【详解】主流磷参杂光电子芯片工艺介绍

来源：光学小豆芽

今天我们来聊聊InP(磷参杂)光电子芯片的制作工艺。

话不多说，先上图：

（本文的插图大部分来自文献1，文献1比较详细地介绍了InP体系光芯片）

外延生长

我们知道，在硅光芯片是从SOI晶片开始，对其中220nm厚的Si层进行刻蚀形成波导。不同于硅光芯片，InP芯片的波导层是后续外延生长出来的。通常外延生长分为三步：

第一步生长有源层（active layer）,即图中的红色区域；

第二步生长无缘层（passive layer）; 

第三步生长p型掺杂的InP覆盖层。

虽然这几个步骤听起来没有什么，但是如何控制好外延生长工艺，使得生长出的波导损耗低、射频工作性能好，这些都是很有学问的。另外有源层的生长具有一定的灵活性，可生长不同配比的InGaAsP或者AlGaInAs, 对应不同的工作波长需要。

波导刻蚀

外延生长好所需的材料之后，通过干刻的方法，制备出不同类型的波导。根据刻蚀的深度，可以分为：

1）深刻蚀，即刻蚀到沉底，即下图中的deep etched waveguide ；

2）浅刻蚀，即下图中的shallow etched waveguide, 该类型的波导损耗较小；

3) 刻蚀到波导层上方的cladding层，后续可用于制作偏振旋转器件，也可以用于电隔离。

InP体系的波导大都为脊形波导，这些波导结合上一步中外延生长的有源层，就可以制备成光放大器、调制器、探测器等有源器件。

表面平整化

由于前一步的波导刻蚀， 这些波导如同一个个小楼房，楼房之间是空隙，我们需要在这些空隙中填充材料，使得整体结构稳定。填充好之后还需对表面进行平整化处理，这一点和硅光芯片是类似的。

金属互联

在平整化后的表面生长电极，用于有源器件的外部信号输入。

 

整个制备过程可以类比成砌砖盖房子，不同于传统意义的盖房子，而是先把砖头一层层堆好（外延生长），然后掏出部分砖头，形成房间（波导刻蚀），最后安装玻璃水电，内部装修等（表面平整化和金属互联）。

目前提供InP光芯片MPW（Multi Project Wafer，多项目晶圆）服务的fab主要有Smart photonics, HHI和Oclaro。不同流片厂的工艺略有差别，制备出的器件性能也各有特色。下表对比了这几个fab的工艺水平，

InP光芯片的基本单元包括无源器件与有源器件，主要包括：

1)波导

波导的传输损耗是2-3dB/cm, HHI平台的损耗可降到1dB/cm以下。浅刻蚀波导的弯曲半径为500um, 深刻蚀波导的弯曲半径可以降至10um左右。

2) 模斑转换器（spot size converter）

 如下图所示，这种竖直方向做成taper的耦合器，在硅光里是很难制备的，而在InP体系可以较为方便地加工出来。

3) 偏振转换器

如下图所示，波导侧壁加工成斜楔形，光场经过该结构时，偏振方向旋转90度，类似于半波片。

4) 光放大器、探测器

光放大器和探测器的结构非常相似，区别在于波导刻蚀的深度和PN结所施加电压的方向。光探测器需工作在反偏状态。

5）电相位调制器

主要利用反偏电压时载流子耗尽带来的折射率变化这一效应，对相位进行调制。

以这些单元为基础，就可以构建更复杂的器件，比如光放大器结合光栅，就可以制备成激光器。文献(2)中给出了InP平台的器件库，器件非常丰富，可以实现多种功能，可以对光的强度、相位和偏振这三个参数进行调控。

InP体系的最大优势是可以单片集成所有功能器件，包括硅光无法直接实现的激光器，而且各个器件的性能都和硅光相当。美国Infinera公司在06年就展示了40路1.6Tb/s的InP芯片，性能十分强大。该公司还在2010年实现了单片集成450个功能元件。而目前硅光所能单片集成的器件还没有这么多。

我们总是说InP体系成本高，但是成本不该是唯一需要考虑的问题。新事物取代旧事物，往往是性能有很大的提升，或者拥有旧事物无法实现的功能。那么InP与硅光的比较，不能简单地从成本的角度看问题。

另外一点，InP光芯片加工起来比较复杂，步骤较多，这一点和集成电路有点相似，我们只需在逻辑层进行相关地fabless设计，而由流片厂负责加所设计的光路在物理上实现。

参考文献：

1. M. Smit, et.al.,  An introduction to InP-based generic integration technolog,

Semicond. Sci. Technol. 29, 083001(2014) 

2. M. Smit, et.al., Moore’s law in photonics, Laser & Photon Rev. 6,1(2012)

3. https:///downloads/FAB_overview_Amit_Khanna.pdf

来源：光学小豆芽