一种可见光通信的微型阵列光收发集成芯片及制作方法与流程

本发明涉及半导体光电子器件技术领域，特别是一种可见光通信的微型阵列光收发集成芯片及制作方法。

背景技术：

作为一种利用波长在380nm到790nm范围内的可见光进行数据通信的无线光传输技术——可见光通信(visiblelightcommunication,vlc)技术，由于其具有拓宽频谱资源、绿色节能、高速可移动接入等特点，能满足海量数据对通信系统的高速率和低时延所提出的更高要求，在以实现“万物感知、万物互联、万物互联”为特征的智能时代，正受到世界各国广泛关注。可见光通信最大的优势是高速，目前已有的vlc实验可以实现每秒十几吉比特的传输速率，这一优势使得可见光通信成为未来智能时代b5g/6g超高速泛在光联网中一种不可或缺的无线通信方式。

与传统无线通信系统类似，可见光通信系统结构由三个部分组成，包括可见光信号发射端、可见光信号传输信道和可见光信号接收端。led是目前广泛应用的低成本光发射器件，然而，现有商用led的3db调制带宽小于100mhz，限制了其高速传输。单个发光像素尺寸小于100μm的micro-led，由于其几何电容和注入电流的有源区要比传统的大面积led小很多，因此具有更高的调制带宽。相关研究报道的实验结果表明，micro-led带宽可达655mhz，在低于前向纠错(fec)阈值(7％)的情况下，实现了7.91gbp/s的传输速率。在可见光通信光接收端所使用的光电探测器多为pin型光电二极管和雪崩光电二极管(apd)。其中，pin型光电二极管由于技术相对成熟、成本低、适用场合限制较少等特点，是目前可见光通信系统的主要选择。与led作为光发射器件相似，光电探测器其结电容与接收光功率之间也存在相互折中的问题，制约了探测器的响应速度，通过设计光电探测器阵列能够平衡这一问题。有文献报道的实验结果表明，以gan/ingan多量子阱结构的光电探测器微米阵列(micro-pd)为接收器件，其带宽可达300mhz，在1m的传输距离下采用qam-ofdm信号调制技术的可见光通信实验，实现了7.4gbp/s的传输速率。

未来随着可见光通信技术的进一步成熟，用于可见光通信的多功能集成芯片将成为可见光通信技术发展的重要趋势。当前可见光通信通用集成芯片的研究主要集中在led发射阵列芯片、集成pin接收阵列芯片和编码与信号处理芯片。然而，随着可见光通信终端小型化、低功耗、低成本的应用需求，将光发射功能与光接收功能集成在同一芯片上的光收发芯片，可预见将成为突破可见光通信技术实用化瓶颈的重要切入点。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提出一种可见光通信的微型阵列光收发集成芯片及制作方法，集成了光发射功能与光接收功能的全双工通信芯片结构，利用其微型阵列结构各个像素单元独立可控的特点，在提高器件调制带宽和功能集成度的基础上，该结构芯片结合可见光波分复用与mimo技术等多维复用方式将成倍提升可见光通信系统传输容量。

本发明采用如下技术方案：

一种可见光通信的微型阵列光收发集成芯片，包括具有信号处理电路的支撑衬底、位于支撑衬底上的微型收发单元阵列以及互联电极，该信号处理电路设有光发射模块像素和光接收模块像素，其特征在于：微型收发单元阵列包括多个固定间距的微型收发单元，其每个微型收发单元包括由下至上的第一堆叠层、第二堆叠层、光接收台面和钝化层；该第一堆叠层设有金属键合层、第一外延层和介质填充层，且通过金属键合层与支撑衬底键合，该金属键合层位于第一外延层的p型面；该介质填充层沉积于第一堆叠层上表面；该第二堆叠层设有滤光层和第二外延层，该滤光层与介质填充层键合；光接收台面位于光接收模块像素正上方区域的滤光层上表面，该第二堆叠层在光接收台面处设有开口；所述互联电极包括第一p型电极、第二p型电极和共用电极，该第一p型电极与光接收模块像素和第一外延层的p型面电性连接，该第二p型电极贯穿微型收发单元与光发射模块像素和第二外延层的p型面电性连接，该共用电极位于微型收发单元外周且设有分别与第一外延层的n型面、第二外延层的n型面电性连接的第一n型接触电极和第二n型接触电极；该钝化层沉积于第二堆叠层上表面和开口侧壁以及互联电极的上表面与侧壁。

