一種單片集成收發一體光電芯片及集成芯片陣列的制作方法
本發明涉及光電技術領域，更具體地，涉及一種單片集成收發一體光電芯片及集成芯片陣列。
背景技術：
近年來信息技術領域的進步日新月異，從商業、工業、通信、社會服務等各個領域向人們的日常工作、生活的各個方面逐步加速滲透，互聯網、云計算、大數據等現代信息技術深刻改變著人類的思維、生產、生活、學習方式，深刻展示了世界發展的前景，并進而更進一步推動了自身的飛速發展。在我國，云計算和大數據服務也受到了極大的關注和推動，國家十二五規劃綱要、“十二五”國家戰略性新興產業發展規劃將云計算列為新一代信息技術產業的重點領域。2015年《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十三個五年規劃的建議》中更具體提到要實施國家大數據戰略，這標志著大數據已被國家納入創新戰略層面，成為國家戰略計劃的核心任務之一。進而，作為大數據戰略服務支撐的云計算也同時獲得了新的發展契機。目前，國家工信部正在制定大數據產業和云計算的“十三五”發展規劃。
技術上看這一重要的“云”基本上由三個同等重要的系統構成。存儲用戶數據和信息資源的數據中心、聯結各個數據中心的網絡及聯結終端用戶到各個數據中心的網絡。對于數據中心，其由多層交換機或路由器架構起所有服務器之間的互聯通道以及與外部網絡的聯通與交換，光互聯技術在其網絡架構中起著決定性作用，幾乎所有的交換機和路由器間的連接都由其實現，而且目前光互聯技術更進一步滲透到服務器組交換機到服務器和服務器之間的連接領域。光互聯的優勢包括滿足不斷更新的應用對多種特性流量的聯接需求、節能、交換轉變的快速性、波分復用和并行聯接的可行性、降低路由節點數、競爭解決和高速的光連接存儲。目前已投入使用的100G的光互聯方案如下表1所示。
表1：三種100G技術
備注：上表中，MMF：多模光纖；SMF：單模光纖；DFB：分布反饋布拉格。
目前主要研究的光互聯技術方案有兩種，基于垂直腔面發射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)和多模光纖的方案，基于分布反饋布拉格(D絕緣層tributed Feedback Laser，DFB)激光器和單模光纖的方案。對于兩種方案其收發端的研究重點是VCSEL和硅光子學集成芯片(Si-Photonics)，其評價主要從三個方面來考慮：考慮集成度的單位體積或面積帶寬密度(Gb/s/mm3或Gb/s/mm2)、考慮功耗的單位速率功耗(pJ/bit或mW/Gb/s)以及考慮成本的單位帶寬成本($/Gb/s)。而在實際應用中，99％以上的光互聯距離都在300m以下，所以基于垂直腔面發射激光器的方案更為業界所重視。
對于垂直腔面發射激光器，自1996年首支VCSEL投入商用以來,已經有超過3億支激光器應用在數據通信系統中。商用系統中應用的VCSEL傳輸速率也從1996年的1Gb/s逐步提升到2014年的28Gb/s。研究表明，80％應用多模光纖的互連距離小于100m，目前實際應用中VCSEL通常與符合OM3標準的多模光纖配合使用，可以支持單信道10Gb/s下100m的光互聯或25Gb/s下75m的光互聯。對于更高的傳輸速率要求目前通常是采用多光纖通道的并聯方式實現，如4×10Gb/s、4×25Gb/s或8×12.5Gb/s等來實現40Gb/s到100Gb/s的傳輸速率。垂直腔面發射激光由上下兩層反射鏡(p-DBR和n-DBR)夾持著量子阱(QWs)有源區構成，由正/負電極(p-contact/n-contact)注入的電流被氧化層(oxide layer)形成的窗口限制。
