一种单片集成pon网络onu端光收发芯片及其制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种单片集成PON网络ONU端光收发芯片及其制作方法，所述芯片包括光波导和制作在其中的光器件；所述方法包括如下步骤：(1).一次外延波导材料，形成增益材料与吸收材料的层叠结构；(2).选择区域腐蚀顶层材料，并在滤波器区域制作布拉格光栅，形成不同器件的波导芯层；(3).二次外延盖层材料，形成p-i-n结构；(4).刻蚀出脊型波导，直至腐蚀停止层；(5).制作有源器件的正负电极；步骤2中所述的不同器件包括：激光器、滤波器、功率探测器和信号探测器。本发明提供的单片集成PON网络ONU端光收发芯片及其制作方法，将分立的光发射器件和光接收器件集成在一个芯片内，可以使光收发模块进一步小型化，降低封装成本。
【专利说明】一种单片集成PON网络ONU端光收发芯片及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体器件以及制造领域，具体涉及一种单片集成PON网络ONU端光收发芯片及其制作方法。
【背景技术】
[0002]无源光网络(PON)是指一种点对多点的光接入技术及相应的系统，其系统由光线路终端(OLT)、光分配网络(ODN)、光网络单元(ONU)三部分组成，ODN只包含无源器件或设备，不包含有源器件或设备。PON网络ONU端的光收发模块要实现发送上行光信号和接收下行光信号的功能，由单纤双向光学组件(BOSA)和控制/驱动电路组成。现有的BOSA采用分立器件空间耦合的方式组成，有源器件包含光发射和光接收器件，光发送器件的工作波段为1260nm-1360nm，通常为TO封装的FP激光器或者DFB激光器芯片；光接收器件的工作波段为1480nm-1500nm，通常为TO封装的PIN探测器或者APD探测器芯片。图1为采用现有技术的光收发模块(Optical Transceiver)的结构示意图,半导体激光器(LD)与激光功率探测器(MPD)共同封装在一个TO管壳中，将上行数据从电信号转换为光信号，透射过薄膜滤波片(TFF)，经过透镜耦合进入光纤；信号探测器(PD)与跨阻放大器(TIA)共同封装在另一个TO管壳中，从光纤接收的下行光信号被TFF反射进入该TO管壳，被H)吸收转换为电流信号后被TIA转换为电压信号并放大。
[0003]采用现有技术的BOSA组件，包含两个位置相互垂直的TO管壳，一个TFF滤波片等组成，其体积较大，难以继续小型化，组件成本较高；需要对准上行和下行两路光，耦合成本较闻。
【发明内容】
[0004]为克服上述缺陷，本发明提供了一种单片集成PON网络ONU端光收发芯片及其制作方法，解决现有技术中分立光器件组成的单纤双向光收发组件体积大、耦合封装成本高的问题。
[0005]为实现上述目的，本发明提供一种单片集成PON网络ONU端光收发芯片，其改进之处在于，所述芯片包括光波导和制作在其中的光器件。
[0006]本发明提供的优选技术方案中，所述光波导是条形光波导。
[0007]本发明提供的第二优选技术方案中，所述光器件包括沿着所述光波导依次排列的激光器、滤波器、功率探测器和信号探测器。
[0008]本发明提供的第三优选技术方案中，所述激光器，在电流信号驱动下，发射上行光信号，上行波段包括1260nm-1360nm ;滤波器,反射上行波段的光并透射下行波段的光；功率探测器，吸收透射过滤波器的上行波段的光，转换为电流信号用于监测激光器的平均光功率；信号探测器，吸收下行光信号，下行波段包括1480nm-1500nm。
[0009]本发明提供的第四优选技术方案中，在激光器一端的光波导端口为光输入输出端口 ；所述光输入输出端口发出上行光信号，并耦合进入光波导的下行光信号。[0010]本发明提供的第五优选技术方案中，提供一种单片集成PON网络ONU端光收发芯片的制造方法，其改进之处在于，所述方法包括如下步骤:
[0011](I).一次外延波导材料，形成增益材料与吸收材料的层叠结构；
[0012](2).选择区域腐蚀顶层材料，并在滤波器区域制作布拉格光栅(I)，形成不同器件的波导芯层；
[0013](3).二次外延盖层材料，形成p-1-n结构；
[0014](4).刻蚀出脊型波导，直至腐蚀停止层；
[0015](5).制作有源器件的正负电极；
[0016]步骤2中所述的不同器件包括:激光器、滤波器、功率探测器和信号探测器。
