一种基于红外LED的光发射机的制作方法

本发明属光通信技术领域，特别涉及一种基于红外led的光发射机。

背景技术：

光发射机的基本功能是将携带信息的电信号转换为光信号，并将光信号送入光纤中，即，光发射机的作用是将从复用设备送来的hdb3信码变换成nrz码，接着将nrz码编为适合在光缆线路上传输的码型，最后再进行电/光转换，将电信号转换成光信号并耦合进光纤。因此，光纤通信技术的发展与光源技术的发展是密不可分的。

目前，常用的光发射机的光源为激光光源，激光光源是高速调制的理想光源，但其也存在不可避免的问题。一方面，发射激光的半导体激光器对温度的变化是很敏感的，温度的变化和器件的老化给激光器带来了不稳定性，从而使输出功率发生很大的变化；另一方面，半导体激光器的使用寿命较短，维护成本较高。因此，在很多近距离、低速通信领域，则可以用发光二极管来代替半导体激光器作为光发射机的光源。但传统的发光二极管存在发光效率低的问题，从而大大限制了其在通信领域中的应用。

因此，如何设计一种基于红外led光源的光发射机就变得极其重要。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于红外led的光发射机，其中，包括：输入端、编码器、信号转换器、驱动电路、红外led光源及输出端；其中，

所述输入端、所述编码器、所述信号转换器、所述驱动电路、所述红外led光源、及所述输出端依次串行连接以形成传输链路。

在本发明的一个实施例中，所述编码器为8b/10b编码器。

在本发明的一个实施例中，所述信号转换器为d/a转换器。

在本发明的一个实施例中，所述红外led光源包括：

底座；

引线架固定在所述底座上；

基板，设置于所述底座之上；

半导体芯片，设置于所述基板之上；

引线，连接所述引线架与所述半导体芯片；

透镜，设置于所述底座之上；

环氧树脂，填充于所述底座与所述透镜形成的空间内。

在本发明的一个实施例中，所述半导体芯片为纵向结构半导体芯片，包括：

si衬底；

si、ge叠层材料形成的pin台阶结构，设置于所述si衬底表面的中心位置处；

正电极，设置于所述pin台阶结构的上表面；

负电极，设置于所述si衬底的上表面并位于pin台阶结构两侧的位置处，以形成所述半导体芯片。

在本发明的一个实施例中，所述pin台阶结构依次包括n型si外延层、张应变ge层、p型ge层，且所述n型si外延层、所述张应变ge层及所述p型ge层形成pin结构。

在本发明的一个实施例中，所述张应变ge层包括晶化ge层和ge外延层。

在本发明的一个实施例中，所述ge外延层为本征ge材料，且其厚度为400～450nm。

在本发明的一个实施例中，所述光发射机还包括钝化层，所述半导体芯片钝化层设置于所述si衬底及所述pin结构的上表面，用于隔离所述正电极及所述负电极。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明用红外led代替激光器作为光发射机的光源，一方面，极大地提升了设备使用寿命，降低了维护成本；另一方面，降低了温度对光源发光效率的影响，从而简化了电路设计。

附图说明

下面将结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细的说明。

图1为本发明实施例提供的一种基于红外led的光发射机的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种驱动电路的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种红外led的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种半导体芯片的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种晶化处理工艺的流程示意图；

图6为本发明实施例提供的一种lrc工艺方法示意图；

图7a-图7k为本发明实施例的一种基于横向结构的led的制备工艺示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

实施例一

请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种基于红外led的光发射机的结构示意图。该光发射机10包括：输入端11、编码器12、信号转换器13、驱动电路14、红外led光源15及输出端16；其中，

所述输入端11、所述编码器12、信号转换器13、驱动电路14、所述红外led光源15、所述输出端16依次串行连接以形成传输链路。

具体地，所述编码器12用于将所述输入端11接收到的hdb3信码变换成nrz码，然后将nrz码编为适合在光缆线路上传输的码型；所述信号转换器13将所述编码器12编码处理后的数字信号转换为模拟信号；所述驱动电路14用于为所述红外led光源15提供驱动电流。

进一步地，参见图2，图2为本发明实施例提供的一种驱动电路的结构示意图，所述驱动电路14包括包括电阻r、三极管t、功率电阻w、第一电容c1、第二电容c2；其中，所述电阻r电连接所述信号转换器的输出端；所述三极管t的基极电连接所述电阻r且其发射极电连接至接地端gnd；所述红外光源15及所述功率电阻w依次串接于所述三极管t的集电极与电源vcc之间；所述第一电容c1与所述第二电容c2并接后串接于所述电源vcc与所述接地端gnd之间。

具体地，驱动信号经信号转换器13传送至电阻r处，通过三极管的基极连接红外光源15的负极以驱动红外光源15发光，红外光源15的正极连接至电源vcc。该电源优选为12v的直流电源。另外，红外光源15可以串接多个以提供发光效率。为了储能，可以在电源vcc端和接地端gnd之间增加储能电容c1和c2，例如c1及c2的电容值为2000μf以上。

进一步地，参见图3，图3为本发明实施例提供的一种红外led的结构示意图。所述红外led光源15包括底座151、基板152、半导体芯片153、引线架154、引线155、透镜156及树脂157；其中，所述基板152设置于所述底座151之上；半导体芯片153设置于所述基板152之上；所述引线架144固定在所述底座151之上；所述引线145连接所述半导体芯片153的电极与所述引线架155；所述透镜156设置于所述底座151之上；所述树脂157填充与所述底座151与所述透镜156形成的空间内。

其中，红外led光源15的发光波长为1550nm～1650nm。

本发明的基于红外led的光发射机，采用红外led代替激光器，一方面，极大地提升了设备使用寿命，降低了维护成本；另一方面，降低了温度对光源发光效率的影响，从而简化了电路设计。

