同质集成红外光子芯片及其制备方法与流程

本发明涉及信息材料与器件技术领域，尤其涉及一种同质集成红外光子芯片及其制备方法。

背景技术：

红外发光二极管是一种能发出红外线的二极管，应用于安全监控、穿戴式装置、红外线通信、红外线遥控装置、传感器用光源及夜间照明等领域，特别是气体检测领域。然而，目前市场上仅有独立的红外发光二极管或红外接收二极管。因此，在制造红外光通信器件时，需要在不同材料上分别制造二极管器件和波导器件，即现有技术中的红外光通信器件均为异质集成器件，极大的增加了红外光通信器件的制造难度以及制造成本。

因此，如何降低红外光通信器件的制造难度以及制造成本，是目前亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明提供了一种同质集成红外光子芯片及其制备方法，用于解决现有的红外光通信器件制造难度大、制造成本高的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种同质集成红外光子芯片，包括衬底层以及均位于所述衬底层表面的器件结构和波导结构；

所述器件结构包括沿垂直于所述衬底层的方向依次叠置的下接触层、量子阱层和上接触层，且所述衬底层、所述下接触层、所述量子阱层与所述上接触层的材料均为ⅲ-ⅴ族材料；

所述波导结构包括采用ⅲ-ⅴ族材料制造而成的波导层，所述波导层与所述下接触层同层设置。

优选的，还包括位于所述衬底层表面、且采用ⅲ-ⅴ族材料制造而成的缓冲层，所述下接触层与所述波导层均位于所述缓冲层表面。

优选的，所述下接触层呈台阶状，台阶状的所述下接触层包括下台面以及凸设于所述下台面表面的上台面；所述量子阱层与所述上接触层依次叠置于所述上台面；所述波导层与所述下接触层的材料相同。

优选的，所述衬底层为inp衬底层，所述下接触层与所述波导层均为n-inp层，所述上接触层为p-ingaas层；

所述器件结构包括在所述上台面表面沿所述衬底层指向所述器件结构的方向依次叠置的量子阱层、p-inp间隔层、刻蚀阻断层、p-inp覆盖层、p-pq间隙缓冲层、p-ingaas层。

优选的，所述衬底层表面具有两个所述器件结构以及位于两个所述器件结构之间的波导隔离槽；所述波导结构位于所述波导隔离槽的底部，用于在两个所述器件结构之间传输光信号。

为了解决上述问题，本发明还提供了一种同质集成红外光子芯片的制备方法，包括如下步骤：

提供一采用ⅲ-ⅴ族材料制造而成的衬底层；

形成器件结构与波导结构于所述衬底层表面，所述器件结构包括沿垂直于所述衬底层的方向依次叠置的下接触层、量子阱层和上接触层，且所述下接触层、所述量子阱层与所述上接触层的材料均为ⅲ-ⅴ族材料；所述波导结构包括采用ⅲ-ⅴ族材料制造而成的波导层，所述波导层与所述下接触层同层设置。

优选的，形成器件结构与波导结构于所述衬底层表面之前还包括如下步骤：

沉积第一ⅲ-ⅴ族材料于所述衬底层表面，形成缓冲层。

优选的，形成器件结构与波导结构于所述衬底层表面的具体步骤包括：

依次沉积第二ⅲ-ⅴ族材料、量子阱材料、第三ⅲ-ⅴ族材料于所述缓冲层表面，形成堆叠结构；

刻蚀所述堆叠结构，形成所述器件结构和所述波导结构，所述器件结构包括由部分所述第二ⅲ-ⅴ族材料构成的所述下接触层、由所述量子阱材料构成的量子阱层以及由所述第三ⅲ-ⅴ族材料构成的上接触层，所述波导结构包括由部分所述第二ⅲ-ⅴ族材料构成的所述波导层。

优选的，刻蚀所述堆叠结构的具体步骤包括：

于所述堆叠结构中定义器件区域和波导区域；

刻蚀所述堆叠结构，形成台阶状的第二ⅲ-ⅴ族材料层；所述第二ⅲ-ⅴ族材料层包括下台面以及凸设于所述下台面的上台面，所述量子阱层与所述上接触层依次叠置于所述上台面，所述上台面与位于所述器件区域的下台面构成所述下接触层，所述下台面延伸至所述波导区域形成所述波导层。

