CN1141511A - 含有波导和光电接收器件的集成光学模块 - Google Patents

Abstract

一个光学模块包括支承衬底(21)、一个在该支承衬底上的光波导(22)、一个在该支承衬底上的光电接收器件(20，30)、一个用于把由该光波导引导的一个光束的光路从第一光路变换到通向上述光电接收器件的一个光电探测区的第二光路的光路变换部件(23a，33a)，其中该光路变换部件是作为该光电探测器件的一个部分在该器件上提供的，以使从该光波导射出的光束入射到该光电接收器件的光电探测区上。

Description

含有波导和光电接收器件的 集成光学模块

本发明总体上是涉及光学半导体器件，更具体地是涉及一种含有相互集成在一起的光电接收器件和光波导的集成光学模块。

半导体光电探测器件在称为多媒体的应用领域中的光学信息处理系统中是不可缺少的，在多媒体中图像数据和音频数据是作为系统所处理的信息信号的一部分而被处理的。在这样的光学信息处理系统中，要求传输光信号的光波导和光学模块中探测通过光波导传输的光信号的光电接收器件之间达到有效的光耦合。

另一方面，为了使多媒体被人类社会广泛接受，有必要提供不仅成本低同时又要使光波导和对应的光电接收器件之间达到有效光耦合的光学处理系统。

图1所示的是由本发明的发明者以前提出的一种传统光电探测模块的结构图。

参考图1，光电探测模块在其上带有导线图形1a和1b的支承衬底1上构成，导线图形1a和1b连接在用倒装工艺安装在支承衬底1上的半导体光电接收器件10上。

光电接收器件10含有一个n型磷化铟(InP)衬底2，衬底2提供了一个n型InP的缓冲层3，缓冲层3上带有一个InGaAs无掺杂层4和形成在InGaAs层4上的n^-型InP层5。进一步，p型扩散区5a和5b是形成在上述的InP层5中。最后，应该注意到，针形二极管D1和D2是对应于扩散区5a和5b而形成的。

图2表示的是二极管D1和D2的等效电路图。

参考图2，应指出的是，二极管D1和D2是以相反的极性通过n型InP层3相互串联在一起，其中二极管D1构成驱动二极管D2的一个驱动电路。更明确地说，二极管D1本身正向偏置时，二极管D1使二极管D2反向偏置，而反向偏置的二极管D2本身又产生对入射光束的导通响应。换句话说，二极管D2的作用就是一个光电二极管。应该注意到，对应驱动二极管D1的p型区域5a要比形成光电二极管D2的p型区域5b明显大。因此，驱动二极管D1能够给光电二极管D2提供大驱动电流。与这样的大面积的p型区域5a相伴随的是，驱动二极管D1有一个大的结电容Cp，而由于相应的p型区域5b面积小，光电二极管D2有一个非常小的结电容。于是，光电二极管D2对入射光束能作出非常快的响应。

在图1的光电接收器件10中，应指出的是，衬底2在后部带有一个与上述的光电二极管D2对应的微透镜2a，因此，从光纤11发出的入射到衬底2后部的光束被聚焦到位于p型区域5b上方的InGaAs层4的一个局部区域上。进一步说，光电接收器件10含有一个覆盖n型InP层5的表面的绝缘膜6，这里绝缘膜6形成时留有分别与扩散区5a和5b相对应的接触孔6a和6b。此外，分别对应接触孔6a和6b，在扩散区5a和5b上形成有金属凸点7a和7b。因此，光电接收器件10是用倒装工艺方法以颠倒即反转的状态安装在支承衬底1上以形成光电探测模块，并且金属凸点7a和7b是以电气的和机械的方式连接到上述支承衬底1上的导线图形1a和1b上。

在图示的结构中，应注意到，在支承衬底的后部有另一导线图形1c，该图形1c通过一个通孔1d与导线图形1a或1b电气连接，其中将导线图形1c连接到供给正电压的直流电流源12上。此外，输出端和负载电阻R_L接到导线图形1b上。结果，图2所示的电路就形成了，其中二极管D1是正向偏置，光电二极管D2是反向偏置。在图1中，还应该注意到，InP衬底2的后部带有消反射膜8。

在图1的结构中，光电接收器件10是通过使用倒装工艺以低成本可靠安装在支承衬底1上。因此，光电探测模块的加工成本明显降低了。此外，通过缩小构成光电二极管D2的必要部分的扩散区5b，光电二极管D2的响应性能有了明显的改善。图1的结构有利于消除施加到该光电二极管D2的有源区上的机械应力，该D2的有源区对探测入射光束是必不可少的。在图1的结构中，加到模块上的大部分外部机械应力被驱动二极管D1的扩散区5a吸收掉，因为D1的区域比光电二极管D2的区域大得多。

另一方面，图1的光电探测模块有一个缺陷，就是，必须提供一个分离的支承机构来支承光纤11使之与衬底2上的微透镜2a对准，而这样的支承机构对每一个光电接收器件10都必须作调节以使光纤11的芯和微透镜2a之间达到最佳光耦合。由于光纤芯的直径充其量在6μm左右，这样的光纤11的支承机构的调节要用不少时间。应该注意，光纤支承机构的调节是通过监视光电二极管D2的输出搜寻最佳位置，使光电二极管D2的输出达到极大值处就是最佳光纤位置。所以，调节需要很长时间，在图1的光学模块中器件的加工成本不可避免地要增加。

