本發明屬于光電領域，尤其涉及一種制作集成多種光電器件的基材結構及其制作方法。

背景技術：

當前，隨著集成電路集成度的增加，芯片體積不斷減小，以及高頻、超高頻電路的廣泛應用，從而要求集成器件不斷降低帶寬和能耗。然而，目前傳統的電子連接方式在在130nm技術條件下，大概一半的微處理器功耗都損耗在了電子線路連接上。并且，連接不同功能部分并傳輸信號的總線的時鐘頻率遠遠低于各個電子器件的時鐘頻率。

為了解決電子線路連接的問題，1984年首次提出了光互聯技術，使用三五族化合物半導體制作的光電器件具有優異的性能。同時，硅在1.3μm和1.55μm的通信波段具有透明的特性，折射率相對于二氧化硅很大，很適合做光波導。當前比較常見采用soi(silicon-on-insulator，絕緣襯底上的硅)制作的硅波導，然而soi制作的硅波導由于需要采用鍵合技術而不適用于工業化生產，因此，如何將三五族化合物半導體激光器，光電探測器，光調制器以及硅波導集成在一個芯片上，實現光互聯，當前仍然沒有一個成熟的、適于工業化生產的解決方案。

技術實現要素：

本發明實施例的目的在于提供一種制作集成多種光電器件的基材結構，旨在解決當前缺乏在集成電路之間或者集成電路上實現適于工業化生產的光互聯技術的問題。

本發明實施例是這樣實現的，一種制作集成多種光電器件的基材結構，所述基材結構包括：

襯底；

第一接觸層，所述第一接觸層通過外延生長于所述襯底上；

包層，所述包層通過外延生長于所述第一接觸層上；

第二接觸層，所述第二接觸層通過外延生長于所述包層上；

有源區，所述有源區通過外延生長于所述第二接觸層上；

第三接觸層，所述第三接觸層通過外延生長于所述有源區上；

無定型硅波導，所述無定型硅波導通過沉積形成于所述第三接觸層上；

所述第一接觸層、所述第二接觸層以及所述包層的導電類型均相同，所述第三接觸層與所述第一接觸層的導電類型相反。

本發明實施例的另一目的在于，提供一種制作集成多種光電器件的基材的制作方法，所述方法包括下述步驟：

制備襯底；

在所述襯底上通過外延生長形成第一接觸層；

在所述第一接觸層上通過外延生長形成包層；

在所述包層上通過外延生長形成第二接觸層；

在所述第二接觸層上通過外延生長形成有源區；

在所述有源區上通過外延生長形成第三接觸層；

在所述第三接觸層上通過沉積形成無定型硅波導；

所述第一接觸層、所述第二接觸層以及所述包層的導電類型均相同，所述第三接觸層與所述第一接觸層的導電類型相反。

本發明實施例采用上述基材結構具有下述有益效果：

首先，激光器件、光電探測器和光調制器可以在同一外延生長工藝中同時制備，相對于單獨制備三種不同器件結構需要三次不同外延生長工藝的步驟，簡化了工藝，節省了成本；

其次，有利于激光器件、光電探測器和光調制器的片上集成，通過同一外延工藝的制備，三種器件集成在一個襯底上，通過不同的加工工藝，不同的位置可以加工成為不同的器件，達到三種光電器件片上集成的目的；

第三，三種器件的有源區和無定型硅波導處于同樣的高度，完全克服了光波導耦合在豎直方向的困難，光波導在水平方向的耦合通過光刻工藝完成。

附圖說明

圖1為本發明實施例提供的制作集成多種光電器件的基材結構的剖面圖；

圖2為本發明實施例提供的制作集成多種光電器件的基材的制作方法的流程結構圖；

圖3為本發明實施例提供的制作集成多種光電器件的基材的制作方法中步驟s105的流程結構圖；

圖4為本發明實施例提供的制作集成多種光電器件的基材的制作方法中步驟s107的流程結構圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

本發明實施例提供的制作集成多種光電器件的基材結構能夠同時制成集成的多種光電器件，避免使用鍵合技術和昂貴的soi襯底實現光電互聯，制作工藝簡單，有利于大規模低成本生產。

