通讯用光放大器与光电二极管探测器集成元件及制备方法技术

本发明专利技术公开了通讯用光放大器与光电二极管探测器集成元件及制备方法，集成元件包括基板，基板上依次设置有光电二极管有源层、光放大器有源层和模斑转换器结构层，模斑转换器结构层位于靠近集成元件的收光端面一侧，模斑转换器结构层的底面低于光放大器有源层的底面，光电二极管有源层和光放大器有源层上覆盖有第一包层，第一包层和模斑转换器结构层上覆盖有第二包层，第二包层上自下至上依次覆盖有接触层和p‑金属电极层，基板下表面镀有n‑金属电极层。本发明专利技术将斑驳转换器作为半导体光波导结构，提升耦光效率；采取边耦合的形式，将入射光引入集成探测器元件，简化了工艺流程，可实现50G PON以上系统接收端光探测器的国产化批量生产。

【技术实现步骤摘要】
通讯用光放大器与光电二极管探测器集成元件及制备方法
本专利技术属于通讯用半导体光探测器
，具体涉及通讯用光放大器与光电二极管探测器集成元件及制备方法。
技术介绍
随着通讯网络的容量需求增加，现有的10GPON网路需再进一步提高系统带宽才能满足未来市场的需求。下一阶段的系统带宽提升，预计会考量25GPON，50GPON甚至100GPON的更高速系统；这些系统的提升方案，主要基于采用现行较成熟的25G器件来实现，相较于10GPON，致力发展25GPON的难度最低，但是由于速率提升幅度较小，未来仍马上会面临速率瓶颈，因此50GPON以上的系统开发，相关行业领跑者已于近三年着手启动，从2018年起每年都能看到OFC大会上相关通讯领域的业者针对50GPON与100GPON的系统验证方案演示。针对50GPON以上的技术开发研究，如欲以单波长50G的光器件搭配NRZ调制方式来实现，瓶颈在于50G的光器件目前仅少数美日大厂能提供样品，尚不普及，在价格上不具备优势，因此利用较为成熟的25G光器件搭配高阶调制方案成为现阶段的开发重点。常见的高阶调制方案为PAM4调制技术，虽此技术能降低对光器件带宽的要求，但是对接收端的灵敏度也提高至少5dB以上的要求，除灵敏度的要求提高以外，接收端探测器的带宽也必须足够，如采用APD(雪崩光电二极管)探测器来提升带宽，将会面临灵敏度要求不容易满足的情况，因为APD本身在设计上，带宽与放大增益是相互取舍的关系，为克服此问题，SOA(光放大器)搭配PIN(光电二极管)的设计可以分别针对优化放大器噪声(克服灵敏度)和光电二极管的速率(克服带宽)的方式来同时改善，此集成器件能克服APD上遭遇的矛盾问题。而国内外现况的解决方案是在发射端的激光器上集成SOA，以提高发射端的光功率来解决接收端高灵敏度的要求，此方案造成发射端的集成SOA激光器仅能与极少数的美日大厂商谈，由于高价格与厂家的制约，使原本预计使用一般成熟的25G光器件加PAM4调制技术下孕育而生的50GPON系统变得开发成本与技术受限门槛极高，失去原本的意义。为解决此问题，可采用SOA(光放大器)搭配PIN(光电二极管)集成技术的探测器元件，一般而言，将入射光引入探测器为降低耦合损耗，探测器均具备大收光面积的垂直光腔设计，因此SOA(光放大器)搭配PIN(光电二极管)集成元件也须采用大收光面积的垂直光腔设计，但是此方式会增加半导体外延技术的复杂度，在外延层中每一层的设计与制程控制需具备一定的精度，提高了量产的技术门槛。
技术实现思路
本专利技术提供了通讯用光放大器与光电二极管探测器集成元件及制备方法，能避免在外延技术上的设计门槛与制程精度要求。为达到上述目的，本专利技术通讯用光放大器与光电二极管探测器集成元件，包括基板，基板上沿水平方向依次设置有光电二极管有源层、光放大器有源层和模斑转换器结构层，模斑转换器结构层位于靠近集成元件的收光端面一侧，模斑转换器结构层的底面低于光放大器有源层的底面，光电二极管有源层和光放大器有源层上覆盖有第一包层，第一包层和模斑转换器结构层上覆盖有第二包层，第二包层上自下至上依次覆盖有接触层和p-金属电极层，基板下表面镀有n-金属电极层。进一步的，模斑转换器结构层材料为In1-xGaxAsyP1-y，x的取值范围是0.05～0.32，y的取值范围是0.05～0.69。进一步的，x＝0.23，y＝0.50。进一步的，端面刻蚀区的刻蚀底面和光放大器有源层底面之间的高度差为T1，T1的取值范围是50nm～250nm。进一步的，模斑转换器结构层的厚度T2取值范围为200nm～600nm。进一步的，模斑转换器结构层区域的波导宽度自光放大器有源层至收光端面方向由W1变化至W2，W1的取值范围是1.5um～2.2um，W2的取值范围是3um～10um，模斑转换器结构层区域的波导长度Lscc的取值范围是20um～50um。进一步的，模斑转换器结构层的一端镀有抗反射镀膜层，与抗反射镀膜层相对的一端镀有高反射镀膜层。一种通讯用光放大器与光电二极管探测器集成元件的制备方法，包括以下步骤：步骤1、在基板上制作光电二极管有源层和光放大器有源层，在光电二极管有源层和光放大器有源层上沉积第一包层，在第一包层表面沉积一层端面刻蚀区区的掩模层，然后刻蚀出端面刻蚀区；刻蚀后，端面刻蚀区域底部和光放大器有源层底面的高度差为T1；步骤2、在端面刻蚀区内生长InGaAsP层作为模斑转换器结构层；步骤3、在第一包层与模斑转换器结构层上方依次沉积第二包层与InGaAs接触层，得到晶圆；步骤4、在晶圆上方形成波导结构，其中模斑转换器区域的波导宽度由W1连续变化至W2；步骤5、在具有波导结构的晶圆表面形成一层绝缘层，之后再去除波导结构上表面的绝缘层，露出InGaAs接触层，然后在InGaAs接触层与绝缘层上方形成p-金属电极层，之后将InP基板背面减薄、抛光，并在基板底面镀上n-金属电极层，然后切割晶圆，得到多个光放大器与光电二极管集成芯片。进一步的，步骤1中，刻蚀端面刻蚀区时，首先进行干刻，将露出区域刻蚀至光放大器有源层底面以下的位置，再进行湿刻形成端面刻蚀区。进一步的，步骤2中，在环境温度为600℃～630℃条件下生长InGaAsP层作为模斑转换器结构层。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益的技术效果：本专利技术提出边耦合(Edge-coupled)型SOA(光放大器)搭配PIN(光电二极管)集成技术元件的结构与制备方法，从SOA的设计考量，要达到足够的放大效果，必须针对SOA的腔长尺寸与材料选择进行设计，因此主要会以长腔长与高增益材料为设计目标，从外延技术的角度来观察，边耦合型SOA集成PIN元件比面接收SOA集成PIN元件易于达成长腔长与高增益材料的SOA设计需求，因此本专利技术提出的方案在外延技术上的设计门槛与制程精度要求相对来说易于达成；其中，元件的收光端利用模斑转换器作为半导体光波导结构，能将系统中从光纤出光的大光斑，借由模斑转换器的光波导结构进行光斑形貌转换，有效的引入到SOA区域，借由提升耦光效率有效将光进行放大；采取此类的边耦合的形式，将入射光一路经过放大再引进探测器，实现了光放大与光电信号转换的需求，此方式能将SOA与PIN分别独立设计，不仅设计简化，也降低外延工艺需求精度，可实现50GPON以上系统接收端光探测器的国产化批量生产，摆脱此技术的进口依赖，推动国内50GPON或100GPON以上网络的快速部署。进一步的，x＝0.23，最佳值y＝0.50，取用此组份主要原因为此材料组份于MOCVD成长时易于控制。此类集成元件最困难实现量产的关键，在于外延集成设计时，须兼顾不同区域元件的特性下进行集成，传统垂直式元件集成固然有大收光面积提升耦合效能的优势，但在SOA与PIN的外延设计上，会牺牲两区域性能而取折衷方案，无法达到最佳化性能，本专利技术所述的制备方法，是基于边射型元件集成技术，先于衬底上外延PIN有源区，再于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.通讯用光放大器与光电二极管探测器集成元件，其特征在于，包括基板(10)，所述基板(10)上沿水平方向依次设置有光电二极管有源层(11)、光放大器有源层(12)和模斑转换器结构层(20)，所述模斑转换器结构层(20)位于靠近集成元件的收光端面(15)一侧，所述模斑转换器结构层(20)的底面低于光放大器有源层(12)的底面，所述光电二极管有源层(11)和光放大器有源层(12)上覆盖有第一包层(13)，第一包层(13)和模斑转换器结构层(20)上覆盖有第二包层(30)，第二包层(30)上自下至上依次覆盖有接触层(31)和p-金属电极层(40)，基板(10)下表面镀有n-金属电极层(41)。/n