另一方面，從光互聯的另一端-接收端來看，多年來沒有太多的變化，采用高速的分立GaAs/InGaAs PIN、APD或Ge波導探測器作為接收器件，更進一步嘗試與IC集成在一起，以及為了實現波分復用光通信中光信號的波長解復用接收，集成了諧振腔光波濾波器和諧振腔增強型光探測器而提出的多腔波長解復用探測器，如參考文獻“Theory and experiments of a three-cavity wavelength-selective photodetector”,Applied Optics(USA),39(24),pp.4263-4269,2000”中。但是對于光互聯通道單位體積或面積傳輸帶寬指標來看，它占了將近一半的指標。而且對于更高集成密度的單纖雙向信道來看，復雜的光學組件不僅沒有降低模組尺寸，反而進一步增加了占用面積。在系統構成中，分立的探測組件也必然對應著單獨的耦合封裝需求，增加封裝的成本。而在激光器與探測器集成方面，目前采用的主要研究思路是將兩種器件在Si光學襯底上實現封裝集成，并通過Si光學襯底上的光波導實現連接,稱之為Si光子集成芯片；而在單片集成方面，一些研究項目將VCSEL與PD在同一芯片上實現了橫向的并列集成，如參考文獻“Bidirectional Multimode Fiber Interconnection at Gb/s Data Rates With Monolithically Integrated VCSEL–PIN Transceiver Chips，IEEE Photonics Technology Letters，23(15)，pp.1058-1060”所示，但是這一集成方式的缺點是VCSEL和探測器無法同時實現最佳的工作性能，以及將VCSEL在不同的工作狀態(正偏工作或反偏工作)分別作為發射光源或光信號探測器，如參考文獻“Bidirectional Multimode-Fiber CommunicationLinks Using Dual-Purpose Vertical Cavity Devices，J.of Lightwave Technology,24(3)，pp.1283-1294”所示，但是這一集成方式的缺點是無法同時實現光信號的發射與接收。
技術實現要素：
本發明提供一種克服上述問題或者至少部分地解決上述問題的單片集成收發一體光電芯片及集成芯片陣列，整體集成芯片只應用一個光學腔，同時起到光發射上的諧振增強與光吸收上的高透濾波功能，實現光信號的發射與接收，而且實現工藝更加簡便。
根據本發明的一個方面，提供一種單片集成收發一體光電芯片，包括襯底、光吸收單元和光發射單元；所述光發射單元的光激射波長構成光電芯片的發射光譜區，所述光吸收單元吸收波長構成光電芯片的吸收光譜區，所述吸收光譜區和所述發射光譜區不重疊；所述光吸收單元包括依次層疊于襯底上的第一半導體材料層、第二半導體材料層和第三半導體材料層；所述光發射單元包括第一反射鏡、光學腔和第二反射鏡，所述光學腔位于第一反射鏡上，所述第二反射鏡位于光學腔上；所述光吸收單元和光發射單元縱向垂直集成為一體。
作為優選的，所述第三半導體材料層上設有絕緣層，所述光吸收單元和光發射單元通過絕緣層電隔離。
作為優選的，所述光學腔由InxGayAl1-x-yAs、InxGayAs1-x-yP、InxGayAl1-x-yP、InxGayAl1-x-yN或InxGayAs1-x-yN中的一種材料層或多種不同材料層構成，其中，0≤x≤1，0≤y≤1，且x+y≤1；所述光學腔中含有InxGayAl1-x-yAs，InxGayAs1-x-yP，InxGayAl1-x-yP，InxGayAl1-x-yN或InxGayAs1-x-yN材料構成的多量子阱或多層量子點有源區，其中0≤x≤1，0≤y≤1，在被注入電流的情況下可激射的光波波長為700nm～1700nm。