优选的，所述第一堆叠层还包括第一透明导电层，该第一透明导电层位于所述第一外延层n型面；金属键合层中的与光接收模块像素电性连接的部分构成所述第一p型电极；所述第一n型接触电极与该第一透明导电层电性连接；所述介质填充层沉积于该第一透明导电层和第一n型接触电极上表面。

优选的，所述第二堆叠层还包括第二透明导电层和第三透明导电层，该第二透明导电层沉积于所述第二外延层p型面和所述滤光层上表面，该第三透明导电层沉积于所述第二外延层n型面；所述第二p型电极第二透明导电层电性连接；所述第二n型接触电极与该第三透明导电层电性连接。

优选的，所述滤光层为多层介质薄膜和/或介质微纳结构。

优选的，所述共用电极侧壁和底部与所述微型收发单元外周之间沉积有钝化层；所述第二p型电极侧壁与所述第一堆叠层之间沉积有钝化层。

优选的，所述钝化层的材质为sio2、sinx、al2o3或hfo2中的任意一种。

优选的，所述互联电极材质为铝、银、铑、锌、金、锗、镍、铬、铂、锡、铜、钨、钯、铟、钛中的任意一种或多种复合。

一种可见光通信的微型阵列光收发集成芯片的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)制作具有第一外延层和金属键合层的第一堆叠层，将具有信号处理电路阵列的支撑衬底与第一外延层通过金属键合层键合；

2)通过半导体制造工艺，图形化第一堆叠层，以形成微型收发单元阵列，每个微型收发单元包括有光探测模块像素与光发射模块像素；在第一堆叠层上制作第一p型电极并与光探测模块像素和第一外延层的p型面电性连接；在微型收发单元外周制作与第一外延层的n型面电性连接的第一n型接触电极；

3)在第一堆叠层上表面和第一n型接触电极上表面沉积介质填充层；制作具有滤光层和第二外延层的第二堆叠层，并将滤光层与介质填充层键合；在第二堆叠层中位于光接收模块像素正上方的区域开口，开口处的滤光层上表面作为光接收台面；制作第二p型电极与光发射模块像素和第二外延层的p型面电性连接，在第二堆叠层外周制作与第二外延层的n型面电性连接的第二n型接触电极；

4)将第一n型接触电极和第二n型接触电极电性连接并构成共用电极；该共用电极与第一p型电极、第二p型电极作为互联电极，在第二堆叠层上表面和侧壁和互联电极的上表面与侧壁沉积钝化层。

优选的，在步骤2)中，制作第一堆叠层时，还包括在所述第一外延层n型面制作第一透明导电层；步骤3)中，制作第二堆叠层时，还包括在第二外延层p型面和n型面分别制作第二透明导电层和第三透明导电层的步骤。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明方案采用标准半导体制造工艺，微型收发单元包括由下至上的第一堆叠层、介质填充层、第二堆叠层、光接收台面和钝化层，将每个光发射模块micro-led器件与光接收模块micro-pd器件以阵列的形式，堆叠在同一个信号处理电路之上，提高了收发器件的调制带宽、减少寄生效应、缩小系统尺寸，为可见光通信终端实用化奠定基础。

2、本发明中，滤光层为多层介质薄膜和/或介质微纳结构，作为下行链路信号的光线，由第一外延层所接收，仅对上述光线所覆盖的波长范围具有高透射率，而对其他波长范围的光线具有高反射率，包括由第二外延层所出射并作为上行链路信号的光线所覆盖的波长范围光发射模块与光接收模块工作在不同波段，避免了信号串扰，多个收发芯片不同工作波段的组合可以实现波分复用，提升传输容量。