优选的，所述衬底层表面具有两个所述器件结构以及位于两个所述器件结构之间的波导隔离槽；所述波导结构位于所述波导隔离槽的底部，用于在两个所述器件结构之间传输光信号。

本发明提供的同质集成红外光子芯片及其制备方法，通过将波导结构与器件结构集成于由ⅲ-ⅴ族材料构成的衬底上，同样采用ⅲ-ⅴ族材料制造所述波导结构与所述器件结构，且将所述器件结构中的下接触层与所述波导结构中的波导层同层设置，达到了波导结构与器件结构同质集成的目的，进而实现了红外波段的非可见光在片内的传输，降低了红外光通信器件的制造难度及制造成本。

附图说明

附图1a是本发明具体实施方式中一同质集成红外光子芯片的俯视结构示意图；

附图1b是本发明具体实施方式中另一同质集成红外光子芯片的俯视结构示意图；

附图2是附图1a沿x轴方向的一截面示意图；

附图3是附图1a沿y轴方向的一截面示意图；

附图4是附图1b沿y轴方向的一截面示意图；

附图5是本发明具体实施方式中同质集成红外光子芯片的制备方法流程图；

附图6a-6l是本发明具体实施方式在制造同质集成红外光子芯片过程中的主要工艺截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的同质集成红外光子芯片及其制备方法的具体实施方式做详细说明。

本具体实施方式提供了一种同质集成红外光子芯片，附图1a是本发明具体实施方式中一同质集成红外光子芯片的俯视结构示意图，附图1b是本发明具体实施方式中另一同质集成红外光子芯片的俯视结构示意图，附图2是附图1a沿x轴方向的一截面示意图，附图3是附图1a沿y轴方向的一截面示意图，附图4是附图1b沿y轴方向的一截面示意图。

如图1a-1b、图2-图4所示，本具体实施方式提供的同质集成红外光子芯片，包括衬底层20以及均位于所述衬底层20表面的器件结构和波导结构；

所述器件结构包括沿垂直于所述衬底层20的方向依次叠置的下接触层22、量子阱层23和上接触层13，且所述衬底层20、所述下接触层22、所述量子阱层23与所述上接触层13的材料均为ⅲ-ⅴ族材料；

所述波导结构包括采用ⅲ-ⅴ族材料制造而成的波导层10，所述波导层10与所述下接触层22同层设置。

本具体实施方式在所述衬底层20表面同时集成有所述器件结构与所述波导结构，在沿图1中的y轴方向的截面图中，器件结构中的所述下接触层22、所述量子阱层23与所述上接触层13沿垂直于所述衬底层20的方向依次堆叠；在沿图1中的x轴方向的截面图中，所述器件结构与所述波导结构的波导层10沿平行于所述衬底层20的方向排布，红外光信号在所述器件结构与所述波导结构之间进行传输。本具体实施方式实现了红外波段的非可见光在片内的传输，降低了红外光通信器件的制造难度及制造成本；同时，同质集成结构提高了片内发光二极管光源的利用效率，为发展面向光通信、光传感的光子器件提供了新的方向。

优选的，所述同质集成红外光子芯片还包括位于所述衬底层20表面、且采用ⅲ-ⅴ族材料制造而成的缓冲层21，所述下接触层22与所述波导层10均位于所述缓冲层21表面。

具体来说，所述缓冲层21外延生长于所述衬底层20表面，所述缓冲层21的材料与所述衬底层20的材料可以相同，也可以不同，用于调整所述衬底层20与所述器件结构之间的应力。所述波导层10与位于所述波导层10正下方区域的部分所述缓冲层21共同构成所述波导结构。

优选的，所述下接触层22呈台阶状，台阶状的所述下接触层22包括下台面以及凸设于所述下台面表面的上台面；所述量子阱层23与所述上接触层13依次叠置于所述上台面；所述波导层10与所述下接触层22的材料相同。

优选的，所述衬底层20为inp衬底层，所述下接触层22与所述波导层10均为n-inp层，所述上接触层13为p-ingaas层；

所述器件结构包括在所述上台面表面沿所述衬底层指向所述器件结构的方向依次叠置的量子阱层23、p-inp间隔层24、刻蚀阻断层25、p-inp覆盖层26、p-pq间隙缓冲层27、p-ingaas层。

其中，p-pq间隙缓冲层27中的pq表示由in、p、ga、as四种元素组成的化合物。在采用上述各种材料的组合制造而成的所述同质集成红外光子芯片中，所述器件结构能够产生的光波长为1550nm，属于红外波段的非可见光。当然，本领域技术人员还可以根据需要选择其他ⅲ-ⅴ族材料制造所述器件结构，只要能产生红外光信号即可。

