專利名稱：硅基光子集成的器件及制作方法
技術領域：
本發明涉及一種將鍺硅(SiGeSilicon Germanium)的波導型復用/解復用器和SiGe的波導探測器集成的設計思想和制作工藝。特別涉及SiGe波導陣列光柵(AWGArrayed Waveguide Grating)和SiGe探測器的集成設計思想和制作方法。
SiGe材料的吸收邊隨Ge組分增加而增加，可以通過改變組分實現SiGe對不同波長光的探測功能。另一方面，在Si襯底上生長的SiGe層由于應變效應，帶隙收縮會使吸收邊紅移，可用制作波長范圍在1.1～1.6μm的探測器。
平面光波回路中復用/解復用器的功能是將光網絡中不同波長的載波實現空間分離，然后使用光電探測器使之轉化為電信號以方便存儲和處理。通常，復用/解復用器和光探測器是兩個分立的器件，因此需要用光纖通過耦合將它們連接起來。如果能將復用/解復用器和光探測器集成在同一基片上，將大大減小器件之間光纖耦合損耗和由于光纖耦合帶來的制作成本的提高。利用SiGe材料的折射率和吸收邊對Ge組分的依賴關系，既可以用SiGe來制作平面波導回路又可用它來實現光探測功能。將用SiGe制作的復用/解復用器和光探測器集成在同一Si基片上，這樣會大大減小系統的成本，且與Si集成工藝和SiGe BiCMOS兼容。
本發明針對上述特點，利用SiGe既可制成平面光波回路，又能實現光電檢測，提出將SiGe AWG解復用器和SiGe探測器單片集成的設計思想和制作方法。
本發明一種硅基光子集成的器件，其特征在于，用硅鍺制作平面光波回路的解復用器將光網絡中不同波長的載波實現空間分離，然后通過集成在同一芯片上的多個硅鍺光電探測器，實現光電轉化。
其中解復用器包括輸入波導列陣，該輸入波導列陣通過星形耦合器與波導光柵耦合，該波導光柵通過過星形耦合器與輸出波導列陣耦合。
本發明一種新型的硅基光子集成器件的制作方法，其特征在于，包括如下步驟在硅襯底上外延生長一層較厚的低鍺組分的硅鍺層作為導波層；再在上面生長一層高鍺組分的硅鍺光探測層；然后利用光刻工藝將樣品表面分成兩個部分，其中一部分腐蝕上面的高組組分硅鍺層，作為制作解復用器的部分；另一部分保留，作為制作硅鍺探測器部分；用刻蝕方法制作波導AWG和波導型探測器，兩者用波導直接連接。
其中光探測層的鍺組分要高于導波層的鍺組分。
其中導波層采用硅鍺單層，硅鍺/硅多層結構，多層起伏的硅鍺/硅量子阱或多層硅鍺/硅島或量子點來構成。
其中光探測層采用硅鍺單層，多層硅鍺/硅多量子阱，多層起伏的硅鍺/硅量子阱或多層硅鍺/硅島或量子點來構成。
其中導波層的上包層可以是空氣、硅和二氧化硅。
其中硅鍺波導探測器可制成PIN結構或MSM結構。
其中硅鍺波導探測器的電極可以制成微帶傳輸線結構。
以下結合附圖來說明本發明的技術特征，其中

圖1是鍺硅的波長復用/解復用器和探測器集成的器件示意圖；圖2是探測器部分探測器陣列中的一個探測器與一個AWG輸出波導連接在一起的三維結構示意圖。
SiGe導波層12的組分與SiGe光探測層組分可以根據系統工作波長來選擇。要使得導波層12的吸收邊能力大于工作波長對應能量而盡量減小吸收損耗，SiGe光探測層13的吸收邊能量則要小于工作波長對應能量，以獲得盡量高效率的光電轉換。SiGe材料的吸收邊能量隨Ge組分增加而減小，因此光探測層13的Ge組分要高于導波層12的Ge組分。
其中，外延生長過程要受臨界厚度限制(即生長晶格質量完整的SiGe層其厚度不能超過特定厚度)。實際中，對于波導區域，為了有效耦合又要求較厚的SiGe導波層(＞1μm)，可利用生長SiGe/Si多層結構來實現較厚的SiGe導波層。對于SiGe探測區，也可以采用此方法制作。
對于工作于長波長SiGe探測器，量子阱的量子限制效應中產生的吸收邊藍移，使工作波長處的吸收減小，從而降低探測器的探測效率。可以采用起伏的SiGe多量子阱或Ge/Si三維島(量子點)的多層結構來制作吸收區。它可以增加對應波長的吸收系數而又不會產大量的位錯，使材料質量劣化。
SiGe波導的上包層可以用采用空氣、SiO2或Si。用空氣作上包層時，解復用器部分被刻蝕掉光探測層后，SiGe導波層制作成AWG后暴露于空氣。用SiO2作上包層時，解復用器部分被刻蝕掉光探測層后，將SiGe波導層制作成AWG后淀積SiO2上包層。用Si作上包層時，要在低Ge組分的SiGe導波層和上面的高Ge組分的光探測層之間生長一層Si層，刻蝕Si層或Si層和SiGe層形成AWG。
SiGe AWG是由輸入波導列陣，星形耦合器(平板波導)，波導光柵和輸出波導列陣四部分構成，它們可以通過干法或濕法刻蝕一次完成。其設計參數取決于器件要求的工作波長、通道數目和通道間隔。以工作中心波長為1.552524μm，通道數為8，通道間隔為100Hz，AWG復用/解復用器為例，其相應設計參數如下表所示。