3、本发明中，收发单元的每个收发像素均独立驱动或采集，使该芯片能实现多输入多输出(mimo)，可进一步提升系统的传输容量。

附图说明

图1为本发明结构剖视图；

图2为本发明结构剖视图(含多个微型收发单元)；

图3为本发明结构俯视图(含多个微型收发单元)；

图4为制作第一堆叠层示意图；

图5为制作微型收发单元阵列和第一通孔示意图；

图6为沉积侧壁钝化层示意图；

图7为第二p型电极、共用接触电极和填充导电材料示意图；

图8为制作介质填充层示意图；

图9为制作第二堆叠层示意图；

图10为制作第二通孔和共用电极通孔示意图；

图11为扩大第二通孔上部的横向尺寸示意图；

图12为沉积侧壁钝化层示意图；

图13为制作光接收模块像素收光台面示意图；

图14为制作光接收模块像素收光台面侧壁钝化层示意图；

图15为制作第二通孔导电填充材料示意图；

图16为共用电极接触电极和导电填充材料示意图；

图17为沉积钝化层示意图；

图18为一个可见光通信终端应用实例。

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。

本发明中，对于术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。对于描述中，采用了“上”、“下”、“左”、“右”、“前”和“后”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，而不是指示或暗示所指的装置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保护范围的限制。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

另外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

参见图1，一种可见光通信的微型阵列光收发集成芯片，包括具有信号处理电路阵列的支撑衬底102、位于支撑衬底102上的微型收发单元阵列，以及贯穿每个微型收发单元与信号处理电路电性连接的互联电极，该信号处理电路设有光发射模块像素110t和光接收模块像素110r。每个微型收发单元包括由下至上的第一堆叠层201、介质填充层213、第二堆叠层202、光接收台面303和钝化层240。

该第一堆叠层201设有金属键合层和第一外延层211，且通过金属键合层与支撑衬底102键合，该金属键合层位于第一外延层211的p型面；该介质填充层213沉积于第一堆叠层201上表面；该第二堆叠层202设有滤光层220与第二外延层222，该滤光层220与介质填充层213键合；该光接收台面303位于光接收模块像素110r正上方区域的滤光层上表面，该第二堆叠层在光接收台面处设有开口，即去除了滤光层220上表面的光接收台面上方的第二堆叠层部分区域。；互联电极包括第一p型电极311r、第二p型电极311t和共用电极310，该第一p型电极311r与光接收模块像素110r和和第一外延层211的p型面电性连接，该第二p型电极311t贯穿微型收发单元与光发射模块像素110t和第二外延层222的p型面电性连接，该共用电极位于堆叠层外周且设有分别与第一外延层211的n型面、第二外延层222的n型面连接的第一n型接触电极312、第二n型接触电极313；该钝化层240沉积于第二堆叠层202上表面和开口侧壁以及互联电极的上表面与侧壁。

每个收发单元电路具有两个信号处理像素，可分为光接收模块像素110r、光发射模块像素110t分别对应于微型led驱动像素和微型光电探测器信号处理像素。支撑衬底102上可制作多个信号处理电路，构成信号处理电路阵列，对应具有电极阵列。

光发射模块像素110t作为单独的像素器件用于驱动光发射模块像素中的一个外延层发光，光接收模块像素110r作为单独的像素器件用于输入光接收模块像素中的一个外延层产生的光电流或光电压。对于信号处理电路阵列，每个光发射模块/光接收模块像素具有接触件以及接地接触件(即共用电极)，图1中仅示出光发射模块/光接收模块像素的接触件。则每个光发射模块/光接收模块像素对应具有两组接电极：一组接触阵列电极分别连接到光发射模块像素与光接收模块像素，另一组接触电极连接到接地(即共用电极)。