作為本發明一實施例，該制作集成多種光電器件的基材結構可以用來制作集成光電器件，例如可集成光波導、半導體激光器、半導體光電探測器、半導體光調制器等。

該制作集成多種光電器件的基材結構包括：

襯底；

第一接觸層，第一接觸層通過外延生長于襯底上；

包層，包層通過外延生長于第一接觸層上；

第二接觸層，第二接觸層通過外延生長于包層上；

有源區，有源區通過外延生長于第二接觸層上；

第三接觸層，第三接觸層通過外延生長于有源區上；

無定型硅波導，無定型硅波導通過沉積形成于第三接觸層上；

第一接觸層、第二接觸層以及包層的導電類型均相同，第三接觸層與第一接觸層的導電類型相反。

下面以第一接觸層和第二接觸層為n型接觸層，包層為n型包層，第三接觸層為p型接觸層為例進行說明，可以理解地，本發明可以根據需求對應變換導電類型以及摻雜類型得到兩個p型接觸層、以及p型包層的基材結構，此處不在一一說明。

圖1示出了本發明實施例提供的制作集成多種光電器件的基材結構的剖面結構，為了便于說明，僅示出了與本發明相關的部分。

作為本發明一實施例，該制作集成多種光電器件的基材結構包括：

襯底1；

第一n型接觸層2，第一n型接觸層2通過外延生長于襯底1上；

n型包層3，n型包層3通過外延生長于第一n型接觸層2上；

第二n型接觸層4，第二n型接觸層4通過外延生長于n型包層3上；

有源區5，有源區5通過外延生長于第二n型接觸層4上；

p型接觸層6，p型接觸層6通過外延生長于有源區5上；

無定型硅波導7，無定型硅波導7通過沉積形成于p型接觸層6上。

上述外延生長采用非故意摻雜或者使用p摻雜技術。

其中，第一n型接觸層2、第二n型接觸層4和p型接觸層6均可以設置為高摻雜區，n型包層3為低摻雜區。

在本發明實施例中，第一n型接觸層2作為半導體激光器的n型接觸層，第二n型接觸層4作為半導體光電探測器和半導體光調制器的n型接觸層，可以保證激光下半部有足夠厚的光波導，同時使半導體光電探測器和半導體光調制器的的電子遷移距離不至于過長，從而導致過小的工作帶寬，達到集成多種光電器件的目的。

在本發明實施例中，p型接觸層6作為半導體激光器、半導體光電探測器和半導體光調制器的p型接觸層，可以保證半導體光電探測器和半導體光調制器的的電子遷移距離不至于過長，從而導致過小的工作帶寬，達到集成多種光電器件的目的。

優選地，第二n型接觸層的厚度小于0.1微米，p型接觸層的厚度小于0.1微米。

進一步地，有源區5包括：

第一光限制區域，第一光限制區域通過外延生長于第二n型接觸層4上；

核心區域，核心區域通過外延生長于第一光限制區域上；

第二光限制區域，第二光限制區域通過外延生長于核心區域上；

第一光限制區域與第二光限制區域折射率小于核心區域。

在本發明實施例中，有源區5分為第一光限制區域、核心區域和第二光限制區域，有源區5既可以作為半導體激光器的有源區，也可以作為半導體光電探測器和半導體光調制器的有源區。有源區5的第一光限制區域與第二光限制區域光學上限制光線傳播，材料方面隔離雜質注入到有源區5的核心區域，這些雜質會由于上下兩邊緊鄰的高摻雜的第二n型接觸層4和p型接觸層6而引入核心區域。

優選地，無定型硅波導7通過等離子體增強化學汽相沉積形成于p型接觸層6上。

進一步地，無定型硅波導7包括：

第一二氧化硅層，第一二氧化硅層形成于p型接觸層6上；

中心無定型硅層，中心無定型硅層形成于第一二氧化硅層上；

第二二氧化硅層，第二二氧化硅層形成于中心無定型硅層上。

在本發明實施例中，無定型硅波導7結構分為第一二氧化硅層、中心無定型硅層以及第二二氧化硅層，其中，無定型硅波導作為半導體激光器、半導體光電探測器和半導體光調制器的波導的上半部分，限制廣場集中于有源區5。