表1 SiGe AWG的設計參數，SiGe的組分為0.05，厚度為0.8μm，Si包層厚1.2μm，對應波長的Si和SiGe的折射率分別為3.476和3.4915(TE模式)。

其中，SiGe波導探測器可制成PIN結構或MSM結構。對PIN結構可以在生長低Ge組分SiGe波導層后生長一層P(N)摻雜歐姆接觸層(可以是Si也可以是SiGe，為避免光的傳播損耗，摻雜不能太高)，然后再生長高Ge組分的SiGe光探測層，最后生長N(P)的歐姆接觸層14。MSM結構探測器不需要歐姆接觸層，只要在上層高Ge組分的SiGe光探測層上制作叉指狀金屬電極15。
為實現探測器的高速響應SiGe波導探測器的金屬電極可以制成微帶傳輸線結構。為了增加探測器的響應速度并且減小探測器的長度，可以制作共振腔增強的SiGe探測器。
光探測層的Ge組分要高于導波層的Ge組分，相應的光探測層的折射率要高于導波層，光在傳播的過程中會從導波層逐漸耦合到探測層，而被吸收。因此復用/解復用器和探測器之間用直的波導連接即可。
請參閱圖1，其中A為復用/解復用器部分，B為探測器部分。復用/解復用器是由一個SiGe波導陣列光柵(AWG)構成，AWG由輸入波導列陣1，星形耦合器2，波導光柵3和輸出波導列陣4，其中解復用器包括輸入波導列陣1，該輸入波導列陣1通過星形耦合器2與波導光柵3耦合，該波導光柵3通過過星形耦合器2與輸出波導列陣4耦合。其中輸出波導列陣的數目取決于器件所需要的解復用波長的數目(圖中畫出的為四個波長)。探測器部分由SiGe的探測器陣列5構成。兩部分由AWG的輸出波導4連接。
請參閱圖2是探測器部分探測器陣列中的一個探測器與一個AWG輸出波導連接在一起的三維結構示意圖。其中11為Si襯底，22為SiGe導波層，13為SiGe光探測層，14為上電極歐姆接觸層，15為電極。其中導波層12可采用生長SiGe/Si多層結構來實現較厚的適中Ge組分SiGe導波層。其中光探測層13可以是單層高Ge組分SiGe，適中Ge組分SiGe/Si多量子阱，多層起伏的SiGe/Si量子阱或多層Ge/Si島或量子點。制作PIN結構探測器時，在生長SiGe波導層12后再生長一層高摻雜的歐姆接觸層14，也可以對SiGe波導層摻雜，作為下電極的接觸層。制作MSM結構探測器時，圖中上電極接觸層不需要，直接將叉指狀電極制作在SiGe光探測層上。
權利要求
1.一種硅基光子集成的器件，其特征在于，用硅鍺制作平面光波回路的解復用器將光網絡中不同波長的載波實現空間分離，然后通過集成在同一芯片上的多個硅鍺光電探測器，實現光電轉化。
2.根據權利要求1所述的硅基光子集成的器件，其特征在于，其中解復用器包括輸入波導列陣，該輸入波導列陣通過星形耦合器與波導光柵耦合，該波導光柵通過過星形耦合器與輸出波導列陣耦合。
3.一種硅基光子集成器件的制作方法，其特征在于，包括如下步驟在硅襯底上外延生長一層較厚的低鍺組分的硅鍺層作為導波層；再在上面生長一層高鍺組分的硅鍺光探測層；然后利用光刻工藝將樣品表面分成兩個部分，其中一部分腐蝕上面的高組組分硅鍺層，作為制作解復用器的部分；另一部分保留，作為制作硅鍺探測器部分；用刻蝕方法制作波導AWG和波導型探測器，兩者用波導直接連接。
4.根據權利要求3所述的硅基光子集成器件的制作方法，其特征在于其中光探測層的鍺組分要高于導波層的鍺組分。
5.根據權利要求3所述的硅基光子集成器件的制作方法，其特征在于其中導波層采用硅鍺單層，硅鍺/硅多層結構，多層起伏的硅鍺/硅量子阱或多層硅鍺/硅島或量子點來構成。
6.根據權利要求3所述的硅基光子集成器件的制作方法，其特征在于其中光探測層采用硅鍺單層，多層硅鍺/硅多量子阱，多層起伏的硅鍺/硅量子阱或多層硅鍺/硅島或量子點來構成。
7.根據權利要求3所述的硅基光子集成器件的制作方法，其特征在于其中導波層的上包層可以是空氣、硅和二氧化硅。
8.根據權利要求3所述的硅基光子集成器件的制作方法，其特征在于其中硅鍺波導探測器可制成PIN結構或MSM結構。
9.根據權利要求3所述的硅基光子集成器件的制作方法，其特征在于其中硅鍺波導探測器的電極可以制成微帶傳輸線結構。
全文摘要
一種鍺硅的光波導器件，包括一個SiGe的波導陣列光柵的波長復用/解復用器和一組SiGe的光探測器。它工作光波長范圍1.1～1.6微米。制作方法為器件基片通過一次外延得到，先生長低Ge組分的SiGe導波層；然后生長具有高Ge組分的SiGe光探測層；器件含復用/解復用器和探測器兩部分，用刻蝕方法將復用/解復用器部分上的高組分的SiGe層腐蝕掉，然后在復用/解復用器部分制作波導陣列光柵，在探測器部分制作波導型光探測器。
文檔編號H04J14/00GK1453599SQ0211852
公開日2003年11月5日 申請日期2002年4月26日 優先權日2002年4月26日
發明者黃昌俊, 鄧曉清, 成步文, 王紅杰, 楊沁清, 余金中, 胡雄偉, 王啟明 申請人:中國科學院半導體研究所