第一堆叠层201还包括第一透明导电层212，该第一透明导电层212位于第一外延层211的n型面；金属键合层中的与光接收模块像素110r电性连接的部分构成第一p型电极311r；第一n型接触电极312与该第一透明导电层212电性连接；介质填充层213沉积于该第一透明导电层212和第一n型接触电极312上表面。

第二堆叠层202还包括第二透明导电层221和第三透明导电层223，该第二透明导电层221沉积于第二外延层222的p型面和滤光层220上表面，该第三透明导电层223沉积于第二外延层222的n型面；第二p型电极311t贯穿第一堆叠层201和第二堆叠层202并与第二透明导电层221电性连接；第二n型接触电极313与该第三透明导电层223电性连接。

滤光层220为多层介质薄膜和/或介质微纳结构；作为下行链路信号的光线，由第一外延层所接收，该滤光层220仅对上述光线所覆盖的波长范围具有高透射率，而对其他波长范围的光线具有高反射率，包括由第二外延层所出射并作为上行链路信号的光线所覆盖的波长范围。

进一步的，共用电极侧壁和底部与微型收发单元外周之间还设有钝化层240；第二p型电极311t侧壁与第一堆叠层之间也设有钝化层240。实际应用中，本发明的支撑衬底102是硅基衬底，或者可以是透明衬底(例如，玻璃衬底)。支撑衬底102的材质还可为砷化镓(gaas)、磷化镓(gap)、磷化铟(inp)、碳化硅(sic)、氧化锌(zno)和蓝宝石衬底中的一种。光发射模块/光接收模块像素可以包括除cmos驱动器电路之外的驱动器电路，例如包括薄膜晶体管(tft)驱动器电路或iii-v化合物半导体的驱动器电路。

第一外延层211、包括iv族硅锗基半导体、iii-v族氮化物、iii-v族砷化物、iii-v族磷化物和iii-v族锑化物中的一种，其中具有p型层、光吸收层和n型层的pin结构或apd外延结构；第二外延层222、包括iii-v族氮化物、iii-v族砷化物、iii-v族磷化物和iii-v族锑化物中的一种，其为具有p型层、有源区发光层和n型层的led外延结构；第一外延层211响应波长范围和第二外延层222发光波长范围具有一定间隔，比如第一外延层211响应波长范围380～480nm对应的第二外延层222发光波长范围480～580nm或者580～680nm，或者第一外延层211响应波长范围480～580nm对应的第二外延层222发光波长范围380～480nm或者580～680nm，再或者第一外延层211响应波长范围580～680nm对应的第二外延层222发光波长范围380～480nm或者480～580nm等组合方式。

另外，钝化层240的材质为sio2、sinx、al2o3或hfo2中的任意一种。互联电极材质为铝、银、铑、锌、金、锗、镍、铬、铂、锡、铜、钨、钯、铟或钛中的任意一种或多种复合。

本发明还提出一种可见光通信的微型阵列光收发集成芯片的制作方法，包括如下步骤：

1)制作具有第一外延层211和金属键合层的第一堆叠层201，将具有信号处理电路阵列的支撑衬底102与第一外延层211通过金属键合层键合。

参见图4，具体的，先在支撑衬底102上表面均匀沉积衬底金属键合层210。第一外延层211生长在单独的外延衬底上。在第一外延层211的p型面上沉积连续均匀的外延金属键合层210r。外延金属键合层210r可以包括欧姆接触层、光反射层和金属键合层中的多种组合。将衬底金属键合层210和外延金属键合层210r键合在一起构成金属键合层。

由于第一外延层211是未图形化的，键合不需要精细对准，可以采用例如共晶键合、热压键合和瞬时液相(tlp)键合等技术来完成。然后通过例如激光剥离工艺或湿法化学蚀刻来移除外延衬底。移除了外延衬底后，在第一外延层211上表面也即n型面沉积第一透明导电层212。金属键合层、第一外延层211和第一透明导电层212共同构成第一堆叠层201。

