[发明专利]用于多波长处理的单片集成光探测器阵列的制备方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种具有多波长处理功能的GaAs基长波长单片集成光探测器阵列的制备方法，以及基于该阵列的外反射镜(膜)式ROADM和底面键合双阵列ROADM的设计与实现方法。

特别涉及了基于大失配异质外延生长的单片集成技术，半导体器件中多阶梯谐振腔结构的实现方法，基于外反射镜(膜)导光系统的实现方法，以及基于底面键合双阵列导光系统的实现方法。

背景技术：

随着WDM光纤通信系统与光网络的迅速发展，可重构光分插复用(ROADM)技术越来越受到重视，必将成为下一代光网络中重要的光节点设备。但是目前ROADM仍是由分立器件构成，高昂的成本限制了其广泛的应用，而集成化是降低成本的必由之路。

目前已报道的集成化ROADM主要都是利用平面光波线路(PLC)技术，将解复用器、光开关和复用器单片集成。但是利用PLC技术制备大规模集成ROADM取决于诸多关键工艺的突破，难度很大，就目前国内设备及工艺水平而言，直接利用PLC技术尚无法实现大规模集成ROADM器件。这样通过关键功能器件的集成首先实现各功能模块的局部集成化，最后再实现整体设备的大规模集成化是目前研究平面集成可重构分插复用的一条现实之路。

对于具有波长选择性的光探测器，需要有能够和衬底材料晶格匹配的，又具有很大折射率差的两种材料来构成分布式布拉格反射镜(DBR)。而对于长波长InP基材料来说，目前可提供的材料很难满足大折射率差这一要求。相对来说，GaAs/AlGaAs材料的DBR却因拥有大折射率差而得到广泛应用。同时，InP和GaAs是两种发展最成熟的III-V族化合物半导体。人们很希望能够把InP的卓越高速性能和光学性能与GaAs的大尺寸、低价位的优点结合起来。有鉴于此，探索新工艺和新方案，缓解和释放外延层的热应力，同时降低缺陷密度、提高外延层的晶体质量，实现器件的单片集成是本发明的一个重要目标。

发明内容：

本发明旨在解决上述技术问题，在GaAs基衬底上，实现具有多阶梯结构的GaAs/AlGaAs谐振腔，通过谐振腔腔长对光波的选择性，实现对多个波长的处理功能，该方法具有工艺简单，易于实现等优点。并基于该阵列实现新型集成化ROADM器件。

本发明所提供的用于多波长处理的单片集成光探测器阵列的制备方法包括如下工艺步骤：

1)经多次刻蚀工艺和二次外延生长工艺制备多台阶F-P谐振腔；

2)通过GaAs/InP大失配异质外延生长工艺实现InP系有源器件与GaAs系无源滤波器件的单片集成。

所述多次刻蚀工艺和二次外延生长工艺制备多台阶F-P谐振腔中，光刻工艺使用光刻胶作为掩膜材料；台阶制作采用湿法腐蚀工艺；去除掩膜后，再次经过重新在原来受保护的台阶处光刻掩膜，再在GaAs腔层表面刻蚀形成连续台阶，台阶周期排列。

在所述GaAs/InP大失配异质外延生长工艺中刻蚀后的台阶外延片经过清洗后，进行二次外延生长，依次为作为部分F-P腔的GaAs腔层；作为F-P腔顶镜的多对GaAs/AlGaAs的DBR；GaAs缓冲层；在350-550℃(优选450℃)的低温下生长低温非晶缓冲层；在600-750℃(优选650℃)的生长温度下完成PIN光电探测器的生长，及InP盖帽层。

所述阶梯型F-P滤波器的制备包括下工艺步骤：

在GaAs基衬底上生长GaAs/AlGaAs的分布布拉格反射镜以及部分GaAs基谐振腔，其中谐振腔的厚度为λ₀的整数倍；

用二次外延生长工艺生长另外一部分GaAs基谐振腔，然后生长GaAs/AlGaAs布拉格反射镜，并采用异质外延工艺形成InP基光探测器结构。

所述多次刻蚀工艺中所用腐蚀液选自以体积比计：1∶1∶10～50的H₂SO₄/H₂O₂/H₂O或1∶1∶10～50的NH₄OH/H₂O₂/H₂O或1～10∶1的H₃PO₄/HCl或1∶3∶10～50的HF/HNO₃/H₂O。

本发明所提供的用于多波长处理的单片集成光探测器阵列的制备方法，优选采用如下工艺步骤：

在GaAs衬底上依次生长GaAs缓冲层，F-P谐振腔的底镜和GaAs腔层；