作為優選的，所述第一半導體材料層、第二半導體材料層或第三半導體材料層由InxGayAl1-x-yAs，InxGayAs1-x-yP，InxGayAl1-x-yP，InxGayAl1-x-yN或InxGayAs1-x-yN中的一種材料層或多種不同材料層構成，其中0≤x≤1，0≤y≤1；其中含有由InxGayAl1-x-yAs、InxGayAs1-x-yP、InxGayAl1-x-yP、InxGayAl1-x-yN或InxGayAs1-x-yN半導體材料構成的吸收層，所述吸收層為體結構，多量子阱結構或多層量子點結構，且吸收700nm～1700nm波長的入射光波，其中，0≤x≤1，0≤y≤1，且x+y≤1。
作為優選的，所述吸收光譜區和發射光譜區位于光纖的850nm通信窗口、1310nm通信窗口或1550nm通信窗口
作為優選的，所述光發射單元的光激射方向指向光吸收單元所在方向的反方向。
作為優選的，所述絕緣層由絕緣膠構成，或由InxAlyGa1-x-yAs、InxAlyGa1-x-yP或InxAlyGa1-x-yN半導體材料經濕法氧化工藝轉變的絕緣材料構成，其中，0≤x≤1，y≥0.94，且x+y≤1。
作為優選的，所述第一反射鏡和第二反射鏡為多層由不同材料構成的布拉格反射鏡或亞波長光柵反射鏡；所述構成布拉格反射鏡或亞波長光柵反射鏡的材料包括InxGayAl1-x-yAs、InxGayAs1-x-yP、InxGayAl1-x-yP，InxGayAl1-x-yN、InxGayAs1-x-yN半導體材料，SiO2、TiO2、MgF、Si介質膜材料，其中，0≤x≤1，0≤y≤1，且x+y≤1。
作為優選的，所述第一反射鏡、第二反射鏡中至少一個反射鏡含有至少一層InxAlyGa1-x-yAs、InxAlyGa1-x-yP或InxAlyGa1-x-yN半導體材料，其中0≤x≤1，y≥0.94，x+y≤1，且該層半導體材料經濕法氧化工藝部分氧化為絕緣材料并構成注入電流限制窗口。
作為優選的，所述光吸收單元為PIN光電探測器、雪崩光電探測器或單行載流子光電探測器。
一種集成芯片陣列，包括若干如上所述的單片集成收發一體光電芯片。
本申請提出一種單片集成收發一體光電芯片，將光發射單元和光吸收單元縱向疊加集成在一起，利用光發射單元的光學諧振腔結構，使光發射單元的光學諧振腔在激光器的發射波長上形成高Q的諧振腔結構，光發射單元諧振腔的兩個反射鏡的反射率均大于96％，以利用激光器的激射，而在光吸收單元的探測光譜區則形成一個寬光譜(＞5nm)的的高透射(透射率>50％)低反射(反射率<50％)的光譜區，以提高光吸收單元半導體光電探測器的量子效率。整體集成芯片只應用一個光學腔，同時起到光發射上的諧振增強與光吸收上的高透濾波功能，可以同時實現光信號的發射與接收，而且實現工藝更加簡便。
附圖說明
圖1是本發明實施例1中集成芯片的結構示意圖；
圖2是本發明實施例2中集成芯片的結構示意圖；
圖3是本發明實施例中第一反射鏡所實現的反射譜示意圖；
圖4是本發明實施例中第二反射鏡所實現的反射譜示意圖；
圖5是本發明中集成芯片整體結構的反射光譜示意圖；
圖6是本發明實施例中第一反射鏡所實現的反射譜示意圖；
圖7是本發明實施例中第二反射鏡所實現的反射譜示意圖；
圖8是本發明中集成芯片整體結構的反射光譜示意圖；
圖9是本發明中實施例5中集成芯片的結構介紹示意圖；
圖10是本發明中實施例6中集成芯片的結構介紹示意圖；
圖11是本發明中實施例7中集成芯片的結構介紹示意圖；