2)通过半导体制造工艺，图形化第一堆叠层201，以形成微型收发单元阵列，每个微型收发单元包括有光探测模块像素110r、光发射模块像素110t；在第一堆叠层201上制作第一p型电极311r并与光探测模块像素110r和第一外延层211的p型面电性连接；在微型收发单元阵列空隙即第一堆叠层201外周制作与第一外延层211的n型面电性连接的第一n型接触电极312。

具体的，参见图5，该步骤通过光刻与刻蚀工艺，图形化第一堆叠层201形成收发单元阵列，每个收发单元阵列包括有一个光发射模块像素与一个光接收模块像素，在其中光发射模块像素110t正上方制造第一通孔301，以露出对应的像素驱动器。

在该示例中，刻蚀露出第二光发射模块像素110g的第一通孔301用于连接第二外延层222的p型面。被图形化的金属键合层中(包括210、210r)与第一外延层211的p型面电性连接的部分即为第一p型电极311r，其作为第一外延层211的p型面金属焊盘。

参见图6，在刻蚀后的第一堆叠层201外周的侧壁和底部，及第一通孔301的侧壁沉积钝化层240，侧壁的钝化层可部分延伸至第一透明导电层212。

参见图7，分别在两微型收发单元空隙即第一堆叠层201外周(包括侧壁和底部)、第一通孔301内填充导电材料310，导电材料310可以是例如tin、钨等。则位于第一堆叠层201外周的导电材料310延伸至第一透明导电层212构成第一n型接触电极312。该第一n型接触电极312包括覆盖微型收发单元空隙(第一堆叠层201外周)上方的导电材料310与第一透明导电层212靠近收发单元空隙的部分区域。

3)在第一堆叠层201上表面和第一n型接触电极312上表面沉积介质填充层213；制作具有滤光层220和第二外延层222的第二堆叠层202，并将滤光层220与介质填充层213键合；在第二堆叠层201中位于光接收模块像素110r正上方的区域开口，开口处的滤光层220上表面作为光接收台面303；制作第二p型电极311t与光发射模块像素110t和第二外延层222的p型面电性连接，在第二堆叠层202外周制作与第二外延层222的n型面电性连接的第二n型接触电极313。

具体的，在步骤2)中的导电材料310上表面、第一透明导电层212上表面沉积介质填充层213，沉积后通过化学机械抛光技术进行平坦化，得到图8的结构。

制作第二堆叠层202步骤如下：

将第二外延层222生长在单独的外延衬底上。在第二外延层222上依次沉积连续均匀的第二透明导电层221与第一滤光层220，为使第二透明导电层221与第二外延层222形成欧姆接触，可将其进行退火。将介质填充层213和滤光层220键合在一起。然后通过例如激光剥离工艺或湿法化学蚀刻来移除第二外延层222衬底。移除了外延衬底后，在第二外延层222上表面即n型面，沉积第三透明导电层223。滤光层220、第二透明导电层221、第二外延层222以及第三透明导电层223共同构成第二堆叠层202，参见图9中所示的结构。

滤光层220的特点在于该滤光层220仅对第一外延层211中光吸收层的光响应波段具有高透射率，而对其他波长范围的光线具有高反射率，包括对于光发射层的第二外延层222有源区所出射光线所覆盖的波长范围具有高反射率。下行链路信号光线，经过滤光层220过滤非信号波段噪声后的光信号被第一外延层211吸收产生光电流，实现集成收发芯片光接收端的光电转换。上行链路信号光线经第二外延层222有源区由电注入产生并从其n型面的上表面出射，作为集成收发芯片光发射端，滤光层220可有效过滤光发射端出射的光线对光接收端的噪声干扰。滤光层220可以为多层介质薄膜(例如干涉截止滤光薄膜)、介质微纳结构和/或上述的组合。