【技术特征摘要】
1.通讯用光放大器与光电二极管探测器集成元件，其特征在于，包括基板(10)，所述基板(10)上沿水平方向依次设置有光电二极管有源层(11)、光放大器有源层(12)和模斑转换器结构层(20)，所述模斑转换器结构层(20)位于靠近集成元件的收光端面(15)一侧，所述模斑转换器结构层(20)的底面低于光放大器有源层(12)的底面，所述光电二极管有源层(11)和光放大器有源层(12)上覆盖有第一包层(13)，第一包层(13)和模斑转换器结构层(20)上覆盖有第二包层(30)，第二包层(30)上自下至上依次覆盖有接触层(31)和p-金属电极层(40)，基板(10)下表面镀有n-金属电极层(41)。


2.根据权利要求1所述的通讯用光放大器与光电二极管探测器集成元件，其特征在于，所述模斑转换器结构层(20)材料为In1-xGaxAsyP1-y，x的取值范围是0.05～0.32，y的取值范围是0.05～0.69。


3.根据权利要求2所述的通讯用光放大器与光电二极管探测器集成元件，其特征在于，所述x＝0.23，y＝0.50。


4.根据权利要求1所述的通讯用光放大器与光电二极管探测器集成元件，其特征在于，所述端面刻蚀区(14)的刻蚀底面和光放大器有源层(12)底面之间的高度差为T1，T1的取值范围是50nm～250nm。


5.根据权利要求1所述的通讯用光放大器与光电二极管探测器集成元件，其特征在于，所述模斑转换器结构层(20)的厚度T2取值范围为200nm～600nm。


6.根据权利要求1所述的通讯用光放大器与光电二极管探测器集成元件，其特征在于，所述模斑转换器结构层(20)区域的波导宽度自光放大器有源层(12)至收光端面(15)方向由W1变化至W2，W1的取值范围是1.5um～2.2um，W2的取值范围是3um～10um，模斑转换器结构层(20)区域的波导长度Lscc的取值范围是20um～50um。


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【专利技术属性】
技术研发人员：潘彦廷，李马惠，陈发涛，曹凡，穆瑶，
申请(专利权)人：陕西源杰半导体技术有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61