[发明专利]同质集成光源、探测器和有源波导的通信芯片及制备方法

说明书

本发明公开了一种同质集成光源、探测器和有源波导的通信芯片及制备方法，通信芯片基于硅衬底氮化镓晶圆制备，所述硅衬底氮化镓晶圆从上至下依次包括p‑GaN层、InGaN多量子阱层、InGaN波导层、AlGaN包覆层、n‑GaN层、缓冲层和硅衬底层，缓冲层上设置光源、探测器和有源波导，所述光源、探测器和有源波导均包括p‑n结、绝缘隔离层、p型电极和n型电极，各p‑n结通过对所述硅衬底氮化镓晶圆刻蚀而成。本发明能够解决异质集成通信芯片器件制备工艺复杂，不能晶圆级集成等问题，简化了制备工艺，传输损耗小，可应用于光通信和光传感领域，能够实现更长距离的片上光信号传输。

技术领域

本发明涉及信息材料与器件领域，尤其涉及一种同质集成光源、探测器和有源波导的通信芯片及制备方法。

背景技术

氮化镓材料的应用研究是目前全球半导体研究的前沿和热点，是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料，被誉为继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。氮化镓材料直接带隙宽、原子键强、热导率高、化学稳定性好、抗辐照能力强，且具备光出射、光传输及光探测三重功能，在高速、高功率的光电元器件方面有着极为广阔的应用前景，为同质集成通信芯片的研制提供了物理基础。

目前异质集成光源、探测器和波导的通信芯片，光源、探测器和波导分别使用不同材料制备后再进行集成，制备工艺复杂，生产效率低。常用的SiO₂绝缘隔离层无法在可见光波长范围内提供有效的光反射；普通的硅衬底氮化镓晶圆中不包含波导层和包覆层，所以量子阱出射的光子有很大一部分会被硅衬底吸收，因此需要增加剥离硅衬底等工艺步骤来解决硅衬底的光吸收等问题。此外，目前的通信芯片使用的都是无源波导，即不能发光的波导，无法提供光能量增益。

由于缺少氮化镓材料的体单晶，所以氮化镓主要在异质衬底上进行生长，目前应用最广泛的商业化衬底主要有两种，分别是蓝宝石衬底和碳化硅衬底。随着AlN/AlGaN等缓冲层技术的进步，硅衬底氮化镓晶圆的发展也愈发成熟。相比蓝宝石衬底和碳化硅衬底，硅衬底价格低廉、导热性和导电性优良，且有着成熟的器件加工工艺。目前，高质量的硅衬底氮化镓晶圆日益成熟，并开始逐步走向市场。

发明内容

技术目的：本发明所要解决的技术问题在于，提供一种同质集成光源、探测器和有源波导的通信芯片及制备方法，能够解决异质集成通信芯片器件制备工艺复杂，不能晶圆级集成问题，本发明采用有源波导在传输光信号时能够提供稳定的光能量增益，能够解决传统氮化镓无源波导传输损耗大、传输距离不够长的问题；电介质布拉格反射镜作为绝缘隔离层，能够解决传统SiO₂绝缘隔离层无法提供有效光反射，不利于将出射光子限制在器件内部的问题。

技术方案：为实现上述技术目的，本发用了如下技术方案：

一种同质集成光源、探测器和有源波导的通信芯片，其特征在于：所述通信芯片基于硅衬底氮化镓晶圆制备，所述硅衬底氮化镓晶圆从上至下依次包括p-GaN层、InGaN多量子阱层、InGaN波导层、AlGaN包覆层、n-GaN层、缓冲层和硅衬底层，所述缓冲层上设置光源、探测器和有源波导，所述光源、探测器和有源波导均包括p-n结、绝缘隔离层、p型电极和n型电极，各p-n结通过对所述硅衬底氮化镓晶圆刻蚀而成。

优选地，所述有源波导为弧形，有源波导的两个端面分别对准光源和探测器，有源波导和光源、探测器之间分别刻蚀有长度为微米级别的空气槽。

优选地，所述p-n结包括n-GaN层，设置在所述n-GaN层上的AlGaN包覆层、设置在所述AlGaN包覆层上的InGaN波导层、设置在所述InGaN波导层上的InGaN多量子阱层、设置在所述InGaN多量子阱层上的p-GaN层。