耦合；

步骤s403，在光电器件之间深刻蚀形成纵向深槽，以实现镜面耦合和器件隔离。

作为本发明一优选实施例，在步骤s403中，深槽21的深度优选大于2微米。

下面以集成光电探测器、光调制器和激光器为例进行说明。

结合图4和图5，15为p金属接触，16为n金属接触，即做完器件后，与金属接触层接触的金属，通过ebeam打上形成金属接触。

激光器20和其他器件通过fib深刻蚀形成深槽21及激光镜面，深槽21深度大于2微米；深槽21可以使得其他器件，例如光电探测器18，和光调制器19隔离，激光器20的第三金属接触区10和第一金属接触区14分别通过ebeam工艺形成金属接触；

激光器20发出的光通过深槽21形成的镜面与光调制器19进行耦合，经过光调制器19的调制，倏逝波方式耦合入硅波导9a；

硅波导9a由于波导厚度优化，可以将光大部分限制在硅波导9a中，而且硅波导9a下部从衬底2至p型接触层7的区域，通过氢离子注入，形成大电阻区域，阻止光调制器19和光电探测器18的电学耦合。

在本发明实施例中，镜面耦合通过深刻蚀形成半导体镜面，通过光耦合集成不同器件；光波导耦合通过刻蚀在硅波导区9a形成波导，通过光耦合集成不同器件。

硅波导区9a的层状结构厚度不同于iii-v族化合物波导区的层状结构厚度。可以调整无定型硅波导层8里面的层状结构，使光场强度所在位置集中于上部硅波导区9a或者下部iii-v化合物波导区。

值得说明的是，在图1、图2、图3中，图形右侧的附图标记均代表生长出或者未进过处理的原始层状结构，图形左侧的附图标记均代表进过刻蚀、离子注入或者氧化等工艺处理后的结构。

本发明实施例通过iii-v族元素的直接生长，例如通过mbe(molecularbeamepitaxy，分子束外延)和mocvd(metal-organicchemicalvapordeposition，有机金属化学气相沉积法)方法，在iii-v或着si衬底上一次性直接生长各种iii-v光电器件层状结构，并使用无定型硅(a-si)和sio2为光波导，连接各个器件，避免使用键合技术和昂贵的soi衬底，制作工艺简单，有利于大规模低成本生产。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。