另一方面，也有一些光学模块方案不需要这样的光纤支承机构，如图3所示，其中那些与前面描述过的部件相对应的部件被标以与前面相同的参考标号，这里将略去其描述。

参考图3，支承衬底1的上主表面上有一光波导13，其中光波导13是整体地形成在衬底1上，并且含有一个由一对覆盖层13a和13b以纵向夹心方式形成的波导层13c。在从上述波导层13c的侧面13A发出的光束的光路中有一反射器件14，它有一反射面14a。应该注意，反射器件14有一个与支承衬底1的上主表面相接触的下主表面和一个与上述下主表面平行的上主表面，并且光电接收器件10是装在反射器件14的上主表面上。

在这个结构中，由光波导13传导的、从侧面13A发出的光束被反射面14a反射到光电接收器件10的衬底2的表面上，其中射进衬底2的光束到达对应扩散区5b的光电二极管D2的有源区上。于是，通过使反射器件14位于支承衬底1的一个预定位置上并且使光电接收器件10在衬底1的上主表面的一个预定位置上，仅仅通过调整光电接收器件10、反射器件14及光波导13在衬底1上的相互位置就很容易使光波导13和光电接收器件10的光电二极管D2之间进行光耦合。应注意到，这种位置调整很容易通过在衬底1或反射器件14上形成对准标记来实现。

图3的结构也有一个缺陷，它要求反射器件14作为一个另外的组件。随之而来，也就要求另外的加工工序。此外，反射器件14的使用将导致光学集成回路中光路的改变。为了使光电二极管D2和光波导13之间达到最佳光耦合，有必要相对于光波导13来调整反射器件14和光电探测器件10，而这种调整是非常困难的，尤其当反射器件14的精密度不够时。

此外，在光路中使用这样的反射器件14将增加从光波导13的侧面13A发出的光束的光程长度。当光束的光程长增加后，它到达光电二极管D2的有源区时就要经受一个相当大的光束发散。在这种情况下，对应增加后的光束直径，就要增大光电二极管ID2的有源区大小，而光电二极管D2有源区尺寸的增大就带来了构成光电二极管有源区的扩散区5b的结电容的增大。因此，光电二极管D2的响应性能就必然要下降。另一方面，当减小光电二极管D2的有源区5b以保持高响应速度时，光电二极管D2的光耦合效率就要明显下降，这是因为大部分来自光波导13的光束不能进入光电二极管D2的有源区5b。

图4是另一种传统型光电探测器件的结构，其中那些前面已描述过的部件被标以与前面相同的参考标号，这里略去其描述。

参考图4，光电接收器件10现在是以倒装方式直接安装在支承衬底1的上表面上，衬底1上还装有光波导13，它们是一个集成整体。在这一结构中，形成在InP衬底2上的有源层4的侧面对着光波导层13c的外露侧面13A，并且从侧面13A发出的光束直接进入到有源层4中。因此，光束的光程长增加的问题就成功地消除了。

另一方面，这一结构也有一缺陷，从其厚度一般为约6μm的光波导层13c发出的光束的大部分进不到其厚度度只有2-3μm的有源层4中。还应注意到，从光波导层13c发出的光束在纵向上的尺寸是与在纵方向上层13c的厚度相对应的。换句话说，图4的结构有很大的固有光学损耗，因而不能提供一种满意的光耦合。

此外，图4的结构要求在衬底1上在光电探测器件和外部的光波导层13之间进行调节以使光波导13和光电接收器件10的有源层之间达到最大光耦合，而这样的调节是很复杂的，要增加光学模块的成本。

因而，本发明的总目的是提供一种新颖的、有用的光学模块及加工工艺，而前述的问题得以消除。

本发明的另一个更具体的目的是提供一个能使光电接收器件和光波导之间有最佳光耦合而不需像寻找光电探测器件的最大输出那样完成复杂的调节过程。

本发明的另一个目的是提供一种光学模块，它包括：

一个支承衬底；

一个在上述支承衬底上提供的用于传导光束的波导；

一个在上述支承衬底上提供的光电接收器件，上述光电接收器件含有一个响应入射光束的光电探测区；

光路变换部件，用于把由上述光波导传导的并从中发出的上述光束的光路从第一个光路变到通向上述光电接收器件的上述光电探测区的第二光路；

上述光波导有一个用于发射由上述光波导引导的、沿上述第一光路传播的上述光束的侧表面；

上述光电接收器件是提供在上述支承衬底上，所以会被由上述光波导的上述侧面发射出的上述光束遇到；

上述光路变换部件是作为一个部件被形成在上述光电探测器件上，以致于从上述光波导的上述侧面发射出的上述光束射到了上述光电接收器件的上述光电探测区上。

依据本发明，光路变换部件是形成在光电接收器件上，它本身是在支承衬底上，与光波导一样。因此，从光波导中发出的光束能可靠地射到光路变换部件上，入射到光路变换部件上的光束也能可靠地射到光电接收器的光电探测区上，即使是当从光波导的侧面发出的光束有一些发散时也是如此。所以，能保证光波导和光电接收器件之间有充分的光耦合。由于光波导和光电接收器件是分离的单元，本发明只是通过把光电接收器件安装在已经带有光波导的支承衬底上，与之成为一体，就能达到期望的强的光耦合。因此，光电接收器件和光波导之间的对准通过利用一个标记很容易实现，像寻找光电接收器件的最大输出那样的复杂调节过程可以避免。