通过对准光刻与刻蚀工艺，使第二堆叠层202具有与第一堆叠层201相同的图形化结构，在第一通孔301的竖直方向上制造第二通孔302，露出步骤2)的导电材料310的对应部位，如图10所示。再进一步，通过对准光刻与刻蚀工艺，扩大第三通孔302上部的横向尺寸，露出第二透明导电层221的靠近第二通孔302的部分区域，参见图11。之后在第二堆叠层202靠第一n型接触电极312一侧的外周侧壁、第二通孔302侧壁沉积钝化层240，外周侧壁的钝化层240部分延伸至第三透明导电层223。第二通孔302下部侧壁的钝化层240部分延伸至第二透明导电层221，上部侧壁的钝化层240部分延伸至第三透明导电层223，如图12所示结构。

光接收台面303制作方法如下：通过对准光刻与刻蚀工艺，制作开口，去除光接收模块像素110r上方对应的滤光层220上表面的第二堆叠层202部分区域，形成光接收台面303，如图13所示结构。去除区域的横向尺寸可根据收发芯片的实际应用场景进行优化设计，由于去除第二透明导电层221，第二外延层222和第三透明导电层223的部分区域，减少了第二堆叠层202对下行链路信号的光吸收，以提高光接收端的响应度。之后分别在光接收台面303外周侧壁与第二堆叠层202靠光接收台面303一侧的外周侧壁沉积钝化层240，光接收台面303外周侧壁的钝化层240部分延伸至第三透明导电层223，第二堆叠层202外周侧壁的钝化层240部分延伸至滤光层220，如图14所示结构。

分别在第二通孔302内与收发单元空隙填充导电材料310。特别的，导电材料310分别与第二透明导电层221露出的区域形成p型电极接触即为第二p型电极311t，如图15所示。第二n型接触电极313为第二堆叠层202外周的导电材料310及延伸至第三透明导电层223上表面中靠近外侧的部分区域，如图16所示结构。

4)将第一n型接触电极312和第二n型接触电极313电性连接并构成共用电极。该共用电极与第一p型电极311r、第二p型电极311t作为互联电极，在第二堆叠层202上表面和侧壁和互联电极的上表面与侧壁沉积钝化层240，如图17所示结构。

本发明中，共用电极314网格化分布各个收发单元四周空隙，其是由分布在空隙的填充材料310、第一n型接触电极312与第二n型接触电极313组合而成，且共用电极314宽度小于收发单元间距；第一p型电极311r、第二p型电极311t、第一n型接触电极312、第二n型接触电极313的位置均匀分布在发光像素中心轴线上，且由钝化层240进行绝缘保护防止出现芯片短路，参见图3。

图18是一个采用本发明方案的可见光通信终端应用实例。可见光通信终端由数据输入接口、编码调制模块、收发集成芯片(含聚光透镜)、信号恢复与处理模块，数据输出接口等部分构成。在图18所示的实例中，可见光通信终端1、2分别以不同波长光线进行信号传输，对于可见光通信终端1，上行链路信号采用蓝光传输而下行链路信号采用红光接收，相对应的可见光通信终端2，其上行链路信号采用红光传输而下行链路信号采用蓝光接收。

此外，每个收发单元的光发射模块与光探测模块均为信号独立输入与输出，因此该可见光通信终端可实现多输出与多输入并行传输，通过空间复用实现高速通信。如图18所示的实例为可见光通信终端采用2×2可见光mimo通信系统集成收发芯片示意图，虚线框图标注出的信道1与信道2分别由四个收发单元构成(为提高芯片的发射信号与接收信号强度，每组信道可由更多个收发单元构成)，双信道并行传输即构成两路输出与两路输入的2×2可见光mimo通信系统。

上述实例仅采用蓝光——红光组合实现可见光通信的双向传输，为提高系统传输容量，可见光通信终端亦可包含更多波长组合，如红光、黄光、绿光、蓝光、紫光等，根据应用场景的不同，设计并优化多种波长组合的可见光收发芯片及终端。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。