一種單片集成pon網絡onu端光收發芯片及其制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種單片集成PON網絡ONU端光收發芯片及其制作方法，所述芯片包括光波導和制作在其中的光器件；所述方法包括如下步驟：(1).一次外延波導材料，形成增益材料與吸收材料的層疊結構；(2).選擇區域腐蝕頂層材料，并在濾波器區域制作布拉格光柵，形成不同器件的波導芯層；(3).二次外延蓋層材料，形成p-i-n結構；(4).刻蝕出脊型波導，直至腐蝕停止層；(5).制作有源器件的正負電極；步驟2中所述的不同器件包括：激光器、濾波器、功率探測器和信號探測器。本發明提供的單片集成PON網絡ONU端光收發芯片及其制作方法，將分立的光發射器件和光接收器件集成在一個芯片內，可以使光收發模塊進一步小型化，降低封裝成本。
【專利說明】一種單片集成PON網絡ONU端光收發芯片及其制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于半導體器件以及制造領域，具體涉及一種單片集成PON網絡ONU端光收發芯片及其制作方法。
【背景技術】
[0002]無源光網絡(PON)是指一種點對多點的光接入技術及相應的系統，其系統由光線路終端(OLT)、光分配網絡(ODN)、光網絡單元(ONU)三部分組成，ODN只包含無源器件或設備，不包含有源器件或設備。PON網絡ONU端的光收發模塊要實現發送上行光信號和接收下行光信號的功能，由單纖雙向光學組件(BOSA)和控制/驅動電路組成。現有的BOSA采用分立器件空間耦合的方式組成，有源器件包含光發射和光接收器件，光發送器件的工作波段為1260nm-1360nm，通常為TO封裝的FP激光器或者DFB激光器芯片；光接收器件的工作波段為1480nm-1500nm，通常為TO封裝的PIN探測器或者APD探測器芯片。圖1為采用現有技術的光收發模塊(Optical Transceiver)的結構示意圖,半導體激光器(LD)與激光功率探測器(MPD)共同封裝在一個TO管殼中，將上行數據從電信號轉換為光信號，透射過薄膜濾波片(TFF)，經過透鏡耦合進入光纖；信號探測器(PD)與跨阻放大器(TIA)共同封裝在另一個TO管殼中，從光纖接收的下行光信號被TFF反射進入該TO管殼，被H)吸收轉換為電流信號后被TIA轉換為電壓信號并放大。
[0003]采用現有技術的BOSA組件，包含兩個位置相互垂直的TO管殼，一個TFF濾波片等組成，其體積較大，難以繼續小型化，組件成本較高；需要對準上行和下行兩路光，耦合成本較聞。
【發明內容】
[0004]為克服上述缺陷，本發明提供了一種單片集成PON網絡ONU端光收發芯片及其制作方法，解決現有技術中分立光器件組成的單纖雙向光收發組件體積大、耦合封裝成本高的問題。
[0005]為實現上述目的，本發明提供一種單片集成PON網絡ONU端光收發芯片，其改進之處在于，所述芯片包括光波導和制作在其中的光器件。
[0006]本發明提供的優選技術方案中，所述光波導是條形光波導。
[0007]本發明提供的第二優選技術方案中，所述光器件包括沿著所述光波導依次排列的激光器、濾波器、功率探測器和信號探測器。
[0008]本發明提供的第三優選技術方案中，所述激光器，在電流信號驅動下，發射上行光信號，上行波段包括1260nm-1360nm ;濾波器,反射上行波段的光并透射下行波段的光；功率探測器，吸收透射過濾波器的上行波段的光，轉換為電流信號用于監測激光器的平均光功率；信號探測器，吸收下行光信號，下行波段包括1480nm-1500nm。
[0009]本發明提供的第四優選技術方案中，在激光器一端的光波導端口為光輸入輸出端口 ；所述光輸入輸出端口發出上行光信號，并耦合進入光波導的下行光信號。[0010]本發明提供的第五優選技術方案中，提供一種單片集成PON網絡ONU端光收發芯片的制造方法，其改進之處在于，所述方法包括如下步驟:
[0011](I).一次外延波導材料，形成增益材料與吸收材料的層疊結構；
[0012](2).選擇區域腐蝕頂層材料，并在濾波器區域制作布拉格光柵(I)，形成不同器件的波導芯層；
[0013](3).二次外延蓋層材料，形成p-1-n結構；
[0014](4).刻蝕出脊型波導，直至腐蝕停止層；
[0015](5).制作有源器件的正負電極；
[0016]步驟2中所述的不同器件包括:激光器、濾波器、功率探測器和信號探測器。