本发明的另一个目的是提供一个制造光电探测模块的方法，包括的步骤有：

在衬底上形成一个分层体，使上述分层体含有一个有源层；

在上述分层体上形成多个光电接收区；

用刻蚀工艺在上述分层体上形成一个V形槽，使V形槽把一个光电接收区与另一个光电接收区分开；

把上述分层体沿着上述的槽分割以形成多个光电接收单元，使上述每一个光电接收单元有一个与上述V形槽对应的斜面；及

把上述光电接收器件配置在一个其上带有光波导的支承衬底上，使上述斜面对着上述光波导的一个侧面。

依据本发明，每一个光电接收器件都有一个与V形槽相对应的斜侧面，斜侧面充当改变从光波导射出的、进入到光电接收器件的光束的光路的棱镜面，即反射面，以使光束射到形成在光电接收器件中的光电二极管上。由于该斜面是作为一个部件整体形成在光电接收器件中，故不需调整在光电接收器件中的斜面和光电二极管的位置。此外，由于光电接收器件是直接安装在带有光波导的支承衬底上，光电接收器件和光波导之间的调整实际上被简化了。

本发明的另一个目的是提供一个制造半导体光探测器件的方法，包括下列步骤：

在其上带有一个有源层的衬底上淀积一个抗蚀剂图形，露出上述有源层的光电接收区；

在上述抗蚀剂图形上淀积一个导体层使上述导体层覆盖上述露出的光电接收区；

以上述导体层作为一个电极，用电镀工艺在上述导体层上淀积一个电极层；和

通过除去上述电极层下面的上述抗蚀剂图形来形成一个电极引线。

按照本发明，通过在抗蚀剂图形上做电镀，然后把抗蚀剂图形除去，能够形成一个引线电极，使之平行于形成光电接收器件的分层体伸展而保持与分层体分离。具有这样的引线电极的光电接收器件可以以这样的状态安装在支承衬底上，就是光电接收器件装在支承衬底的侧壁上，使光电接收器件的主表面的延伸方向垂直于支承衬底。前述的引线电极可以被弯曲并且连接到形成在支承衬底上的导线图形上。在这种情况下，从支承衬底上的光波导的侧面发出的光束通常是沿垂直于前述的主表面的方向入射到光电接收器件上，并由形成在部分光电接收器件的主表面上的棱镜面反射偏转使之射向形成于光电接收器件中的光电二极管上。因此，由光波导射出的入射到光电二极管上的光束的光程长被明显缩短了，在光电二极管处光束的发散问题变得最小。

本发明的其它目的和进一步的特性，根据下面的详细描述和附图会变得更清楚。

图1是一个传统的光学模块的结构图；

图2是图1的光学模块的等效电路图；

图3表示另一种传统型光学模块的结构；

图4也是另一种传统光学模块的结构图；

图5表示根据本发明的第一个实施例的光学模块的结构；

图6表示根据本发明的第二个实施例的光学模块的结构；

图7是图6的光学模块的平面视图；

图8表示图6的光学模块的加工步骤；

图9是根据本发明的第三个实施例的光学模块结构图；

图10是根据本发明的第四个实施例的光学模块结构图；

图11是根据本发明的第五个实施例的光学模块结构图；

图12是根据本发明的第六个实施例的光学模块结构图；

图13是根据本发明的第七个实施例的光学模块结构图；

图14是根据本发明的第八个实施例的光学模块结构图；

图15是根据本发明的第九个实施例的光学模块结构图；

图16A-16H表示图15的光学模块的加工过程；

图17A和图17B是本发明的光学模块中使用的棱镜表面的各种实施例；

图18是根据本发明的第十个实施例的光学模块结构图；

图5是根据本发明的第一个实施例的光学模块200的结构图。

请参考图5，光学模块200是形成在硅支承衬底21上的，包括一个形成于衬底21上的光波导22和同样也形成于衬底21上的光电接收器件20，这样，光电接收器件20的侧壁对着光波导22的侧面22A。光波导22是由玻璃或用CVD工艺淀积在硅衬底21上的半导体层构成的，它包括下部的覆盖层22a和形成在它上面的芯层22b及形成于芯层上面的上部覆盖层22c。光波导22可以与支承衬底上的另一个光波导(未画出)或光发射器件(未画出)耦合，其中光波导22引导入射于其上的光束并从前述的侧面22A射出。

另一方面，光电接收器件20是形成在一个n型磷化铟器件衬底23上，它包括一个对应图1的层3的n型磷化铟的缓冲层24，对应图1的层4的形成于层24上的无掺杂铟镓砷吸收层25，和对应图1的层5的n^-型磷化铟有源层26，其中层26含有分别对应图2的驱动二极管D1和光电二极管D2的具有第一面积的p型区域26a的和另一具有较小的第二面积的p型区域26b。此外，电极27a和27b是分别位于区域26a和26b上。

应该指出，器件衬底23是由侧壁23a界定，并位于支承衬底21上，使侧壁23a对着前述光波导22的侧面22A。另外，侧壁23a上带有消反射膜(未画出)，侧壁23a和光波导的侧面22A通过消反射膜相互结合在一起。

在图5的光学模块200中，器件衬底23还包括一个由位于器件衬底23的下主表面上的斜面22A界定的凹槽。于是在支承衬底21和器件衬底23之间对应凹槽形成有一个空腔即空间23B，其中界定凹槽的斜面23A与支承衬底21的主表面形成一个角度θ₁。因此，这个斜面充当一个反射面，它把从光波导22的侧面22A来的入射光束反射到p型区域26b。