具体来说，所述缓冲层21可以为inp层或gaas层。所述缓冲层21表面包括具有所述器件结构的器件区域和具有所述波导层10的波导区域。位于所述器件区域的所述n-inp层构成所述下接触层22，且所述下接触层22呈台阶状，所述量子阱层23、所述p-inp间隔层24、所述刻蚀阻断层25、所述p-inp覆盖层26、所述p-pq间隙缓冲层27、所述p-ingaas层沿垂直于所述衬底层20的方向依次叠置于所述上台面。位于所述波导区域的所述n-inp层构成所述波导层10。为了简化制造工艺，所述波导层10与所述下台面的厚度相同。

在本具体实施方式中，如图1a、图3所示，所述波导层10与所述下接触层22之间具有一沿垂直于所述衬底层20的方向贯穿所述n-inp层的开口。

在其他具体实施方式中，如图1b、图4所述，所述波导层10与所述下接触层22的所述下台面连接，即所述下接触层22的所述下台面延伸至所述波导区域，形成所述波导层10。

p-电极12位于所述p-ingaas层表面，n-电极11位于所述下接触层22的所述下台面的表面。所述p-电极12与所述n-电极11的材料可以均为钛、铂或金。

优选的，所述衬底层20表面具有两个所述器件结构以及位于两个所述器件结构之间的波导隔离槽；所述波导结构位于所述波导隔离槽的底部，用于在两个所述器件结构之间传输光信号。

具体来说，所述波导隔离槽用于电性隔离两个所述器件结构。所述波导结构位于两个完全相同的所述器件结构之间，两个所述器件结构的其中之一作为光信号的发射端、另一作为光信号的接收端，使得红外光信号通过所述波导结构在所述发射端与所述接收端之间进行传输。两个所述器件结构与位于两个所述器件结构之间的所述波导结构构成一对光子通信器件。在本具体实施方式提供的所述同质集成红外光子芯片中，可以仅包括一对光子通信器件，也可以包括多对光子通信器件，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。

在本具体实施方式中，无论所述器件结构中的所述下接触层22与所述波导结构中的所述波导层10连接或者不连接，两个所述器件结构都能通过所述波导层10上方的所述波导隔离槽电性隔离，从而在实现红外光子芯片同质集成、非可见光片内传输的同时，能够简化所述同质集成红外光子芯片的制备工艺。当所述下接触层22与所述波导层10不连接时，能够更好的电性隔离两个所述器件结构；当所述下接触层22与所述波导层10连接时，则可以大大简化制造工艺。

不仅如此，本具体实施方式还提供了一种同质集成红外光子芯片的制备方法，附图5是本发明具体实施方式中同质集成红外光子芯片的制备方法流程图，附图6a-6l是本发明具体实施方式在制造同质集成红外光子芯片过程中的主要工艺截面示意图。本具体实施方式制造的同质集成红外光子芯片的结构可参见图1a、图1b、图2-图4。如图1a、图1b、图2-图5、图6a-图6l所示，本具体实施方式提供的同质集成红外光子芯片的制备方法，包括如下步骤：

步骤s41，提供一采用ⅲ-ⅴ族材料制造而成的衬底层20；

步骤s42，形成器件结构与波导结构于所述衬底层20表面，所述器件结构包括沿垂直于所述衬底层的方向依次叠置的下接触层22、量子阱层23和上接触层13，且所述下接触层22、所述量子阱层23与所述上接触层13的材料均为ⅲ-ⅴ族材料；所述波导结构包括采用ⅲ-ⅴ族材料制造而成的波导层10，所述波导层10与所述下接触层22同层设置。

优选的，形成器件结构与波导结构于所述衬底层20表面之前还包括如下步骤：

沉积第一ⅲ-ⅴ族材料于所述衬底层20表面，形成缓冲层21。

优选的，形成器件结构与波导结构于所述衬底层20表面的具体步骤包括：

依次沉积第二ⅲ-ⅴ族材料、量子阱材料、第三ⅲ-ⅴ族材料于所述缓冲层21表面，形成堆叠结构，如图6a所示；

刻蚀所述堆叠结构，形成所述器件结构和所述波导结构，所述器件结构包括由部分所述第二ⅲ-ⅴ族材料构成的所述下接触层22、由所述量子阱材料构成的量子阱层23以及由所述第三ⅲ-ⅴ族材料构成的上接触层13，所述波导结构包括由部分所述第二ⅲ-ⅴ族材料构成的所述波导层10。

优选的，刻蚀所述堆叠结构的具体步骤包括：

于所述堆叠结构中定义器件区域和波导区域；

刻蚀所述堆叠结构，形成台阶状的第二ⅲ-ⅴ族材料层；所述第二ⅲ-ⅴ族材料层包括下台面以及凸设于所述下台面的上台面，所述量子阱层23与所述上接触层13依次叠置于所述上台面，所述上台面与位于所述器件区域的下台面构成所述下接触层22，所述下台面延伸至所述波导区域形成所述波导层10。