優選地，結構在襯底1和第一n型接觸層2之間，還可以包括：

緩沖層，該緩沖層形成于襯底1上，第一n型接觸層2形成于該緩沖層上。

作為本發明一優選實施例，襯底1可以選用gaas，第一n型接觸層2可以選用gaas，n型包層3可以選用al0.8ga0.2as，第二n型接觸層4可以選用gaas，p型接觸層6可以選用gaas，對于有源區5中的結構：第一光限制區域可以選用al0.3ga0.7as，核心區域可以選用gaas，第二光限制區域可以選用al0.3ga0.7as。

作為本發明另一優選實施例，對于具有緩沖層的襯底，n型包層3優選采用al0.4ga0.6as，并且，有源區5中的結構：第一光限制區域優選采用al0.2ga0.8as，核心區域優選采用gaas或in0.2ga0.8as或gaas，第二光限制區域優選采用al0.2ga0.8as，其中表達式中的下標代表元素的含量。

在應用時，該基材結構通過微加工工藝，形成最終器件：其中，第一n型接觸層2，p型接觸層6分別作為激光器件的n型接觸層和激光器件的p型接觸層；第二n型接觸層4，p型接觸層6分別作為光電探測器和光調制器的n型接觸層和光電探測器和光調制器的p型接觸層。有源區5同時作為激光器件，光電探測器和光調制器的有源區；

本發明實施例采用上述基材結構具有下述有益效果：

首先，激光器件、光電探測器和光調制器可以在同一外延生長工藝中同時制備，相對于單獨制備三種不同器件結構需要三次不同外延生長工藝的步驟，簡化了工藝，節省了成本；

其次，有利于激光器件、光電探測器和光調制器的片上集成，通過同一外延工藝的制備，三種器件集成在一個襯底上，通過不同的加工工藝，不同的位置可以加工成為不同的器件，達到三種光電器件片上集成的目的；

第三，三種器件的有源區和無定型硅波導處于同樣的高度，完全克服了光波導耦合在豎直方向的困難，光波導在水平方向的耦合通過光刻工藝完成。

本發明實施例的另一目的在于，提供一種制作集成多種光電器件的基材的制作方法，包括下述步驟：

制備襯底；

在襯底上通過外延生長形成第一接觸層；

在第一接觸層上通過外延生長形成包層；

在包層上通過外延生長形成第二接觸層；

在第二接觸層上通過外延生長形成有源區；

在有源區上通過外延生長形成第三接觸層；

在第三接觸層上通過沉積形成無定型硅波導；

第一接觸層、第二接觸層以及包層的導電類型均相同，第三接觸層與第一接觸層的導電類型相反。

下面以第一接觸層和第二接觸層為n型接觸層，包層為n型包層，第三接觸層為p型接觸層為例進行說明，可以理解地，本發明可以根據需求對應變換導電類型以及摻雜類型得到兩個p型接觸層、以及p型包層的基材結構，此處不在一一說明。

圖2示出了本發明實施例提供的制作集成多種光電器件的基材的制作方法的流程結構，為了便于說明，僅示出了與本發明相關的部分。

作為本發明一實施例，該制作集成多種光電器件的基材的制作方法包括下述步驟：

在步驟s101中，制備襯底；

在步驟s102中，在襯底上通過外延生長形成第一n型接觸層；

在步驟s103中，在第一n型接觸層上通過外延生長形成n型包層；

在步驟s104中，在n型包層上通過外延生長形成第二n型接觸層；

在步驟s105中，在第二n型接觸層上通過外延生長形成有源區；

在步驟s106中，在有源區上通過外延生長形成p型接觸層；

在步驟s107中，在p型接觸層上通過沉積形成無定型硅波導。

上述外延生長采用非故意摻雜或者使用p摻雜技術。

結合圖1，其中，第一n型接觸層2、第二n型接觸層4和p型接觸層6均可以設置為高摻雜區，n型包層3為低摻雜區。

在本發明實施例中，第一n型接觸層2作為半導體激光器的n型接觸層，第二n型接觸層4作為半導體光電探測器和半導體光調制器的n型接觸層，可以保證激光下半部有足夠厚的光波導，同時使半導體光電探測器和半導體光調制器的的電子遷移距離不至于過長，從而導致過小的工作帶寬，達到集成多種光電器件的目的。

在本發明實施例中，p型接觸層6作為半導體激光器、半導體光電探測器和半導體光調制器的p型接觸層，可以保證半導體光電探測器和半導體光調制器的的電子遷移距離不至于過長，從而導致過小的工作帶寬，達到集成多種光電器件的目的。

