一种薄膜铌酸锂平台上的超宽带波导耦合光电探测器制造技术

本发明专利技术公开了一种薄膜铌酸锂平台上的超宽带波导耦合光电探测器，具体为：在TFLN

【技术实现步骤摘要】
一种薄膜铌酸锂平台上的超宽带波导耦合光电探测器


[0001]本专利技术属于光电探测领域，尤其涉及一种薄膜铌酸锂平台上的超宽带波导耦合光电探测器。

技术介绍

[0002]集成光子学在实现通信、传感和计算等领域的低成本和规模化方面具有很大的前景。许多材料体系已被研究并应用于集成光子学，例如硅、磷化铟(InP)、氮化硅(SiNx)、砷化镓(GaAs)、氮化铝(AlN)和碳化硅(SiC)。尽管都取得了重要的成果，但这些材料平台无法同时支持超低传输损耗、快速低损耗光调制和高效的全光非线性。铌酸锂(LiNbO3,LN)因其特殊的声光、电光和非线性效应，以及其宽的透明窗口等特性，成为集成光子学中通用和极具吸引力的材料之一。传统的体材料铌酸锂器件由于其弱模式约束、较大的器件占用空间和低的非线性效率限制了其应用。而薄膜铌酸锂(thin
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film lithium niobate，TFLN)技术的出现实现了高的光学束缚、大的光学非线性效率，已经在光通信、微波光子学、太赫兹通信和量子光子学等广泛应用中产生了重要影响。
[0003]过去几年，随着高质量TFLN晶圆的商业化和制造技术的突破，TFLN晶圆被用于开发多功能光电子元件，已经制备了超低损耗、高折射率对比度的纳米光子LN波导，紧凑和超高性能调制器，宽带频率梳源、高效波长转换器等近乎一套完整的集成光学元件，具有前所未有的性能。但由于铌酸锂材料本身难以实现光源和探测，上述TFLN器件通过使用外部激光器和光电探测器(photodetector，PD)进行演示，这是TFLN集成光子平台面临的主要挑战。最近，利用倒装键合技术将InP分布反馈(distributed feedback，DFB)激光器与预先制作好的TFLN调制器芯片集成在了一起：1)A.Shams
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Ansari,D.Renaud,R.Cheng,L.Shao,L.He,D.Zhu,M.Yu,H.R.Grant,L.Johansson,M.Zhang,and M."Electrically pumped laser transmitter integrated on thin
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film lithium niobate,"Optica 9,408
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411(2022)。通过优化平台模式之间的重合，实现了低损耗和高功率的TFLN
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InP发射机。此外，利用SU8作为键合层的键合技术，在TFLN平台上首次展示的宽带光探测：2)X.Guo,L.Shao,L.He,K.Luke,J.Morgan,K.Sun,J.Gao,T.C.Tzu,Y.Shen,D.Chen,B.Guo,F.Yu,Q.Yu,M.Jafari,M.M.Zhang,and A.Beling,“High
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performance modified uni
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traveling carrier photodiode integrated on a thin
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film lithium niobate platform,”Photonics Res.10,1338(2022)。通过在TFLN晶圆上异质集成InP/InGaAs外延芯片，实现了高性能光电探测器，在1550nm处具有80GHz的3
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dB带宽和0.6A/W的响应度。考虑到目前最先进的TFLN调制器的带宽为110
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GHz，因此在TFLN平台上实现超宽带光电探测器仍然是非常需要的。

技术实现思路

[0004]针对上述问题，本专利技术提供一种薄膜铌酸锂平台上的超宽带波导耦合光电探测器。
[0005]本专利技术的一种薄膜铌酸锂平台上的超宽带波导耦合光电探测器，通过金属有机化学气相沉积在半绝缘的InP衬底上生长外延层，依次包括n接触层、牺牲层、漂移层、悬崖层、四元化合物层、吸收层和p接触层，将InP晶圆与TFLN键合，制备TFLN片上异质集成波导耦合光电探测器，探测器结构p区在下，n区在上。
[0006]n接触层和p接触层分别为重掺杂InGaAs和InGaAsP。
[0007]吸收层为20nm厚的耗尽吸收层和100nm厚的渐变掺杂吸收层。
[0008]上述光电探测器在1550nm波长处具有1nA的暗电流和0.4A/W的响应度，在50Ω负载下实现110GHz大带宽。
[0009]本专利技术的一种薄膜铌酸锂平台上的超宽带波导耦合光电探测器的制作方法，具体为：
[0010]首先，减薄InP衬底至n接触层；采用干法刻蚀和湿法腐蚀相结合，使刻蚀停止在p接触层形成n台面；同样采用干法蚀刻和湿法腐蚀两种方法刻蚀至LN层形成p台面；通过电镀形成金属电极；最后，晶圆被切割成小片，并对侧面进行抛光。
[0011]本专利技术的有益技术效果为：
[0012]1.本专利技术异质集成光电探测器p区在下，n区在上的结构得以同时提高带宽和响应速度。
[0013]2.本专利技术中的薄膜铌酸锂为硅基薄膜铌酸锂，可以与成熟的硅工艺兼容。
[0014]3.本专利技术器件已成功应用于四电平脉冲调幅数据接收系统，证明了该光电探测器在TFLN平台上高速光链路系统的巨大潜力。
附图说明
[0015]图1为本专利技术光电探测器外延层结构数据。
[0016]图2为本专利技术光电探测器的光学显微镜图。
[0017]图3为本专利技术光电探测器的扫描电子显微镜图。
[0018]图4为本专利技术不同有源区面积器件的暗电流图。
[0019]图5为不同有源区面积器件的频率响应图((a)2μm
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6μm、(b)2μm
×
8μm、(c)2μm
×
10μm、(d)2μm
×
12μm和(e)2μm
×
14μm)。
[0020]图6为制作的PD接收32Gbaud PAM4信号的误码率和光功率的关系。
[0021]图7为非原生衬底上异质集成III
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V光电二极管的带宽和响应度总结。
具体实施方式
[0022]下面结合附图和具体实施方法对本专利技术做进一步详细说明。
[0023]本专利技术的一种薄膜铌酸锂平台上的超宽带波导耦合光电探测器，通过金属有机化学气相沉积(metal
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organic chemical vapor deposition，MOCVD)在半绝缘的InP衬底上生长外延层，外延层结构如图1所示，依次包括n接触层、牺牲层、漂移层、悬崖层、四元化合物层、吸收层和p接触层，将InP晶圆与TFLN键合，制备TFLN片上异质集成波导耦合光电探测器，探测器结构p区在下，n区在上。
[0024]为了实现电子速度超调，漂移区的电场由p型掺的牺牲层来调节到合适的值。n接触层和p接触层分别为重掺杂InGaAs和InGaAsP。重掺杂的InGaAsP层还用来作为光耦合层，
实现了有源层与LN本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种薄膜铌酸锂平台上的超宽带波导耦合光电探测器，其特征在于，通过金属有机化学气相沉积在半绝缘的InP衬底上生长外延层，依次包括n接触层、牺牲层、漂移层、悬崖层、四元化合物层、吸收层和p接触层，将InP晶圆与TFLN键合，制备TFLN片上异质集成波导耦合光电探测器，探测器结构p区在下，n区在上；n接触层和p接触层分别为重掺杂InGaAs和InGaAsP；吸收层为20nm厚的耗尽吸收层和100nm厚的渐变掺杂吸收层。2.根据权利要求1所述的一种薄膜铌酸锂平台上的超宽带波...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢小军，魏超，邹喜华，潘炜，闫连山，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：