[0017]本发明提供的第六优选技术方案中，在所述步骤I中，增益材料的带隙波长为1.3微米；吸收材料的带隙波长为1.5微米。
[0018]本发明提供的第七优选技术方案中，所述步骤I包括:在η型InP半导体衬底上，通过金属氧化物化学气相沉积(MOCVD)方法依次生长η型InP缓冲层(6)、i型下限制层
(5)、i型多量子阱层⑷、i型上限制层(3)和i型InGaAs吸收层⑵；其中，所述i型下限制层和所述i型上限制层采用带隙波长介于InP衬底(7)带隙和激射波长之间的InGaAsP或者AlGaInAs四元化合物半导体。
[0019]本发明提供的第八优选技术方案中，所述i型多量子阱层由量子阱和垒交替生长得到，阱和垒采用InGaAsP或者AlGaInAs材料制造；所述i型多量子阱层的增益峰值波长是1.3微米。
[0020]本发明提供的第九优选技术方案中，在所述步骤2中，将激光器、滤波器、功率探测器区域的顶层i型InGaAs吸收层腐蚀掉，再将滤波器区域的i型上限制层和i型多量子阱层腐蚀掉，在滤波器区域的i型下限制层上制作布拉格光栅结构。
[0021]本发明提供的第十优选技术方案中，布拉格光栅结构通过电子束曝光或者全息曝光制作。
[0022]本发明提供的较优选技术方案中，在所述步骤3中，通过MOCVD方法，依次外延i型InP光栅掩埋层(9)、i型InGaAsP腐蚀停止层、p型InP盖层(8)和p型InGaAs接触层
(10)。
[0023]本发明提供的第二较优选技术方案中，在所述步骤4中，光刻形成条形掩膜保护层，通过湿法腐蚀用不同的腐蚀液依次去掉条形掩膜两侧的P型InGaAs接触层和p型InP盖层，利用InP腐蚀液的选择腐蚀性控制腐蚀的深度到达腐蚀停止层；沿条形掩膜腐蚀而成的脊型结构折射率高于两侧空气，形成脊型光波导。
[0024]本发明提供的第三较优选技术方案中，所述条形掩膜保护层的宽度为3微米。
[0025]本发明提供的第四较优选技术方案中，在所述步骤5中，所述有源器件包括激光器、功率探测器和信号探测器；所述步骤5包括如下步骤:
[0026](5-1).在滤波器区的波导上方、功率探测器区与信号探测器之间的波导上方腐蚀顶层的P型InGaAs接触层，并向下刻蚀出隔离槽(14)或者进行离子注入；
[0027](5-2)在芯片表面沉积一层SiO2或者SiNx的绝缘介质膜(15)，并将激光器、功率探测器和信号探测器区域脊波导顶层的介质膜腐蚀掉，露出P型InGaAS接触层；
[0028](5-3).在芯片表面溅射Ti/Au金属P电极层，并腐蚀出激光器、功率探测器和信号探测器的P电极(11，12，13)的图形；
[0029](5-4).减薄衬底，在芯片背面衬底上蒸发Au/Ge/Ni合金并退火，再在背面衬底上蒸发Cr/Au形成公用的η电极(16)。
[0030]与现有技术比，本发明提供的一种单片集成PON网络ONU端光收发芯片及其制作方法，针对现有的分立光器件组成的单纤双向光收发组件体积大、耦合封装成本高等问题，将分立的光发射器件和光接收器件集成在一个芯片内，可以使光收发模块进一步小型化，降低封装成本；而且，上行信号和下行信号在集成芯片内有一个公共输入输出口，降低耦合成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]图1为现有技术的光收发模块结构示意图。
[0032]图2为单片集成PON网络ONU端光收发芯片的实施例结构示意图。
[0033]图3为单片集成PON网络ONU端光收发芯片的制作方法步骤I的过程实施例示意图。
[0034]图4为单片集成PON网络ONU端光收发芯片的制作方法步骤2的过程实施例示意图。
[0035]图5为单片集成PON网络ONU端光收发芯片的制作方法步骤3的过程实施例示意图。
[0036]图6为单片集成PON网络ONU端光收发芯片的制作方法步骤4的过程实施例示意图。
[0037]图7为单片集成PON网络ONU端光收发芯片的制作方法步骤5的过程实施例示意图。
【具体实施方式】
[0038]本发明提出单片集成光收发芯片的技术方案，将上行光信号的发射芯片和下行光信号的接收芯片集成在同一个芯片内，在芯片内实现光耦合和光滤波，只需要单个TO封装管壳，减小BOSA组件体积，降低组件成本；上行信号和下行信号在集成芯片内有一个公共输入输出口，降低I禹合成本。
[0039]本发明针对分立光器件组成的单纤双向光收发组件体积大、耦合封装成本高等问题，提出了单片集成光收发芯片及其制作方法，将分立的光发射器件和光接收器件集成在一个芯片内，使得光收发模块进一步小型化和封装成本的降低成为可能。