[0017]本發明提供的第六優選技術方案中，在所述步驟I中，增益材料的帶隙波長為1.3微米；吸收材料的帶隙波長為1.5微米。
[0018]本發明提供的第七優選技術方案中，所述步驟I包括:在η型InP半導體襯底上，通過金屬氧化物化學氣相沉積(MOCVD)方法依次生長η型InP緩沖層(6)、i型下限制層
(5)、i型多量子阱層⑷、i型上限制層(3)和i型InGaAs吸收層⑵；其中，所述i型下限制層和所述i型上限制層采用帶隙波長介于InP襯底(7)帶隙和激射波長之間的InGaAsP或者AlGaInAs四元化合物半導體。
[0019]本發明提供的第八優選技術方案中，所述i型多量子阱層由量子阱和壘交替生長得到，阱和壘采用InGaAsP或者AlGaInAs材料制造；所述i型多量子阱層的增益峰值波長是1.3微米。
[0020]本發明提供的第九優選技術方案中，在所述步驟2中，將激光器、濾波器、功率探測器區域的頂層i型InGaAs吸收層腐蝕掉，再將濾波器區域的i型上限制層和i型多量子阱層腐蝕掉，在濾波器區域的i型下限制層上制作布拉格光柵結構。
[0021]本發明提供的第十優選技術方案中，布拉格光柵結構通過電子束曝光或者全息曝光制作。
[0022]本發明提供的較優選技術方案中，在所述步驟3中，通過MOCVD方法，依次外延i型InP光柵掩埋層(9)、i型InGaAsP腐蝕停止層、p型InP蓋層(8)和p型InGaAs接觸層
(10)。
[0023]本發明提供的第二較優選技術方案中，在所述步驟4中，光刻形成條形掩膜保護層，通過濕法腐蝕用不同的腐蝕液依次去掉條形掩膜兩側的P型InGaAs接觸層和p型InP蓋層，利用InP腐蝕液的選擇腐蝕性控制腐蝕的深度到達腐蝕停止層；沿條形掩膜腐蝕而成的脊型結構折射率高于兩側空氣，形成脊型光波導。
[0024]本發明提供的第三較優選技術方案中，所述條形掩膜保護層的寬度為3微米。
[0025]本發明提供的第四較優選技術方案中，在所述步驟5中，所述有源器件包括激光器、功率探測器和信號探測器；所述步驟5包括如下步驟:
[0026](5-1).在濾波器區的波導上方、功率探測器區與信號探測器之間的波導上方腐蝕頂層的P型InGaAs接觸層，并向下刻蝕出隔離槽(14)或者進行離子注入；
[0027](5-2)在芯片表面沉積一層SiO2或者SiNx的絕緣介質膜(15)，并將激光器、功率探測器和信號探測器區域脊波導頂層的介質膜腐蝕掉，露出P型InGaAS接觸層；
[0028](5-3).在芯片表面濺射Ti/Au金屬P電極層，并腐蝕出激光器、功率探測器和信號探測器的P電極(11，12，13)的圖形；
[0029](5-4).減薄襯底，在芯片背面襯底上蒸發Au/Ge/Ni合金并退火，再在背面襯底上蒸發Cr/Au形成公用的η電極(16)。
[0030]與現有技術比，本發明提供的一種單片集成PON網絡ONU端光收發芯片及其制作方法，針對現有的分立光器件組成的單纖雙向光收發組件體積大、耦合封裝成本高等問題，將分立的光發射器件和光接收器件集成在一個芯片內，可以使光收發模塊進一步小型化，降低封裝成本；而且，上行信號和下行信號在集成芯片內有一個公共輸入輸出口，降低耦合成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031]圖1為現有技術的光收發模塊結構示意圖。
[0032]圖2為單片集成PON網絡ONU端光收發芯片的實施例結構示意圖。
[0033]圖3為單片集成PON網絡ONU端光收發芯片的制作方法步驟I的過程實施例示意圖。
[0034]圖4為單片集成PON網絡ONU端光收發芯片的制作方法步驟2的過程實施例示意圖。
[0035]圖5為單片集成PON網絡ONU端光收發芯片的制作方法步驟3的過程實施例示意圖。
[0036]圖6為單片集成PON網絡ONU端光收發芯片的制作方法步驟4的過程實施例示意圖。
[0037]圖7為單片集成PON網絡ONU端光收發芯片的制作方法步驟5的過程實施例示意圖。
【具體實施方式】
[0038]本發明提出單片集成光收發芯片的技術方案，將上行光信號的發射芯片和下行光信號的接收芯片集成在同一個芯片內，在芯片內實現光耦合和光濾波，只需要單個TO封裝管殼，減小BOSA組件體積，降低組件成本；上行信號和下行信號在集成芯片內有一個公共輸入輸出口，降低I禹合成本。