圖12是本發明實施例8中集成芯片陣列的介紹示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。
圖1示出了一種單片集成收發一體光電芯片，包括襯底1、光吸收單元和光發射單元；所述光發射單元的光激射方向指向光吸收單元所在方向的反方向；所述光發射單元的光激射波長構成光電芯片的發射光譜區，所述光吸收單元吸收波長構成光電芯片的吸收光譜區，所述吸收光譜區和所述發射光譜區不重疊；所述光吸收單元包括依次層疊于襯底1上的第一半導體材料層2、第二半導體材料層3和第三半導體材料層4，所述第三半導體材料上設有絕緣層5，所述光吸收單元和光發射單元通過絕緣層5電隔離；所述光發射單元包括第一反射鏡6、光學腔7和第二反射鏡8，所述光學腔7位于第一反射鏡6上，所述第二反射鏡8位于光學腔7上；光吸收單元接收的位于吸收光譜區的信號光經過光發射單元后入射，而光發射單元的反射譜在吸收光譜區具有低于50％的反射率。
所述第一半導體材料層2、第二半導體材料層3、第三半導體材料層4、絕緣層5、第一反射鏡6、第二反射鏡8可以是n型摻雜，p型摻雜，本征無摻雜或非特意摻雜；所述光學腔7為本征區或非特意摻雜區。
作為優選的，所述光學腔7又InxGayAl1-x-yAs、InxGayAs1-x-yP、InxGayAl1-x-yP、InxGayAl1-x-yN或InxGayAs1-x-yN中的一種材料層或多種不同的材料層構成，所述光學腔中含有InxGayAl1-x-yAs，InxGayAs1-x-yP，InxGayAl1-x-yP，InxGayAl1-x-yN或InxGayAs1-x-yN材料構成的多量子阱或多層量子點有源區，其中0≤x≤1，0≤y≤1，在被注入電流的情況下可激射的光波波長為700nm～1700nm。
作為優選的，所述第一半導體材料層2、第二半導體材料層3或第三半導體中包括由InxGayAl1-x-yAs、InxGayAs1-x-yP、InxGayAl1-x-yP、InxGayAl1-x-yN或InxGayAs1-x-yN半導體材料構成的吸收層，所述吸收層為多量子阱或量子點結構，且吸收700nm～1700nm波長的入射光波，其中，0≤x≤1，0≤y≤1。
作為優選的，所述吸收光譜區和發射光譜區位于光纖的850nm通信窗口、1310nm通信窗口或1550nm通信窗口
作為優選的，所述光發射單元的光激射方向指向光吸收單元所在方向的反方向。
作為優選的，所述第一半導體材料層2、第二半導體材料層3、第三半導體材料層4和所述光學腔7為InxGayAl1-x-yAs，InxGayAs1-x-yP，InxGayAl1-x-yP，InxGayAl1-x-yN或InxGayAs1-x-yN中的一種或多種材料層構成，其中，0≤x≤1，0≤y≤1。
作為優選的，所述絕緣層5由絕緣膠構成，或由InxAlyGa1-x-yAs、InxAlyGa1-x-yP或InxAlyGa1-x-yN半導體材料經濕法氧化工藝轉變的絕緣材料構成，其中，0≤x≤1，y≥0.94。
作為優選的，所述第一反射鏡6和第二反射鏡8為多層由不同材料構成的布拉格反射鏡或亞波長光柵反射鏡；所述構成布拉格反射鏡或亞波長光柵反射鏡的材料包括InxGayAl1-x-yAs、InxGayAs1-x-yP、InxGayAl1-x-yP，InxGayAl1-x-yN、InxGayAs1-x-yN半導體材料，SiO2、TiO2、MgF、Si介質膜材料。
作為優選的，所述第一反射鏡6、第二反射鏡8中至少一個反射鏡含有至少一層InxAlyGa1-x-yAs、InxAlyGa1-x-yP或InxAlyGa1-x-yN半導體材料，其中0≤x≤1，y≥0.94，且該層半導體材料經濕法氧化工藝部分氧化為絕緣材料并構成注入電流限制窗口。