为了使被反射面23A反射的光束准确射到p型区域26b上，对包括层23-26的分层的半导体本体的总厚度T相对于角度θ₁作了调整。当斜面23A是通过器件衬底23的湿法刻蚀过程形成的时，应该指出，湿法刻蚀的结果是，出现了一个磷化铟(111)表面。在这种情况下，角度θ₁理论上取值54.7°，它与磷化铟(111)表面有关。一般情况下，角度θ₁会依赖刻蚀过程中用的掩模图形或刻蚀类型有所变化。使用氯化氢、溴或溴化氢水溶液，我们可以在反射面23A处露出上述的(111)表面，角度θ₁取值为55°。在这样的湿法刻蚀工艺中，可以使用HCl、H₃PO₄或含溴酒精溶液。

在器件衬底23的下主表面上，有一个助熔层23c用于包裹着斜面23A，其中助熔层23c最典型的是含有钛、金、锡和金的层，厚度分别为0.1μm，0.1μm，2μm和0.1μm。在器件衬底23配置在支承衬底21上的情况下，使助熔层23c中产生熔化，光电接收器件20就牢固地粘在了支承衬底21上。因此，覆盖反射面23A的助熔层23c就充当反射从光波导22的侧面22A发出的入射到器件衬底23上的光束的反射膜。

在所示的例子中，由光波导22的侧面22A射出的光束被反射面23A反射到了后上方。于是，与被反射光束的光路相对应，形成光电二极管D2的扩散区26b形成在比形成光电二极管D1的扩散区26a离侧壁23a要近的地方。

在图5的光学模块200中，光电接收器件20安装在带有光波导22的支承衬底21上，使光电接收器件20的下主表面和支承衬底21的上主表面贴在一起，并且使器件衬底23的侧壁23a与光波导22的侧面22A贴在一起，而两者中间有一消反射膜，这就能够通过简单地把光电接收器件20安装在支承衬底21上使光电接收器件20和光波导22之间达到所期望的高效光耦合。光电接收器件和光波导之间的对准通过使用如图5中所示的位置标志M就很容易实现。

在图5的结构中，还应当指出，从光波导22的侧面22A射出的光束是从下方入射到构成图2的光电二极管的扩散区26b及相关的耗尽区。因而，整个光斑都照在扩散区26b上，像部分光束进不到扩散区26b这样的问题不再出现。换句话说，图5的光学模块有减少光损耗的优良性能。

在图5的结构中，应当指出，支承衬底21不只是限于硅材料，任何其它合适的半导体材料，像磷化铟或者甚至是玻璃都可以用于支承衬底21。

图6表示根据本发明的第二个实施例的光学模块300的结构。

请参考图6，光学模块300包括带有与图5的实施例相类似的光波导22的支承衬底21，其中支承衬底21现在带有一个光电接收器件30，它包括一个n型磷化铟器件衬底33。应当指出，器件衬底33是由侧壁33a界定的，包括一个在前述的侧壁33a与衬底33的下主表面33b相交的边缘处形成的斜面33A，其中斜面33A与器件衬底33的下主表面33b形成一个θ₂角度。

与前面类似，对应前述的磷化铟层3或24，器件衬底33在上主表面上带有一个n型磷化铟缓冲层34，对应前述的光吸收层4或25，缓冲层34上有一个无掺杂InGaAs光吸收层35。此外，对应前面已经描述过的层5或26，层35上有一个n^-型磷化铟有源层36，其中层36包括一个对应光电二极管D2的p型区域36a和一个对应驱动二极管D1的p型区域36b。

在所示例中，器件衬底33的下主表面装在支承衬底21的上主表面之上，与第一实施例类似，并且器件衬底33的配置使侧壁33a对着光波导22的侧面22A，使从光波导22的侧面22A发出的光束入射到器件衬底33的斜面33A上。

在图6中，所示出的是，光波导22的侧面22A和器件衬底33的侧壁33a是位于同一平面内，但本实施例并不限于这一个具体方案，我们可以安装器件衬底33，使光波导22的侧面22A位于超过侧壁33a的位置，斜面33A悬在其上方。在这种结构中也很容易通过支承衬底21上的定位标志M确定衬底33和光波导22之间的位置关系。

在图6的光  学模块300中，应该指出，前述斜面33A带有消反射膜(未画出)，从光波导22的侧面22A射出的光束在前述斜面33A处沿前上方被折射向器件衬底33的上主表面。因此，这样被折射的光束入射到构成光电二极管D2的扩散区36a上。

为了接收由现在充当棱镜面的斜面33A折射的光束，图6的光电接收器件30含有一个在相对于构成驱动二极管D1的扩散区36b来说是远离侧壁33a的一侧的构成光电二极管D2的扩散区36a。

在这个结构中，由光波导22的侧面22A射出光束也是从下方射到扩散区36a，故由于光束到不了扩散区36a而引起的光损耗变得最小。

与前面类似，斜面33A相对器件衬底33的下主表面33b的夹角θ2的取值范围在45°-60°。在斜面33A是由磷化铟的(111)表面构成的特殊情况下，角度θ₂取值54.7°。

图7是图6所示的光学模块300的光电接收器件30的平面图。

参考图7，请注意构成光电二极管D2的扩散区36a的面积明显要小于构成驱动二极管D1的扩散区36b的面积。由于构成光电二极管D2的必要部分的扩散区36a的面积减小，光电二极管D2能高速响应。此外，还应注意到，与使用图3所示的传统结构中的分离的反射器件相比，从光波导22的侧面22A射出的光束以缩短了的光程在器件衬底33中传播到达光电二极管D2。因此，光束发散保持最小，相应地就可以减小扩散区36a的尺寸。相同的叙述也适用于参考图5描述的第一种实施例。实际上，扩散区26b或36a可以做成小于其十分之一。