[0039]本發明針對分立光器件組成的單纖雙向光收發組件體積大、耦合封裝成本高等問題，提出了單片集成光收發芯片及其制作方法，將分立的光發射器件和光接收器件集成在一個芯片內，使得光收發模塊進一步小型化和封裝成本的降低成為可能。
[0040]本發明的單片集成光收發芯片包括:激光器(LD)、濾波器、功率探測器(MPD)、信號探測器(PD)、光波導、光輸入輸出端口。其結構示意圖如圖2所示。
[0041]激光器，在電流信號驅動下，發射上行光信號，上行波段為1260nm-1360nm。
[0042]濾波器，無源器件，反射大部分上行波段的光，透射下行波段的光。
[0043]功率探測器，完全吸收透射過濾波器的小部分上行波段的光，轉換為電流信號用于監測激光器的平均光功率。
[0044]信號探測器，吸收下行光信號，下行波段為1480nm-1500nm。
[0045]光波導,在芯片內所有的光信號被限制在同一個條形光波導中，為激光器、濾波器、功率探測器和信號探測器所共有，并且在條形光波導中，激光器、濾波器、功率探測器和信號探測器依次排列。
[0046]光輸入輸出端口，在激光器一端的光波導端口為公用的光輸入輸出端口，上行光信號從該端口發出，下行光信號通過該端口耦合進入光波導。
[0047]參見圖3-7，單片集成光收發芯片的制作方法包括以下步驟:
[0048]步驟1、一次外延波導材料，形成帶隙波長約1.3微米的增益材料與帶隙波長約
1.5微米的吸收材料的層疊結構。
[0049]在η型InP半導體襯底上，通過金屬氧化物化學氣相沉積(簡稱M0CVD)方法依次生長η型InP緩沖層(6)、i型下限制層(5)、i型增益峰值在1.3微米附近的多量子阱層
(4)、i型上限制層(3)、i型InGaAs吸收層(2)。其中，下限制層和上限制層采用帶隙波長介于InP襯底(7)帶隙和激射波長之間的InGaAsP或者AlGaInAs四元化合物半導體；多量子阱層由量子阱與壘交替生長得到，阱和壘材料是組分不同的InGaAsP或者AlGaInAs材料。
[0050]步驟2、選擇區域腐蝕頂層材料，并在濾波器區域制作布拉格光柵，形成不同器件的波導芯層。
[0051]將激光器、濾波器、功率探測器區域的頂層InGaAs吸收層腐蝕掉，再將濾波器區域的上限制層和多量子阱層腐蝕掉，在濾波器區域的下限制層上通過電子束曝光或者全息曝光制作布拉格光柵結構(I)，光柵周期由其反射的波長決定。
[0052]步驟3、二次外延蓋層材料,形成p-1-n結構。
[0053]通過MOCVD方法，依次外延i型InP光柵掩埋層(9)、i型InGaAsP腐蝕停止層、p型InP蓋層(8)和P型InGaAs接觸層(10)。
[0054]步驟4、刻蝕出脊型波導，直至腐蝕停止層。
[0055]光刻形成3微米左右的條形掩膜保護層,通過濕法腐蝕(wet etching)用不同的腐蝕液依次去掉條形掩膜兩側的P型InGaAs接觸層、p型InP蓋層，利用InP腐蝕液的選擇腐蝕性控制腐蝕的深度到達腐蝕停止層。沿條形掩膜腐蝕而成的脊型結構折射率高于兩側空氣，即為脊型光波導。
[0056]步驟5、制作有源器件(激光器、功率探測器、信號探測器)的正負電極。
[0057]在濾波器區的波導上方、功率探測器區與信號探測器之間的波導上方腐蝕頂層的P型InGaAs接觸層，并向下刻蝕出隔離槽(14)或者離子注入提高有源器件之間的電隔離。
[0058]在芯片表面沉積一層SiO2或者SiNx的絕緣介質膜(15)，并將激光器、功率探測器和信號探測器區域脊波導頂層的介質膜腐蝕掉，露出P型InGaAS接觸層。
[0059]在芯片表面濺射Ti/Au金屬P電極層，并腐蝕出激光器、功率探測器和信號探測器的P電極(11，12，13)的圖形。
[0060]減薄襯底，在芯片背面襯底上蒸發Au/Ge/Ni合金并退火，再在背面襯底上蒸發Cr/Au形成公用的η電極(16)。
[0061]需要聲明的是，本
【發明內容】
及【具體實施方式】意在證明本發明所提供技術方案的實際應用，不應解釋為對本發明保護范圍的限定。本領域技術人員在本發明的精神和原理啟發下，可作各種修改、等同替換、或改進。但這些變更或修改均在申請待批的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種單片集成PON網絡ONU端光收發芯片，其特征在于，所述芯片包括光波導和制作在其中的光器件。
2.根據權利要求1所述的芯片，其特征在于，所述光波導是條形光波導。
3.根據權利要求1所述的芯片，其特征在于，所述光器件包括沿著所述光波導依次排列的激光器、濾波器、功率探測器和信號探測器。