作為優選的，所述光吸收單元為PIN光電探測器、雪崩光電探測器或單行載流子光電探測器。
實施例1
本實施例提供的單片集成收發一體光電芯片的基本結構如圖1所示，其中襯底1為n型摻雜的GaAs，第一半導體材料層2為300nm厚n型摻雜Al0.2Ga0.8As層，第二半導體材料層3由1600nm厚本征的或非特意摻雜GaAs構成的光吸收層，第三半導體材料層4由300nm厚p型摻雜的Al0.2Ga0.8As層和10nm厚p型摻雜的GaAs層構成，第一半導體材料層2，第二半導體材料層3和第三半導體材料層4構成的光吸收單元構成PIN光電探測器結構。第一反射鏡6為33對n型摻雜的Al0.9Ga0.1As/Al0.1Ga0.9As材料構成的反射鏡，其反射譜示意圖如圖3所示。光學腔7由本征的或非特意摻雜的Al0.2Ga0.8As/MQW/Al0.2Ga0.8As構成，諧振波長位于集成芯片發射光譜區，其中MQW是由5對4nm厚的In0.07Ga0.93As阱區和6nm厚Al0.37Ga0.63As勢壘構成。第二反射鏡8由29對p型摻雜的Al0.9Ga0.1As/Al0.1Ga0.9As材料構成的反射鏡，靠近光學腔7側為第一對。在第二反射鏡8中第1對和第2對Al0.9Ga0.1As/Al0.1Ga0.9As材料間插入一層30nm厚的p摻雜Al0.96Ga0.04As并在器件加工中通過濕法氧化將其氧化為Al2O3絕緣層5，中心留出6微米直徑的區域不氧化，作為注入電流限制窗口。第二反射鏡8具有如圖4所示意的反射譜。圖5示意了集成芯片整體結構的反射譜。從圖3，4，45可以看到，第一反射鏡6，第二反射鏡8以及集成芯片整體結構的反射光譜均在吸收光譜區具有低的反射率(反射率低于50％)，而在發射光譜區第一反射鏡6和第二反射鏡8具有高的反射率(反射率大于90％)，而集成芯片整體結構的反射光譜由于光發射單元的光學諧振腔作用，在位于發射光譜區的光學諧振波長上反射率降低。本實施例集成芯片的吸收光譜區和發射光譜區位于光纖850nm附近的通信窗口。
實施例2
本實施例提供的單片集成收發一體光電芯片的基本結構如圖2所示，其中襯底1為p型摻雜的GaAs，第一半導體材料層2為300nm厚p型摻雜Al0.2Ga0.8As層，第二半導體材料層3由1600nm厚本征的或非特意摻雜GaAs構成的光吸收層，第三半導體材料層4由300nm厚n型摻雜的Al0.2Ga0.8As層和10nm厚n型摻雜的GaAs層構成，第一半導體材料層2，第二半導體材料層3和第三半導體材料層4構成的光吸收單元構成PIN光電探測器結構。絕緣層5為30nm厚的n型摻雜Al0.98Ga0.02As材料并在器件工藝實現中通過濕法氧化將其完全氧化為Al2O3層來實現光吸收器單元和光發射單元的電隔離。第一反射鏡6為33對n型摻雜的Al0.9Ga0.1As/Al0.1Ga0.9As材料構成的反射鏡，其反射譜示意圖如圖3所示。光學腔7由本征的或非特意摻雜的Al0.2Ga0.8As/MQW/Al0.2Ga0.8As構成，諧振波長位于集成芯片發射光譜區，其中MQW是由5對4nm厚的In0.07Ga0.93As阱區和6nm厚Al0.37Ga0.63As勢壘構成。第二反射鏡8由29對p型摻雜的Al0.9Ga0.1As/Al0.1Ga0.9As材料構成的反射鏡，靠近光學腔7側為第一對。在第二反射鏡8中第1對和第2對Al0.9Ga0.1As/Al0.1Ga0.9As材料間插入一層30nm厚的p摻雜Al0.96Ga0.04As并在器件加工中通過濕法氧化將其氧化為Al2O3絕緣層5，中心留出6微米直徑的區域不氧化，作為注入電流限制窗口。