在图6所示的光学模块200中，要指出的是，器件衬底33有另一个斜面33A’，该斜面33A’是沿着器件衬底33的下主表面33b与另一个与侧壁33a相对的侧壁33a’相交的边缘形成的。具有这样结构的光电接收器件30有另外一个优点，就是通过先在一个带有层34-36的衬底或晶片上制做一些在图8中所示的对应前述斜面33A和33A’的V型槽G₁-G₄，然后在每一个槽G₁-G₄处劈开器件衬底33，这样就很容易加工制造这种结构。

请参考图8，要指出的是，所示的分层的半导体本体包括器件区DEVICE1，DEVICE2和DEVICE3，每一个自身又包含n^-型磷化铟层36中的p型扩散区36a和36b。此外，消反射膜38形成在含有槽G₁-G₄的器件衬底33的下主表面上，其中每一个光电接收器件30都通过如图6中所示的位于器件衬底33的下主表面上的助熔层被安装在支承衬底21上。

在图5和图6的任一个实施例中，应该指出，从光波导22的侧面22A射出的光束正确入射到构成光电二极管D2的扩散区26b或36a主要取决于光束在斜面22A或33A上的正确入射位置，因此也就取决于波导层22b相对半导体层25和26的相对高度。换句话说，波导侧面22A与器件衬底23之间的距离D(图6)对光波导22和光电二极管之间的光耦合影响不大。

在这点上，图5或图6的结构特别有利，因为器件衬底33是直接安装在支承衬底21上，并且半导体层34-36及形成光波导的层22a-22c的厚度能够以高精度加以控制。因为不必精密调节距离D，故使用标志M作粗调对达到期望的光耦合就足够了。

下面，将参考图9描述根据本发明的第三实施例的光学模块400，其中那些前面描述过的部件被标以与前面相同的参考标号，那些部件的描述被忽略。

请参考图9，光学模块400有一个与图5的模块200非常等同的结构，其不同点在于光学模块400有一个弯曲反射面23A’代替了图5的平面反射面23A。使用了该弯曲反射面23A’，就能把被反射的光束聚焦到构成光电二极管D2的扩散区26b上。因此，我们可以缩小扩散区26b的面积，进而减小光电二极管D2的结电容，光电二极管D2的响应特性得到改善。

应该指出，这样的弯曲反射面23A’可以由美国专利5,309,468描述的工艺来制成，这个专利文献作为了此处所附的参考文献。简单说，这个工艺是使用抗蚀剂图形的热诱导回流引起抗蚀剂图形的边缘变钝，再使用这样一个钝化了的抗蚀剂图形作刻蚀掩模进行干法蚀刻。

由于本实施例的其它方面与图5的那些等同，本实施例的进一步描述省略。

图10示出根据本发明的第四实施例的一个光学模块500的结构，其中用相同的参考标号表示前面已描述过的那些部件，其描述将省略。

请参考图10，光学模块500有一个与图6的模块300非常等同的结构，所不同的是光学模块500有一个弯曲棱镜面33B和33B’代替图6的平面棱镜面33A和33A’。作为使用弯曲棱镜面33B和33B’的结果，能够把折射光束聚焦到构成光电二极管D2的扩散区36a上。因此，可以缩小扩散区36a的面积，进而减小光电二极管D2的结电容，D2的响应特性得到改善。应该指出，这样的弯曲棱镜面33B和33B’可以用美国专利5,309,468中描述的工艺形成，类似于弯曲反射面23A’的情况。

由于本实施例的其它方面与图6中的那些等同，其描述将略去。

图11表示根据本发明的第五个实施例的光学模块600的结构，其中那些与前述部件相对应的部件被标以与前面相同的参考标号，其描述忽略。

在图11的结构中，要指出的是，图6的光电接收器件20是用倒装工艺以翻转的状态安装在支承衬底21上，这样，电极27a和27b被连接到形成于支承被底21上的导线图形21a和21b上。为了这一目的，光电接收器件20带有对应电极27a和27b的焊料凸点。

在图11的结构中，要指出的是，现在反射面23A形成在器件衬底23的顶部。于是，图11的光学模块600在支承衬底21上有一个厚的聚酰亚胺间隔层22B，在它上面有光波导22’，以便从光波导22’的侧面22A’射出的光束正确入射到反射面23A上。应该指出，光波导22’包括一个直接形成于间隔层22B上面的下覆盖层22a’，一个形成于覆盖层22a’之上的光波导层22b’和再形成于光波导层22b’之上的上覆盖层22c’。被反射面23A反射的光束入射到光电二极管D2的扩散区26b。为了增加光束的反射，在器件衬底23的上主表面上形成有一个反射膜23c’，它覆盖了反射面23A。

由于图11的光学模块600中的光电接收器件20是用倒装工艺安装在支承衬底21上，不再需要引线键合光电接收器件20的电极27a和27b。因此，由与引线键合过程有关的机械应力损坏组成光电二极管D2的必要部分的扩散区26b的风险明显减小。此外，倒装工艺的使用改善了成品率。

图12是根据本发明的第六个实施例的光学模块700的结构图，其中用相同的参考标号表示前面已描述过的那些部件，下面略去其描述。

在图12的结构中，图6的光电接收器件30是用倒装工艺以翻转状态安装在支承衬底21上，这样能使电极37a和37b与形成于支承衬底21上的导线图形21a和21b在电气及机械两方面都连接在一起。此外，光波导22’位于支承衬底上，其状态是间隔层22B插在支承衬底21和光波导22’之间。于是，从光波导22’的侧面22A’射出的光束在现在形成于支承衬底33的顶部的棱镜面33A上折射向前下方，并且入射到现在位于器件衬底33的底部的扩散区36a，如图12所示。