[0040]本发明的单片集成光收发芯片包括:激光器(LD)、滤波器、功率探测器(MPD)、信号探测器(PD)、光波导、光输入输出端口。其结构示意图如图2所示。
[0041]激光器，在电流信号驱动下，发射上行光信号，上行波段为1260nm-1360nm。
[0042]滤波器，无源器件，反射大部分上行波段的光，透射下行波段的光。
[0043]功率探测器，完全吸收透射过滤波器的小部分上行波段的光，转换为电流信号用于监测激光器的平均光功率。
[0044]信号探测器，吸收下行光信号，下行波段为1480nm-1500nm。
[0045]光波导,在芯片内所有的光信号被限制在同一个条形光波导中，为激光器、滤波器、功率探测器和信号探测器所共有，并且在条形光波导中，激光器、滤波器、功率探测器和信号探测器依次排列。
[0046]光输入输出端口，在激光器一端的光波导端口为公用的光输入输出端口，上行光信号从该端口发出，下行光信号通过该端口耦合进入光波导。
[0047]参见图3-7，单片集成光收发芯片的制作方法包括以下步骤:
[0048]步骤1、一次外延波导材料，形成带隙波长约1.3微米的增益材料与带隙波长约
1.5微米的吸收材料的层叠结构。
[0049]在η型InP半导体衬底上，通过金属氧化物化学气相沉积(简称M0CVD)方法依次生长η型InP缓冲层(6)、i型下限制层(5)、i型增益峰值在1.3微米附近的多量子阱层
(4)、i型上限制层(3)、i型InGaAs吸收层(2)。其中，下限制层和上限制层采用带隙波长介于InP衬底(7)带隙和激射波长之间的InGaAsP或者AlGaInAs四元化合物半导体；多量子阱层由量子阱与垒交替生长得到，阱和垒材料是组分不同的InGaAsP或者AlGaInAs材料。
[0050]步骤2、选择区域腐蚀顶层材料，并在滤波器区域制作布拉格光栅，形成不同器件的波导芯层。
[0051]将激光器、滤波器、功率探测器区域的顶层InGaAs吸收层腐蚀掉，再将滤波器区域的上限制层和多量子阱层腐蚀掉，在滤波器区域的下限制层上通过电子束曝光或者全息曝光制作布拉格光栅结构(I)，光栅周期由其反射的波长决定。
[0052]步骤3、二次外延盖层材料,形成p-1-n结构。
[0053]通过MOCVD方法，依次外延i型InP光栅掩埋层(9)、i型InGaAsP腐蚀停止层、p型InP盖层(8)和P型InGaAs接触层(10)。
[0054]步骤4、刻蚀出脊型波导，直至腐蚀停止层。
[0055]光刻形成3微米左右的条形掩膜保护层,通过湿法腐蚀(wet etching)用不同的腐蚀液依次去掉条形掩膜两侧的P型InGaAs接触层、p型InP盖层，利用InP腐蚀液的选择腐蚀性控制腐蚀的深度到达腐蚀停止层。沿条形掩膜腐蚀而成的脊型结构折射率高于两侧空气，即为脊型光波导。
[0056]步骤5、制作有源器件(激光器、功率探测器、信号探测器)的正负电极。
[0057]在滤波器区的波导上方、功率探测器区与信号探测器之间的波导上方腐蚀顶层的P型InGaAs接触层，并向下刻蚀出隔离槽(14)或者离子注入提高有源器件之间的电隔离。
[0058]在芯片表面沉积一层SiO2或者SiNx的绝缘介质膜(15)，并将激光器、功率探测器和信号探测器区域脊波导顶层的介质膜腐蚀掉，露出P型InGaAS接触层。
[0059]在芯片表面溅射Ti/Au金属P电极层，并腐蚀出激光器、功率探测器和信号探测器的P电极(11，12，13)的图形。
[0060]减薄衬底，在芯片背面衬底上蒸发Au/Ge/Ni合金并退火，再在背面衬底上蒸发Cr/Au形成公用的η电极(16)。
[0061]需要声明的是，本
【发明内容】
及【具体实施方式】意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理启发下，可作各种修改、等同替换、或改进。但这些变更或修改均在申请待批的保护范围内。
【权利要求】
1.一种单片集成PON网络ONU端光收发芯片，其特征在于，所述芯片包括光波导和制作在其中的光器件。
2.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述光波导是条形光波导。
3.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述光器件包括沿着所述光波导依次排列的激光器、滤波器、功率探测器和信号探测器。