第二反射鏡8具有如圖4所示意的反射譜。圖5示意了集成芯片整體結構的反射譜。從圖3，4，5可以看到，第一反射鏡6，第二反射鏡8以及集成芯片整體結構的反射光譜均在吸收光譜區具有低的反射率(反射率低于50％)，而在發射光譜區第一反射鏡6和第二反射鏡8具有高的反射率(反射率大于90％)，而集成芯片整體結構的反射光譜由于光發射單元的光學諧振腔作用，在位于發射光譜區的光學諧振波長上反射率降低。本實施例集成芯片的吸收光譜區和發射光譜區位于光纖850nm附近的通信窗口。
實施例3
本實施例提供的單片集成收發一體光電芯片的基本結構如圖2所示，其中襯底1為p型摻雜的GaAs，第一半導體材料層2為300nm厚p型摻雜GaAs層，第二半導體材料層3由本征的或非特意摻雜GaAs/MQW/GaAs構成，其中MQW由10對InGaAs/GaAs量子阱構成，作為光吸收區，吸收光譜區位于光纖的1310nm光通信窗口，第三半導體材料層4由300nm厚n型摻雜的GaAs層構成，第一半導體材料層2，第二半導體材料層3和第三半導體材料層4構成的光吸收單元構成PIN光電探測器結構。絕緣層5為30nm厚的n型摻雜Al0.98Ga0.02As材料并在器件工藝實現中通過濕法氧化將其完全氧化為Al2O3層來實現光吸收器單元和光發射單元的電隔離。第一反射鏡6為33對n型摻雜的Al0.9Ga0.1As/GaAs材料構成的反射鏡，其反射譜示意圖如圖3所示。光學腔7由本征的或非特意摻雜的GaAs/MQW/GaAs構成，諧振波長位于集成芯片發射光譜區(位于光纖的1310nm光通信窗口)，其中MQW由3對6nm厚的In0.35N0.018Ga0.632As阱區和25nm厚的GaAs勢壘構成。第二反射鏡8由29對p型摻雜的Al0.9Ga0.1As/GaAs材料構成的反射鏡，靠近光學腔7側為第一對。在第二反射鏡8中第1對和第2對Al0.9Ga0.1As/GaAs材料間插入一層30nm厚的p摻雜Al0.96Ga0.04As并在器件加工中通過濕法氧化將其氧化為Al2O3絕緣層5，中心留出13微米直徑的區域不氧化，作為注入電流限制窗口。第二反射鏡8具有如圖4所示意的反射譜。圖5示意了集成芯片整體結構的反射譜。從圖3，4，5可以看到，反射鏡第一反射鏡6，第二反射鏡8以及集成芯片整體結構的反射光譜均在吸收光譜區具有低的反射率(反射率低于50％)，而在發射光譜區第一反射鏡6和第二反射鏡8具有高的反射率(反射率大于90％)，而集成芯片整體結構的反射光譜由于光發射單元的光學諧振腔作用，在位于發射光譜區的光學諧振波長上反射率降低。本實施例集成芯片的吸收光譜區和發射光譜區位于光纖1310nm附近的通信窗口。
實施例4
本實施例提供的單片集成收發一體光電芯片的基本結構如圖2所示，其中襯底1為p型摻雜的GaAs，第一半導體材料層2為300nm厚p型摻雜GaAs層，第二半導體材料層3由本征的或非特意摻雜GaAs/MQW/GaAs構成，其中MQW由10對InGaAs/GaAs量子阱構成，作為光吸收區，吸收光譜區位于光纖的1310nm光通信窗口，第三半導體材料層4由300nm厚n型摻雜的GaAs層構成，第一半導體材料層2，第二半導體材料層3和第三半導體材料層4構成的光吸收單元構成PIN光電探測器結構。絕緣層5為30nm厚的n型摻雜Al0.98Ga0.02As材料并在器件工藝實現中通過濕法氧化將其完全氧化為Al2O3層來實現光吸收器單元和光發射單元的電隔離。第一反射鏡6為33對n型摻雜的Al0.9Ga0.1As/GaAs材料構成的反射鏡，其反射譜示意圖如圖6所示。