在图12的结构中，也能消除倒装过程引起的光电二极管D2的任何机械应力。另外，光学模块加工的成品率得到改善。

下面以图13作参考描述根据本发明的第七实施例的光学模块800。

请参考图13，光学模块800含有一个其结构与光电接收器件30相类似的光接收器件30₁，其中光接收器件30₁是用倒装法安装在支承衬底21上，类似于图12的光学模块700。另一方面，光电接收器件30₁含有位于器件衬底33的底部的半导体层34-36。此外，器件衬底33在其侧壁33a与半导体层36的表面相交的边缘处有一个斜面33C。于是，从支承衬底21上的光波导22的侧面22A发出的光束直射到前述的充当棱镜面的斜面33C上，并且光束在棱镜面33C处向前上方折射。

应当指出，所示的器件衬底33在其顶部有一个衍射光栅33X，光电接收器件30₁是倒着的，所以，被棱镜面33C折射的光束发生衍射。作为衍射的结果，光束被分解成很多光束单元，每一个都对应一个光学成分，这些光学成分在光束中是以波长的形式复合在一起。

这些光束单元被衍射光栅33X依据波长按各自的衍射角进行衍射，并到达器件衬底33的底部，此处形成有半导体层34-36。

在图13的光学模块800中，层36是由n^-型磷化铟构成的，它包括许多p型扩散区(36a)₁、(36a)₂、(36a)₃、……，与要入射的衍射光束单元相对应。此外，有与扩散区(36a)₁、(36a)₂、(36a)₃、……，相对应的凸点电极(37a)₁、(37a)₂、(37a)₃、……，其中每一个扩散区(36a)₁、(36a)₂、(36a)₃、……都构成一个光电二极管D2。光电接收器件30₁是用倒装法安装在支承衬底21上，所以凸点电极(37a)₁、(37a)₂、(37a)₃、……，在电气和机械两方面都与支承衬底21上对应的导线图形(21a)₁、(21a)₂、(21a)₃、……，连接在一起。

于是，图13的光学模块800不仅能以很低的成本使光波导22和光电二极管D2之间达到所期望的有效光耦合，而且也能充当分解来自光波导22的波长复合光信号的光分波器。

下面将用图14作参考描述根据本发明的第八个实施例的光学模块900，其中那些与前面描述过的部件相对应的部件被标以与前面相同的参考标号，其描述将省略。

请参考图14，光学模块900是图6的光学模块300的一个改进型，它含有一个光电接收器件30₂，其中光电接收器件30中的半导体层34现在用多层(光学)滤波器34’取代。多层(光学)滤波器34’含有一个铟镓砷磷(InGaAsP)膜和磷化铟(InP)膜交替叠加的叠层，每一个膜的厚度是入射光束波长的四分之一，对光电二极管D2以预定波长选通由棱镜面33A折射的光束。因此，光学模块900是作为一个波长选择光探测器进行工作。

下面以图15为参考描述根据本发明的第九个实施例的光学模块1000，其中用相同的参考标号表示前面已描述过的那些部件，其描述将略去。

请参考图15，光学模块1000包括一个以侧壁33a与支承衬底21的上表面重合的直立状态位于支承底21上的光电接收器件30₃。更具体地说，光电接收器件30₃是形成在器件衬底21上以使器件衬底33的主表面33b对着光波导22。

于是，从光波导22射出的光束入射到了充当棱镜面的斜面33A上，并向前上方折射，其中这样被折射的光束到达器件衬底33另一侧的构成光电二极管D2的p型扩散区36a。

图15的光电接收器件30₃还包括一个连接到对应扩散区36a的电极37a上的L形引线电极39，并且引线电极39连接到形成在支承衬底21之上的导线图形21a上。应提到的是，像这样的一种引线电极39到导线图形21a的连接通过表面安装工艺是很容易实现的。

在图15的光学模块1000中，应该指出，从光波导22的侧面22A发出的光束是以最小的光程长穿过器件衬底33传到扩散区36a。因此，在扩散区36a处光束的发散保持最小。

在加工图15的光学模块1000时，希望用导体层淀积法而不是用引线键合工艺在光电接收器件30₃上形成引线电极39，以便消除扩散区36a的应力。

图16A-16H表示形成引线电极39的工艺过程，其中图16B是图16A的结构的平面图，图16D是图16C的结构的平面图，图16F是图16E的结构的平面图，及图16H是图16G的结构的平面图。

图16A和16B所示是光电接收器件30₃的初始状态，此时，扩散区36a在n⁺型磷化铟层36中形成，其中图16A表示图16B的结构沿I-I’线的截面图。

在下一步图16C和图16D的步骤中，一个聚酰亚胺层36₁被淀积在磷化铟层36上，接着使用一个抗蚀剂掩模36₂的图形形成工艺以露出扩散区36a。此外，通过顺序淀积钛、铂和金层在抗蚀剂掩模36₂上淀积一个电极层37使之覆盖扩散区36a的已露出的表面。因此，金层充当一个低阻层，而钛和铂层充当一个阻挡金属层。

下面，在图16E和16F的步骤中，形成一个抗蚀剂图形39a，以便露出要形成引线电极39的区域，引线电极39是用金电镀工艺在电极层37的露出的那部分之上形成。

引线电极39这样形成后，引线电极39外的电极层37用离子研磨工艺除掉。此外，通过把抗蚀剂图形的树脂溶解到一种溶剂中，来去除抗蚀剂图形39a和362，就得到了图16G和16H所示的结构。在图16G和16H的结构中，请注意引线电极39是沿半导体层36的表面延伸，但两者是分离的。此外，在器件衬底33的后侧有划线33₂以便有助于把这个结构劈开以分成单独的光电接收器件。