4.根据权利要求1-3任一项所述的芯片，其特征在于，所述激光器，在电流信号驱动下，发射上行光信号，上行波段包括1260nm-1360nm ;滤波器，反射上行波段的光并透射下行波段的光；功率探测器，吸收透射过滤波器的上行波段的光，转换为电流信号用于监测激光器的平均光功率；信号探测器，吸收下行光信号，下行波段包括1480nm-1500nm。
5.根据权利要求4所述的芯片,其特征在于,在激光器一端的光波导端口为光输入输出端口；所述光输入输出端口发出上行光信号，并耦合进入光波导的下行光信号。
6.一种单片集成PON网络ONU端光收发芯片的制造方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤: (1).一次外延波导材料，形成增益材料与吸收材料的层叠结构； (2).选择区域腐蚀顶层材料，并在滤波器区域制作布拉格光栅(I)，形成不同器件的波导芯层； (3).二次外延盖层材料,形成p-1-n结构； (4).刻蚀出脊型波导，直至腐蚀停止层； (5).制作有源器件的正负电极； 步骤2中所述的不同器件包括:激光器、滤波器、功率探测器和信号探测器。
7.根据权利要求6所述的芯片制造方法，其特征在于，在所述步骤I中，增益材料的带隙波长为1.3微米；吸收材料的带隙波长为1.5微米。
8.根据权利要求7所述的芯片制造方法，其特征在于，所述步骤I包括:在η型InP半导体衬底上，通过金属氧化物化学气相沉积(MOCVD)方法依次生长η型InP缓冲层(6)、i型下限制层(5)、i型多量子阱层⑷、i型上限制层(3)和i型InGaAs吸收层⑵；其中，所述i型下限制层和所述i型上限制层采用带隙波长介于InP衬底(7)带隙和激射波长之间的InGaAsP或者AlGaInAs四元化合物半导体。
9.根据权利要求8所述的芯片制造方法，其特征在于，所述i型多量子阱层由量子阱和垒交替生长得到，阱和垒采用InGaAsP或者AlGaInAs材料制造；所述i型多量子阱层的增益峰值波长是1.3微米。
10.根据权利要求6-9任一项所述的芯片制造方法，其特征在于，在所述步骤2中，将激光器、滤波器、功率探测器区域的顶层i型InGaAs吸收层腐蚀掉，再将滤波器区域的i型上限制层和i型多量子阱层腐蚀掉，在滤波器区域的i型下限制层上制作布拉格光栅结构。
11.根据权利要求10所述的芯片制造方法，其特征在于，布拉格光栅结构通过电子束曝光或者全息曝光制作。
12.根据权利要求6-9任一项所述的芯片制造方法，其特征在于，在所述步骤3中，通过MOCVD方法，依次外延i型InP光栅掩埋层(9)、i型InGaAsP腐蚀停止层、p型InP盖层(8)和P型InGaAs接触层(10)。
13.根据权利要求6-9任一项所述的芯片制造方法，其特征在于，在所述步骤4中，光刻形成条形掩膜保护层，通过湿法腐蚀用不同的腐蚀液依次去掉条形掩膜两侧的P型InGaAs接触层和P型InP盖层，利用InP腐蚀液的选择腐蚀性控制腐蚀的深度到达腐蚀停止层；沿条形掩膜腐蚀而成的脊型结构折射率高于两侧空气，形成脊型光波导。
14.根据权利要求13所述的芯片制造方法，其特征在于，所述条形掩膜保护层的宽度为3微米。
15.根据权利要求6-9任一项所述的芯片制造方法，其特征在于，在所述步骤5中，所述有源器件包括激光器、功率探测器和信号探测器；所述步骤5包括如下步骤: (5-1).在滤波器区的波导上方、功率探测器区与信号探测器之间的波导上方腐蚀顶层的P型InGaAs接触层，并向下刻蚀出隔离槽(14)或者进行离子注入； (5-2)在芯片表面沉积一层SiO2或者SiNx的绝缘介质膜(15)，并将激光器、功率探测器和信号探测器区域脊波导顶层的介质膜腐蚀掉，露出P型InGaAs接触层； (5-3).在芯片表面溅射Ti/Au金属P电极层，并腐蚀出激光器、功率探测器和信号探测器的P电极(11，12，13)的图形； (5-4).减薄衬底，在芯片背面衬底上蒸发Au/Ge/Ni合金并退火，再在背面衬底上蒸发Cr/Au形成公用的η电极(1 6)。
【文档编号】H01L31/173GK103456829SQ201210173670
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2012年5月30日 优先权日:2012年5月30日
【发明者】汪洋, 汪波涛, 李明维, 王东山 申请人:国家电网公司, 国网电力科学研究院