一种薄膜铌酸锂平台上的超宽带波导耦合光电探测器

1.本发明属于光电探测领域，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。


背景技术：

2.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-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。
3.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-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-film lithium niobate,"optica 9,408-411(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-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-performance modified uni-traveling carrier photodiode integrated on a thin-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-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-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。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明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。
5.本发明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。
6.n接触层和p接触层分别为重掺杂ingaas和ingaasp。
7.吸收层为20nm厚的耗尽吸收层和100nm厚的渐变掺杂吸收层。
8.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。
9.本发明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：
10.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。
11.本发明的有益技术效果为：
12.1.本发明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。
13.2.本发明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。
14.3.本发明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
15.图1为本发明光电探测器外延层结构数据。
16.图2为本发明光电探测器的光学显微镜图。
17.图3为本发明光电探测器的扫描电子显微镜图。
18.图4为本发明不同有源区面积器件的暗电流图。
19.图5为不同有源区面积器件的频率响应图((a)2μm
×
6μm、(b)2μm
×
8μm、(c)2μm
×
10μm、(d)2μm
×
12μm和(e)2μm
×
14μm)。
20.图6为制作的pd接收32gbaud pam4信号的误码率和光功率的关系。
21.图7为非原生衬底上异质集成iii-v光电二极管的带宽和响应度总结。
具体实施方式
22.下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细说明。
23.本发明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-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。
24.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波导之间的高效光耦合。
25.吸收层为20nm厚的耗尽吸收层和100nm厚的渐变掺杂吸收层。由于高效的光耦合，120nm厚的吸收层就可以实现有效的光吸收。
26.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，测得的3db带宽高达110ghz。
27.本发明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：
28.首先，将inp晶圆键合到带有波导和无源器件的tfln晶圆上。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；该步骤定义了器件有源区域的大小(2μm
×
6μm-2μm
×
14μm)。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。得到的tfln片上波导耦合光电探测器光学显微镜图如图2所示，扫描电子显微镜图如图3所示。
29.器件测试：
30.首先测试器件的暗电流，图4为有源区面积为2μm
×
6μm-2μm
×
14μm器件的暗电流与偏置电压的关系图，该器件在-4v偏置下的典型暗电流约为1na。其次为了测量光电探测器的内响应度，需要先对光纤到波导的耦合损耗和波导损耗进行表征。采用光斑尺寸为2.5μm的透镜光纤将光耦合到目标器件附近的裸回环波导中。通过将光耦合到同一芯片上的光电探测器测量光电流来计算响应度。耦合损耗和波导传播损耗约为7db，在1550nm波长下，考虑耦合损耗和波导传播损耗，测量到长度为6μm-14μm器件的响应度分别为0.4、0.48、0.5、0.54和0.55a/w。器件的实测响应度与模拟响应率基本一致。
31.通过外差法产生光拍频信号来测试器件的带宽。图5(a)-(e)给出了具有不同有源区大小的器件的频率响应。其中实线表示利用s参数提取的器件参数计算的频率响应，圆圈表示实际测试结果，可以看出两者吻合的较好。有源面积为2μm
×
6μm、2μm
×
8μm、2μm
×
10μm、2μm
×
12μm和2μm
×
14μm的器件的最大带宽分别为110ghz、105ghz、100ghz、101ghz和97ghz。
32.最后为了进一步验证pd的性能，将器件应用于四电平脉冲调幅(four-level pulse amplitude modulation，pam4)数据接收系统。实验中使用任意波形发生器产生速率为10gbaud、20gbaud和32gbaud的pam4信号。使用131072个数据周期作为传输信号，实现了10gbaud、20gbaud和32gbaud的无误码传输。此外，我们还研究了32gbaud pam4信号的误码率和光功率的关系，如图6所示。结果表明，当信号光功率超过-16dbm时，误码率保持在4
×
10-2
的软判决前向纠错阈值以下。此外，当功率超过-10dbm时，误码率低于3.8
×
10-3
的硬判决前向纠错阈值。
33.图7给出了目前已报道的非原生衬底上异质集成iii-v光电二极管的带宽和响应度总结，目前硅基异质集成pd实现了较高的响应度，tfln异质集成pd实现了较大的带宽。

技术特征：
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导耦合光电探测器，其特征在于，所述光电探测器在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。3.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导耦合光电探测器的制作方法，其特征在于，具体为：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。

技术总结
本发明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-InP异质集成平台上制备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；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。本发明可以同时提高带宽和响应速度，可以与成熟的硅工艺兼容，可以应用于四电平脉冲调幅数据接收系统。冲调幅数据接收系统。冲调幅数据接收系统。


技术研发人员：谢小军 魏超 邹喜华 潘炜 闫连山
受保护的技术使用者：西南交通大学
技术研发日：2023.06.16
技术公布日：2023/9/20