图17A和17B是形成于器件衬底33上的棱镜表面的一个改进型。

在图17A的例子中，应该注意到，棱镜面33A只是形成在侧壁33a与支承衬底33的下主表面相交形成的脊的一部分上，而图17B的棱镜面占据了前述脊的整个长度。

图17A和图17B的结构的任何一个都可以在器件的功能方面以同样的效果用在光电二极管上，当在同一衬底或晶片上形成大量这样的二极管时，考虑到衬底的刚性，图17A的结构更好一些。在图17B的结构中，由于在晶片上形成了许多沟槽，晶片的机械强度要下降。

图18所示的是根据本发明的第十个实施例的光学模块1100的结构图。

请参考图18，光学模块1100包括带有光电接收器件30的支承衬底21，这类似于图6的光学模块300，所不同的是支承被底21在主表面上有V形槽21V与含有光纤芯体221的光纤220啮合在一起。

在这样的结构中，芯体221中的光束入射到器件衬底33的棱镜面33A上，发生与图6的光学模块300情况类似的折射，其中这样折射后的光束入射到构成光电二极管D2的扩散区36a。应该指出的是，这样的V形槽通过使用KOH作腐蚀液用一种众所周知的刻蚀工艺很容易做在硅衬底上。在这种情况下，V形槽由一对硅晶体表面来界定。

此外，本发明不只是限于这里已描述的实施例，可以做许多变更和修改，而不会超出本发明的范围。

Claims (22)

1.一个光学模块，包括：

一个支承衬底(21)；

一个在上述支承衬底上提供的用于引导光束通过的光波导(22)；

一个在上述支承衬底上提供的光电接收器件(20，30)，上述光电接收器件包含一个光电探测区(D₂)，它对入射光束产生响应；

一个光路变换部件(23A，33A)，用于把由上述光波导引导的并从其射出的上述光束的光路从第一光路变换到通向上述光电接收器件的上述光电探测区的第二光路；

上述光波导(22)有一个用于发射由上述光波导引导的、沿上述第一光路传播的上述光束的侧面(22A)；

上述光电接收器件(20，30)是提供在上述支承衬底(21)上，所以由上述光波导的上述侧面射出的上述光束能入射于其上；

其特征在于：

上述光路变换部件(23A，33A)是作为其中的一个部分被形成在上述光电探测器件上，所以从上述光波导的上述侧面射出的上述光束能入射到上述光电接收器件的上述光电探测区(D₂)上。

2.如权利要求1所述的光学模块，其中上述光波导(22)被这样形成以致于使上述第一光路平行于上述支承衬底(21)的一个主表面，并且其中上述光路变换部件包含有一个以倾斜于上述支承衬底的上述主表面的方式形成在上述光电接收器件上的一个斜面(23A，33A)。

3.如权利要求2所述的光学模块，其中上述斜面(33A)与上述衬底的上述主表面形成一个(θ₂)角，使沿上述第一光路从上述光波导(22)的上述侧面(22A)发出的一个光束从上述第一光路折射到上述第二光路。

4.如权利要求2所述的光学模块，其中上述斜面(23A)与上述衬底(21)的上述主表面形成一个角度(θ₁)，使沿上述第一光路从上述光波导的上述侧面(22A)射出的一个光束被从上述第一光路反射到上述第二光路。

5.如权利要求1所述的光学模块，其中上述光电接收器件包含一个由相互对着的第一和第二主表面及一个侧壁(33a)界定的一个器件衬底(23，33)，并且在上述第一主表面上提供了一个有源层(36)，上述有源层中含有上述光电探测区(D₂)，上述光电接收器件被安装在上述支承衬底(21)的一个主表面上，其状态是使上述器件衬底(23，33)的上述第二主表面与上述支承衬底(21)的上述主表面相接触，并且使上述器件衬底(23，33)的上述侧壁(23a，33a)对着上述光波导(22)的上述侧面(22A)。

6.如权利要求5所述的光学模块，其中上述光路变换部件包含一个形成在上述器件衬底的上述侧壁(33a)上的一个斜面(33A)，它与上述器件衬底(33)的上述第二主表面形成一个斜角(θ₂)，使得沿上述第一光路从上述光波导(22)射出的光束被折射向上述器件衬底(33)的上述第一主表面。

7.如权利要求5所述的光学模块，其中上述光路变换部件包括一个形成在上述器件衬底(23)的上述第二主表面上的一个斜面(23A)，它与上述器件衬底的上述侧壁(23a)有一个间隔，上述斜面与上述器件衬底的上述第二主表面形成一个斜角(θ₁)，使得从上述光波导(22)沿上述第一光路射出的一个光束被反射向上述器件衬底(23)的上述第一主表面。

8.如权利要求6所述的光学模块，其中上述斜面(33B)有一个曲率，使上述被折射的光束聚焦到上述光电接收器件的上述光电探测区(D₂)上。

9.如权利要求7所述的光学模块，其中上述斜面(23A’)有一个曲率使上述被反射的光束聚焦到上述光电接收器件的上述光电探测区(D₂)上。

10.如权利要求1所述的光学模块，其中上述光电接收器件包括一个由彼此相对的第一、第二主表面及一个侧壁(23a，33a)界定的一个器件衬底(23，33)，一个有源层(26，36)被形成在上述器件衬底的上述第一主表面上，上述有源层中包含一个光电探测区(D₂)，并在上述有源层上提供有与上述光电探测区相对应的凸点电极(27b，37b)，上述光电接收器件被配置在上述支承衬底(21)的一个主表面上，使上述器件衬底的上述第一主表面对着上述支承衬底(21)的上述主表面，使上述凸点电极(27b，37b)被连接到形成在上述支承衬底(21)的上述主表面上的一个导线图形(21b)上，并且使上述器件衬底的上述侧壁(23a，33a)对着上述光波导(22)的上述侧面(22A’)。