光學腔7由本征的或非特意摻雜的GaAs/量子點有源區/GaAs構成，諧振波長位于集成芯片發射光譜區(位于光纖的1310nm光通信窗口)，其中量子點有源區是由5組每組3層GaAs上的InAs量子點構成。第二反射鏡8由29對p型摻雜的Al0.9Ga0.1As/GaAs材料構成的反射鏡，靠近光學腔7側為第一對。在第二反射鏡8中第1對和第2對Al0.9Ga0.1As/GaAs材料間插入一層30nm厚的p摻雜Al0.96Ga0.04As并在器件加工中通過濕法氧化將其氧化為Al2O3絕緣層5，中心留出13微米直徑的區域不氧化，作為注入電流限制窗口。第二反射鏡8具有如圖7所示意的反射譜。圖8示意了集成芯片整體結構的反射譜。從圖6，7，8可以看到，第一反射鏡6，第二反射鏡8以及集成芯片整體結構的反射光譜均在吸收光譜區具有低的反射率(反射率低于50％)，而在發射光譜區第一反射鏡6和第二反射鏡8具有高的反射率(反射率大于90％)，而集成芯片整體結構的反射光譜由于光發射單元的光學諧振腔作用，在位于發射光譜區的光學諧振波長上反射率降低。本實施例集成芯片的吸收光譜區和發射光譜區位于光纖1310nm附近的通信窗口。
實施例5
本實施例提供的單片集成收發一體光電芯片的基本結構如圖9所示，其中襯底1為p型摻雜的GaAs，第一半導體材料層2為300nm厚p型摻雜GaAs層，第二半導體材料層3由本征的或非特意摻雜GaAs/MQW/GaAs構成，其中MQW由10對InGaAs/GaAs量子阱構成，作為光吸收區，吸收光譜區位于光纖的1310nm光通信窗口，第三半導體材料層4由300nm厚n型摻雜的GaAs層構成，第一半導體材料層2，第二半導體材料層3和第三半導體材料層4構成的光吸收單元構成PIN光電探測器結構。絕緣層5為30nm厚的n型摻雜Al0.98Ga0.02As材料并在器件工藝實現中通過濕法氧化將其完全氧化為Al2O3層來實現光吸收器單元和光發射單元的電隔離。第一反射鏡6為33對n型摻雜的Al0.9Ga0.1As/GaAs材料構成的反射鏡，其反射譜示意圖如圖3所示。光學腔7由500nm厚的p摻雜GaAs，30nm厚的p摻雜Al0.96Ga0.04As以及本征的或非特意摻雜的GaAs/量子點有源區/GaAs構成，諧振波長位于集成芯片發射光譜區(位于光纖的1310nm光通信窗口)，其中量子點有源區是由5組每組3層GaAs上的InAs量子點構成，而Al0.96Ga0.04As層在器件加工中通過濕法氧化將其氧化為Al2O3絕緣層5，中心留出13微米直徑的區域不氧化，作為注入電流限制窗口。第二反射鏡8是由Si/SiO2材料的亞波長光柵構成。第二反射鏡8具有如圖4所示意的反射譜。圖5示意了集成芯片整體結構的反射譜。從圖3，4，5可以看到，第一反射鏡6，第二反射鏡8以及集成芯片整體結構的反射光譜均在吸收光譜區具有低的反射率(反射率低于50％)，而在發射光譜區第一反射鏡6和第二反射鏡8具有高的反射率(反射率大于90％)，而集成芯片整體結構的反射光譜由于光發射單元的光學諧振腔作用，在位于發射光譜區的光學諧振波長上反射率降低。本實施例集成芯片的吸收光譜區和發射光譜區位于光纖1310nm附近的通信窗口。
實施例6