此时，形成的同质集成红外光子芯片的结构如图1a、图2、图3所示，即所述下接触层22与所述波导层10连接。

在其他具体实施方式中，为了得到如图1b、图4所示的结构，刻蚀所述堆叠结构之后还包括如下步骤：刻蚀所述波导区域与所述器件区域之间的所述下台面，形成贯穿至所述缓冲层的开口、并同时形成由部分所述下台面构成的所述波导层10。

所述第一ⅲ-ⅴ族材料为inp材料，所述第二ⅲ-ⅴ族材料为n-inp材料，所述第三ⅲ-ⅴ族材料为p-ingaas，所述衬底层20的材料为inp材料。以下以形成如图1b、图4所示的结构为例进行说明。形成器件结构与波导结构于所述衬底层20表面的具体步骤包括：

(1)依次沉积inp层、n-inp层、量子阱层、p-inp间隔层、刻蚀阻断层、p-inp覆盖层、p-pq间隙缓冲层、p-ingaas层于所述衬底层20表面，形成堆叠结构，如图6a所示。

(2)于所述堆叠结构表面均匀涂布一层第一光刻胶层501，如图6b所示，并于所述第一光刻胶层501中定义器件区域和波导区域。

(3)采用反应离子束刻蚀所述堆叠结构，形成如图6c所示的台阶状结构，去除残余的所述第一光刻胶层501之后，最终得到如图6d所示的结构。具体来说，通过刻蚀，形成台阶状的所述n-inp层，其中位于所述器件区域的所述n-inp层包括下台面以及凸设于所述下台面表面的上台面，且所述n-inp层的下台面延伸至所述波导区域。同时，仅保留位于所述上台面的所述量子阱层、所述p-inp间隔层、所述刻蚀阻断层、所述p-inp覆盖层、所述p-pq间隙缓冲层、所述p-ingaas层，位于所述下台面上的所述量子阱层、所述p-inp间隔层、所述刻蚀阻断层、所述p-inp覆盖层、所述p-pq间隙缓冲层、所述p-ingaas层均去除，在形成波导隔离槽的同时形成位于所述上台面的所述量子阱层23、所述p-inp间隔层24、所述刻蚀阻断层25、所述p-inp覆盖层26、所述p-pq间隙缓冲层27、所述上接触层13，位于所述器件区域的台阶状的所述n-inp材料层构成所述下接触层22。

(4)在如图6d所示的结构表面均匀涂布一层第二光刻胶层502，如图6e所示；在所述第二光刻胶层502中定义p-电极窗口区域121和n-电极窗口区域111，如图6f所示；在所述p-电极窗口区域121和所述n-电极窗口区域111分别蒸镀钛、铂或金，形成欧姆接触，得到p-电极12与n-电极11，如图6g所示；除去残余的所述第二光刻胶层502，最终得到如图6h所示的发光二极管结构。

(5)在形成有如图6h所示的发光二极管结构的所述衬底层20的均匀表面涂布一层第三光刻胶层503，如图6i所示；并在所述第三光刻胶层中再次定义所述波导区域、所述器件区域以及所述波导区域与所述器件区域之间的间隔区域51，如图6j所述；接着，采用反应离子束刻蚀工艺刻蚀位于所述间隔区域51的所述n-inp材料层的下台面至所述缓冲层21，形成贯穿所述下台面的开口，如图6k所示；去除残余的所述第三光刻胶层503之后，最终得到如图6l所示的结构。

优选的，所述衬底层20表面具有两个所述器件结构以及位于两个所述器件结构之间的波导隔离槽；所述波导结构位于所述波导隔离槽底部，用于在两个所述器件结构之间传输光信号。

具体来说，两个所述器件结构完全相同，因此，两个所述器件结构与所述波导结构可以同步制作，从而进一步简化了所述同质集成红外光子芯片的制备工艺，降低了制备成本。

本具体实施方式提供的同质集成红外光子芯片及其制备方法，通过将波导结构与器件结构集成于由ⅲ-ⅴ族材料构成的衬底上，同样采用ⅲ-ⅴ族材料制造所述波导结构与所述器件结构，且在所述波导结构与所述器件结构之间形成一间隙，达到了波导结构与器件结构的同质集成的目的，进而实现了红外波段的非可见光在片内的传输，降低了红外光通信器件的制造难度及制造成本。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。