实施例二

本实施例在上述实施例的基础上，重点对半导体芯片的结构和工艺进行详细介绍。

请参见图4，图4为本发明实施例提供的一种半导体芯片的结构示意图。

具体地，所述半导体芯片153包括：

si衬底1531；

si、ge叠层材料形成的pin台阶结构1533，设置于所述si衬底11表面的中心位置处；

正电极1535，设置于所述pin台阶结构13的上表面；

负电极1537，设置于所述si衬底1531的上表面并位于pin台阶结构1533两侧的位置处，以形成所述半导体芯片153。

优选地，所述si衬底11为n型单晶si材料。

优选地，所述pin台阶结构13依次包括n型si外延层、张应变ge层、p型ge层，且所述n型si外延层、所述张应变ge层及所述p型ge层形成pin结构。

其中，所述n型si外延层的厚度为120～200nm，且其掺杂浓度为5×10¹⁹～1×10²⁰cm^-3。

其中，所述张应变ge层包括晶化ge层和ge外延层。

进一步地，所述晶化ge层是由ge籽晶层和ge主体层经过晶化处理后形成的。

可选地，所述晶化ge层是由ge籽晶层和ge主体层经过晶化处理后形成的。

其中，所述ge籽晶层厚度为40～50nm；所述ge主体层厚度为150～200nm。

优选地，请参见图5，图5为本发明实施例提供的一种晶化处理工艺的流程示意图。所述晶化处理包括如下步骤：

步骤1、将包括所述soi衬底、所述ge籽晶层、所述ge主体层的整个衬底材料加热至700℃；

步骤2、利用激光再晶化工艺(laserre-crystallization,简称lrc)晶化所述整个衬底材料；其中lrc工艺的激光波长为808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率为1.5kw/cm²，激光移动速度为25mm/s；

步骤3、对所述整个衬底材料进行高温热退火处理以完成所述晶化处理。

请进一步参见图6，图6为本发明实施例提供的一种lrc工艺方法示意图，lrc工艺是一种热致相变结晶的方法，通过激光热处理，使soi衬底上ge外延层熔化再结晶，横向释放ge外延层的位错缺陷，不仅可获得高质量的ge外延层，同时，由于lrc工艺可精确控制晶化区域，一方面避免了常规工艺中soi衬底与ge外延层之间的si、ge互扩问题，另一方面si与ge之间材料界面特性好。

可选地，所述ge外延层为本征ge材料，且其厚度为400～450nm。

可选地，所述p型ge层的厚度为180～200nm，且其掺杂浓度为0.5×10¹⁹～1×10¹⁹cm^-3。

可选地，所述发光二极管还包括钝化层，所述钝化层设置于所述si衬底及所述pin结构的上表面，用于隔离所述正电极15及所述负电极17。

其中，所述钝化层为sio2材料，且其厚度为150～200nm。

优选地，所述正电极15和所述负电极17为cr或者au材料，且其厚度为150～200nm。

本发明的半导体芯片，利用si衬底与ge外延层界面特性好的优势，利用n型si/张应变ge/p型ge纵向结构，极大地提高了器件的发光效率。

请参照图7a-图7k，图7a-图7k为本发明实施例的一种基于纵向结构的发光二极管的制备工艺示意图，该制备方法包括如下步骤：

s101、选取掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3的n型单晶硅衬底片001，如图7a所示；

s102、在300℃温度下，利用cvd工艺在si衬底生长厚度为120～200nm的n型si外延层002，掺杂浓度为5×10¹⁹～1×10²⁰cm^-3，如图7b所示；

s103、在275℃～325℃温度下，利用cvd工艺在si外延层表面生长厚度为40～50nm的ge籽晶层003，如图7c所示；

s104、在500℃～600℃温度下，利用cvd工艺在在ge籽晶层表面生长厚度为150～200nm的ge主体层004，如图7d所示；

s105、利用cvd工艺在ge主体层表面上淀积厚度为100～150nmsio2氧化层005，如图7e所示；

s106、将包括单晶si衬底、n型si外延层、ge籽晶层、ge主体层及氧化层的整个衬底材料加热至700℃，利用激光再晶化技术晶化整个衬底材料，其中激光波长为808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率为1.5kw/cm²，激光移动速度为25mm/s，然后高温热退火，与此同时引入张应力；

s107、利用干法刻蚀工艺刻蚀氧化层005，得到激光晶化后的ge层006，如图7f所示；

s108、在300-400℃温度下，利用cvd工艺在激光晶化后的ge层上生长厚度为400～450nm的ge外延层007，如图7g所示；其中，由于ge外延层是在晶化后的ge层上生长的，所以ge的质量较好，晶格失配率较低。

s109、在300-400℃温度下，利用cvd工艺在ge外延层表面生长厚度为180～200nm的p型ge层结构008，掺杂浓度为0.5×10¹⁹～1×10¹⁹cm^-3。如图7h所示；

s110、室温下，使用hcl:h2o2:h2o＝1:1:20的化学溶剂，以稳定速率100nm/min进行台面刻蚀，刻蚀的深度控制在950nm，使si衬底露出做金属接触，如图7i所示；

s111、利用等离子体增强化学气象淀积技术，淀积厚度为150～200nm的sio2钝化层009，隔离台面与外界电接触。用刻蚀工艺选择性刻蚀掉指定区域的sio2形成接触孔，如图7j所示；

s112、利用电子束蒸发淀积厚度为150～200nm的cr/au层010。利用刻蚀工艺刻选择性蚀掉指定区域的金属cr/au，利用化学机械抛光(cmp)进行平坦化处理，如图7k所示。

综上所述，本文中应用了具体个例对本发明结构及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，本发明的保护范围应以所附的权利要求为准。