如圖10所示，其中襯底1為p型摻雜的InP，第一半導體材料層2，第二半導體材料層3，第三半導體材料層4由InGaAlAs/InGaAs/InGaAsP/InP材料構成雪崩光電探測器結構(APD)，其吸收光譜區位于光纖的1550nm光通信窗口。第一反射鏡6是由Si/SiO2材料的亞波長光柵構成，具有如圖3所示意的反射譜。絕緣層5為BCB絕緣膠構成的絕緣層5，并且用于粘合在另一InP襯底1上制作的光學腔7和第二反射鏡8。光學腔7由10nm厚n型摻雜InGaAs，300nm厚n型摻雜InP以及本征的或非特意摻雜的InP/MQW/InP構成，光學腔7和絕緣層5共同構成的諧振腔諧振波長位于集成芯片的發射光譜區(位于光纖的1550nm光通信窗口)，其中MQW是由6對InAlGaAs/InGaAsP量子阱構成。第二反射鏡8由p型摻雜45對InAlGaAs/InGaAsP材料構成，具有如圖4所示意的反射譜。粘合工藝完成后將位于第二反射鏡8一側的InP襯底1去除。圖5示意了集成芯片整體結構的反射譜。從圖3，4，5可以看到，第一反射鏡6，第二反射鏡8以及集成芯片整體結構的反射光譜均在吸收光譜區具有低的反射率(反射率低于50％)，而在發射光譜區第一反射鏡6和第二反射鏡8具有高的反射率(反射率大于90％)，而集成芯片整體結構的反射光譜由于光發射單元的光學諧振腔作用，在位于發射光譜區的光學諧振波長上反射率降低。本實施例集成芯片的吸收光譜區和發射光譜區位于光纖1550nm附近的通信窗口。
實施例7
如圖11所示，其中襯底1為n型摻雜的InP，第一半導體材料層2，第二半導體材料層3，第三半導體材料層4由InGaAlAs/InGaAs/InGaAsP/InP材料構成單行載流子光電探測器結構(UTC-PD)，其吸收光譜區位于光纖的1550nm光通信窗口。第一反射鏡6是由Si/SiO2材料的亞波長光柵構成，具有如圖6所示意的反射譜。絕緣層5為BCB絕緣膠構成的絕緣層5，并且用于粘合在另一InP襯底上制作的光學腔7和第二反射鏡8。光學腔7由10nm厚p型摻雜InGaAs，300nm厚p型摻雜InP以及本征的或非特意摻雜的InP/MQW/InP構成，光學腔7和絕緣層5共同構成的諧振腔諧振波長位于集成芯片的發射光譜區(位于光纖的1550nm光通信窗口)，其中MQW是由6對InAlGaAs/InGaAsP量子阱構成。第二反射鏡8由n型摻雜45對InAlGaAs/InGaAsP材料構成，具有如圖7所示意的反射譜。粘合工藝完成后將位于第一半導體材料層2一側的InP襯底1去除。圖8示意了集成芯片整體結構的反射譜。從圖6，7，8可以看到，第一反射鏡6，第二反射鏡8以及集成芯片整體結構的反射光譜均在吸收光譜區具有低的反射率(反射率低于50％)，而在發射光譜區第一反射鏡6和第二反射鏡8具有高的反射率(反射率大于90％)，而集成芯片整體結構的反射光譜由于光發射單元的光學諧振腔作用，在位于發射光譜區的光學諧振波長上反射率降低。本實施例集成芯片的吸收光譜區和發射光譜區位于光纖1550nm附近的通信窗口。
實施例8
如圖12所示，由實施例1所實現的單片集成收發一體光電芯片所構成的集成芯片陣列。
本申請提出一種單片集成收發一體光電芯片，將光發射單元和光吸收單元縱向疊加集成在一起，利用光發射單元的光學諧振腔結構，使光發射單元的光學諧振腔在激光器的發射波長上形成高Q的諧振腔結構，光發射單元諧振腔的兩個反射鏡的反射率均大于96％，以利用激光器的激射，而在光吸收單元的探測光譜區則形成一個寬光譜(＞5nm)的的高透射(透射率>50％)低反射(反射率<50％)的光譜區，以提高光吸收單元半導體光電探測器的量子效率。整體集成芯片只應用一個光學腔7，同時起到光發射上的諧振增強與光吸收上的高透濾波功能，可以同時實現光信號的發射與接收，而且實現工藝更加簡便。
最后，本申請的方法僅為較佳的實施方案，并非用于限定本發明的保護范圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
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