11.如权利要求10所述的光学模块，其中上述光路变换部件包括一个形成在上述器件衬底(33)的上述侧壁(33a)之上的一个斜面(33A)，上述斜面与上述器件衬底(33)的上述第二主表面形成一个斜角度，使从上述光波导(22)沿上述第一光路射出的一个光束折射向上述器件衬底(33)的上述第一主表面。

12.如权利要求10所述的光学模块，其中上述光路变换部件包含一个形成在上述器件衬底(23)的上述第二主表面之上的一个斜面(23A)，它与上述器件衬底(23)的上述侧壁(23a)有一个间隔，上述斜面(23A)与上述器件衬底(23)的上述第二主表面形成一个夹角，使从上述光波导(22)沿上述第一光路射出的一个光束被反射向上述器件衬底(23)的上述第一主表面。

13.如权利要求10所述的光学模块，其中上述光路变换部件包括一个形成在上述器件衬底(33)的上述侧壁(33a)之上的一个斜面(33C)，它与上述器件衬底(33)的上述第一主表面形成一个斜角度，使从上述光波导(22)沿上述第一光路射出的一个光束被折射向上述器件衬底(33)的上述第二主表面，并且其中上述器件衬底带有一个位于上述第二主表面上的一个衍射光栅(33X)。

14.如权利要求13所述的光学模块，其中上述光电接收器件的上述光电探测区包含多个光电探测区((26a)₁，(26a)₂，(26a)₃)，上述多个光电探测区中的每一个对应由上述衍射光栅衍射的上述光束的一个波长。

15.如权利要求1所述的光学模块，其中上述光电接收器件包括一个器件衬底(33)，一个提供在上述器件衬底上的有源层(36)，上述有源层中包含上述光电探测区(D₂)，及在上述器件衬底(33)和上述有源层(36)之间提供的一个多层光学滤波器(34’)。

16.如权利要求1所述的光学模块，其中上述光电接收器件包括一个由侧壁(33a)和彼此相对着的第一和第二主表面界定的器件衬底(33)，在上述器件衬底的上述第一主表面上提供的有源层(36)，上述有源层中含有上述光电探测区(36a)，及在上述有源层(36)上提供的与上述光电探测区(36a)相对应的一个引线电极(39)，上述光电接收器件被安装在上述支承衬底(21)上，其状态是使上述侧壁(33a)与上述支承衬底(21)的一个主表面结合在一起，其中上述光路变换部件包括一个从上述器件衬底(33)的上述侧壁(33a)延伸到上述第二主表面的一个斜面(33A)，该斜面的配置方式是截住从上述光波导(22)的上述侧面(22A)沿上述第一光路射出的光束，及其中上述斜面与上述器件衬底的上述侧壁(33a)形成一个夹角，以使从上述光波导(22)的上述侧面(22A)沿上述第一光路射出的光束被折射向离开上述支承衬底(21)的上述主表面的方向。

17.如权利要求16所述的光学模块，其中上述引线电极(39)包括一个沿上述有源层(36)但与其隔开一定的间距而延伸并朝向上述支承衬底(21)的第一部分和一个接着上述第一部分继续沿上述支承衬底(21)的上述主表面延伸的第二部分，并且其中上述第二部分被连接到在上述支承衬底(21)的上述主表面上提供的导线图形(21a)上。

18.如权利要求1所述的光学模块，其中上述光波导(22)构成上述支承衬底(21)的一个整片部件。

19.如权利要求1所述的光学模块，其中上述光波导(22)是一根嵌在形成于上述支承衬底(21)的一个主表面上的一个槽(21V)中的光纤(220)。

20.一种制造光电探测模块的方法，其特征在于下列步骤：

在一个衬底(33)上形成分层体(34-36)，使上述分层体包含一个有源层(36)；

在上述分层体上形成多个光电接收区(DEVICE1-DE-VICE3)；

用一种刻蚀过程在上述分层体上形成V形槽(G1-G3)，以便上述V形槽把一个光电接收区与另一个光电接收区分开；

把上述分层体沿上述V形槽分割开以形成多个光电接收单元，使得上述光电接收单元中的每一个有与上述V形槽(G1-G3)的侧壁对应的一个斜面(33A，33A’)；和

把上述光电接收器件配置到其上带有一个光波导(22)的一个支承衬底(21)上，使上述斜面(33A)对着上述光波导(22)的一个侧面(22A)。

21.如权利要求20所述的方法，其中上述的刻蚀过程是通过一个湿法刻蚀工艺进行的，以使上述V形槽(G1-G3)由一对晶体表面所界定。

22.一种制造一种半导体光探测器件的方法，其特征在于下列步骤：

在其上带有一个有源层(36)的一个衬底(33)上淀积一个抗蚀剂图形(36₂)，露出上述有源层的一个光电接收区；

在上述抗蚀剂图形上淀积一个导体层(37)，使上述导体层覆盖上述露出的光电接收区；

使用上述导体层作为一个电极用电镀工艺在上述导体层(37)上淀积一个电极层(39)；和

通过除去上述电极层下面的上述抗蚀剂图形(36₂)来形成一个电极引线(39)。

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