優選地，第二n型接觸層的厚度小于0.1微米，p型接觸層的厚度小于0.1微米。

優選地，無定型硅波導7通過等離子體增強化學汽相沉積形成于p型接觸層6上。

優選地，在步驟s101之后，步驟s102之前，還包括下述步驟：

在襯底上形成緩沖層；

在緩沖層上形成第一n型接觸層。

本發明實施例提供的制作集成多種光電器件的基材結構能夠同時制成集成的多種光電器件，避免使用鍵合技術和昂貴的soi襯底實現光電互聯，制作工藝簡單，有利于大規模低成本生產。

圖3示出了本發明實施例提供的制作集成多種光電器件的基材的制作方法中步驟s105的流程結構，為了便于說明，僅示出了與本發明相關的部分。

作為本發明一實施例，步驟s105具體為：

在步驟s201中，在第二n型接觸層上通過外延生長形成第一光限制區域；

在步驟s202中，在第一光限制區域上通過外延生長形成核心區域；

在步驟s203中，在核心區域上通過外延生長形成第二光限制區域；

上述第一光限制區域與第二光限制區域折射率小于核心區域。

結合圖1，在本發明實施例中，有源區5分為第一光限制區域、核心區域和第二光限制區域，有源區5既可以作為半導體激光器的有源區，也可以作為半導體光電探測器和半導體光調制器的有源區。有源區5的第一光限制區域與第二光限制區域光學上限制光線傳播，材料方面隔離雜質注入到有源區5的核心區域，這些雜質會由于上下兩邊緊鄰的高摻雜的第二n型接觸層4和p型接觸層6而引入核心區域。

本發明實施例提供的制作集成多種光電器件的基材結構能夠同時制成集成的多種光電器件，避免使用鍵合技術和昂貴的soi襯底實現光電互聯，制作工藝簡單，有利于大規模低成本生產。

圖4示出了本發明實施例提供的制作集成多種光電器件的基材的制作方法中步驟s107的流程結構，為了便于說明，僅示出了與本發明相關的部分。

作為本發明一實施例，步驟s107具體為：

14.如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述在所述p型接觸層上通過沉積形成無定型硅波導的步驟具體為：

在步驟s301中，在p型接觸層上形成第一二氧化硅層；

在步驟s302中，在第一二氧化硅層上形成中心無定型硅層；

在步驟s303中，在中心無定型硅層上形成第二二氧化硅層。

結合圖1，在本發明實施例中，無定型硅波導7結構分為第一二氧化硅層、中心無定型硅層以及第二二氧化硅層，其中，無定型硅波導作為半導體激光器、半導體光電探測器和半導體光調制器的波導的上半部分，限制廣場集中于有源區5。

作為本發明一優選實施例，襯底1可以選用gaas，第一n型接觸層2可以選用gaas，n型包層3可以選用al0.8ga0.2as，第二n型接觸層4可以選用gaas，p型接觸層6可以選用gaas，對于有源區5中的結構：第一光限制區域可以選用al0.3ga0.7as，核心區域可以選用gaas，第二光限制區域可以選用al0.3ga0.7as。

作為本發明另一優選實施例，對于具有緩沖層的襯底，n型包層3優選采用al0.4ga0.6as，并且，有源區5中的結構：第一光限制區域優選采用al0.2ga0.8as，核心區域優選采用gaas或in0.2ga0.8as或gaas，第二光限制區域優選采用al0.2ga0.8as，其中表達式中的下標代表元素的含量。

本發明實施例采用上述基材結構具有下述有益效果：

首先，激光器件、光電探測器和光調制器可以在同一外延生長工藝中同時制備，相對于單獨制備三種不同器件結構需要三次不同外延生長工藝的步驟，簡化了工藝，節省了成本；

其次，有利于激光器件、光電探測器和光調制器的片上集成，通過同一外延工藝的制備，三種器件集成在一個襯底上，通過不同的加工工藝，不同的位置可以加工成為不同的器件，達到三種光電器件片上集成的目的；

第三，三種器件的有源區和無定型硅波導處于同樣的高度，完全克服了光波導耦合在豎直方向的困難，光波導在水平方向的耦合通過光刻工藝完成。

以上僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。