4.根據權利要求1-3任一項所述的芯片，其特征在于，所述激光器，在電流信號驅動下，發射上行光信號，上行波段包括1260nm-1360nm ;濾波器，反射上行波段的光并透射下行波段的光；功率探測器，吸收透射過濾波器的上行波段的光，轉換為電流信號用于監測激光器的平均光功率；信號探測器，吸收下行光信號，下行波段包括1480nm-1500nm。
5.根據權利要求4所述的芯片,其特征在于,在激光器一端的光波導端口為光輸入輸出端口；所述光輸入輸出端口發出上行光信號，并耦合進入光波導的下行光信號。
6.一種單片集成PON網絡ONU端光收發芯片的制造方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟: (1).一次外延波導材料，形成增益材料與吸收材料的層疊結構； (2).選擇區域腐蝕頂層材料，并在濾波器區域制作布拉格光柵(I)，形成不同器件的波導芯層； (3).二次外延蓋層材料,形成p-1-n結構； (4).刻蝕出脊型波導，直至腐蝕停止層； (5).制作有源器件的正負電極； 步驟2中所述的不同器件包括:激光器、濾波器、功率探測器和信號探測器。
7.根據權利要求6所述的芯片制造方法，其特征在于，在所述步驟I中，增益材料的帶隙波長為1.3微米；吸收材料的帶隙波長為1.5微米。
8.根據權利要求7所述的芯片制造方法，其特征在于，所述步驟I包括:在η型InP半導體襯底上，通過金屬氧化物化學氣相沉積(MOCVD)方法依次生長η型InP緩沖層(6)、i型下限制層(5)、i型多量子阱層⑷、i型上限制層(3)和i型InGaAs吸收層⑵；其中，所述i型下限制層和所述i型上限制層采用帶隙波長介于InP襯底(7)帶隙和激射波長之間的InGaAsP或者AlGaInAs四元化合物半導體。
9.根據權利要求8所述的芯片制造方法，其特征在于，所述i型多量子阱層由量子阱和壘交替生長得到，阱和壘采用InGaAsP或者AlGaInAs材料制造；所述i型多量子阱層的增益峰值波長是1.3微米。
10.根據權利要求6-9任一項所述的芯片制造方法，其特征在于，在所述步驟2中，將激光器、濾波器、功率探測器區域的頂層i型InGaAs吸收層腐蝕掉，再將濾波器區域的i型上限制層和i型多量子阱層腐蝕掉，在濾波器區域的i型下限制層上制作布拉格光柵結構。
11.根據權利要求10所述的芯片制造方法，其特征在于，布拉格光柵結構通過電子束曝光或者全息曝光制作。
12.根據權利要求6-9任一項所述的芯片制造方法，其特征在于，在所述步驟3中，通過MOCVD方法，依次外延i型InP光柵掩埋層(9)、i型InGaAsP腐蝕停止層、p型InP蓋層(8)和P型InGaAs接觸層(10)。
13.根據權利要求6-9任一項所述的芯片制造方法，其特征在于，在所述步驟4中，光刻形成條形掩膜保護層，通過濕法腐蝕用不同的腐蝕液依次去掉條形掩膜兩側的P型InGaAs接觸層和P型InP蓋層，利用InP腐蝕液的選擇腐蝕性控制腐蝕的深度到達腐蝕停止層；沿條形掩膜腐蝕而成的脊型結構折射率高于兩側空氣，形成脊型光波導。
14.根據權利要求13所述的芯片制造方法，其特征在于，所述條形掩膜保護層的寬度為3微米。
15.根據權利要求6-9任一項所述的芯片制造方法，其特征在于，在所述步驟5中，所述有源器件包括激光器、功率探測器和信號探測器；所述步驟5包括如下步驟: (5-1).在濾波器區的波導上方、功率探測器區與信號探測器之間的波導上方腐蝕頂層的P型InGaAs接觸層，并向下刻蝕出隔離槽(14)或者進行離子注入； (5-2)在芯片表面沉積一層SiO2或者SiNx的絕緣介質膜(15)，并將激光器、功率探測器和信號探測器區域脊波導頂層的介質膜腐蝕掉，露出P型InGaAs接觸層； (5-3).在芯片表面濺射Ti/Au金屬P電極層，并腐蝕出激光器、功率探測器和信號探測器的P電極(11，12，13)的圖形； (5-4).減薄襯底，在芯片背面襯底上蒸發Au/Ge/Ni合金并退火，再在背面襯底上蒸發Cr/Au形成公用的η電極(1 6)。
【文檔編號】H01L31/173GK103456829SQ201210173670
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2012年5月30日 優先權日:2012年5月30日
【發明者】汪洋, 汪波濤, 李明維, 王東山 申請人:國家電網公司, 國網電力科學研究院