懸空p-n結量子阱器件和光波導單片集成系統(tǒng)及其制備方法技術方案

本發(fā)明專利技術公開了一種懸空p?n結量子阱器件和光波導單片集成系統(tǒng)及其制備方法，該集成系統(tǒng)包括硅襯底層、設置在所述硅襯底層上的外延緩沖層、設置在所述外延緩沖層上的多個p?n結量子阱器件，所述p?n結量子阱器件之間設置有隔離槽，兩相鄰的p?n量子阱器件通過光波導相連。本發(fā)明專利技術系統(tǒng)可實現(xiàn)平面光子信息傳輸以及空間多通道信號探測等多種功能，實現(xiàn)雙通道的可見光平面光子信息傳輸和對空間光信號感知的倍增探測，同時能夠分別獨立感知空間光信號，實現(xiàn)三通道光信號的探測接收。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術屬于信息材料與器件領域，涉及一種懸空p-n結量子阱器件和光波導單片集成系統(tǒng)及其制備技術。
技術介紹
LED即發(fā)光二極管，是一種將電能轉(zhuǎn)化為光能的電子器件；光電探測器即光電二極管，能夠把光信號轉(zhuǎn)化為電信號；二者核心部分均為PN結。氮化物材料特別是GaN材料，具有寬的直接帶隙、強的原子鍵、高的熱導率、化學穩(wěn)定性好，是一種理想的短波長發(fā)光器件材料。生長在高阻硅襯底上的氮化物材料，利用深硅刻蝕技術能夠解決硅襯底與氮化物材料的剝離問題，實現(xiàn)懸空直至超薄的厚度可控的氮化物薄膜器件；利用氮化物與空氣較大的折射率差異，可以實現(xiàn)高光場限制作用的光波導器件；去除硅襯底，降低吸收損耗，懸空p-n結量子阱器件的發(fā)光強度增強，不論是作為LED光源還是光電探測器，性能將進一步提升。因此，基于硅襯底氮化物材料發(fā)展單片高度集成的平面光子集成系統(tǒng)成為一種可能，為發(fā)展面向光通信、光傳感的氮化物光子及光學微機電器件奠定了基礎。
技術實現(xiàn)思路
技術問題：本專利技術提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)雙通道的可見光平面光子信息傳輸，對空間光信號感知的倍增探測，且能夠分別獨立感知空間光信號，實現(xiàn)三通道光信號探測接收的懸空p-n結量子阱器件和光波導單片集成系統(tǒng)。本專利技術同時提供一種該系統(tǒng)的制備方法。技術方案：本專利技術的懸空p-n結量子阱器件和光波導單片集成系統(tǒng)，以硅基氮化物晶片為載體，包括硅襯底層、設置在所述硅襯底層上的外延緩沖層、設置在所述外延緩沖層上的多個p-n結量子阱器件，所述p-n結量子阱器件之間設置有隔離槽，兩相鄰兩個p-n量子阱器件通過光波導相連；所述p-n結量子阱器件由n-GaN層、n-電極、InGaN/GaN量子阱、p-GaN層和p-電極構成，在所述n-GaN層上表面有刻蝕出的階梯狀臺面，所述階梯狀臺面包括下臺面和位于下臺面上的上臺面，所述InGaN/GaN量子阱層、p-GaN層和p-電極從下至上依次連接設置在上臺面的上方，所述n-電極設置在下臺面上；在所述n-GaN層下方設置有貫穿硅襯底層、外延緩沖層至n-GaN層底面的空腔，p-電極、n-電極和光波導位于所述空腔上方，使得p-n結量子阱器件和光波導懸空。進一步的，本專利技術的懸空p-n結量子阱器件和光波導單片集成系統(tǒng)中，所述p-電極由依次連接的p-電極區(qū)、p-電極導電區(qū)和p-電極引線區(qū)組成，所述p-電極區(qū)和p-電極導電區(qū)懸空在空腔上方；所述n-電極由相互連接的n-電極導電區(qū)和n-電極引線區(qū)組成。進一步的，本專利技術的懸空p-n結量子阱器件和光波導單片集成系統(tǒng)中，所述p-n結量子阱器件和光波導均在硅基氮化物晶片的氮化物層上實現(xiàn)。進一步的，本專利技術的懸空p-n結量子阱器件和光波導單片集成系統(tǒng)中，所述光波導為完全懸空的矩形光波導結構。進一步的，本專利技術的懸空p-n結量子阱器件和光波導單片集成系統(tǒng)中，所述光波導上設置有將其分割為兩部分的波導隔離槽，所述波導隔離槽從p-GaN層從上往下刻蝕深度至n-GaN層下臺面。進一步的，本專利技術的懸空p-n結量子阱器件和光波導單片集成系統(tǒng)中，所述p-電極和n-電極均為Ni/Au電極，即沉積的金屬材料為Ni/Au。本專利技術的制備上述懸空p-n結量子阱器件和光波導單片集成系統(tǒng)的方法，包括以下步驟：步驟（1）在硅基氮化物晶片背后對硅襯底層進行減薄拋光；步驟（2）在硅基氮化物晶片上表面均勻涂上一層光刻膠，采用光刻對準技術在光刻膠層上定義出n-GaN臺階區(qū)域、光波導區(qū)域、波導隔離槽區(qū)域，所述n-GaN臺階區(qū)域包括下臺面和上臺面；步驟（3）采用反應離子束刻蝕n-GaN臺階區(qū)域、光波導區(qū)域、波導隔離槽區(qū)域，去除殘余光刻膠，得到階梯狀臺面、位于上臺面的p-n結量子阱器件的InGaN/GaN量子阱層和p-GaN層、波導區(qū)域的InGaN/GaN量子阱層和p-GaN層、波導隔離槽，從而得到光波導；步驟（4）在硅基氮化物晶片上表面均勻涂上一層光刻膠，采用光刻對準技術定義出位于p-GaN層上的p-電極窗口區(qū)域、位于n-GaN層下臺面的n-電極窗口區(qū)域；步驟（5）在所述p-電極窗口區(qū)域與n-電極窗口區(qū)域分別蒸鍍Ni/Au，形成歐姆接觸，實現(xiàn)p-電極與n-電極，去除殘余光刻膠后，即得到p-n結量子阱器件；步驟（6）在硅基氮化物晶片上表面均勻涂上一層光刻膠，采用光刻對準技術定義器件隔離槽區(qū)域；步驟（7）采用反應離子束從上向下刻蝕氮化物層，刻蝕深度2.5-3微米，形成位于p-n結量子阱器件之間的器件隔離槽；步驟（8）在硅基氮化物晶片頂層涂膠保護，防止刻蝕過程中損傷表面器件，在硅基氮化物晶片的硅襯底層下表面旋涂一層光刻膠層，利用背后對準技術，定義出一個對準并覆蓋p-電極區(qū)、p-電極導電區(qū)、n-電極導電區(qū)和光波導的背后刻蝕窗口；步驟（9）將外延緩沖層作為刻蝕阻擋層，利用背后深硅刻蝕技術，通過背后刻蝕窗口將所述硅襯底層貫穿刻蝕至外延緩沖層的下表面；步驟（10）采用氮化物背后減薄刻蝕技術，從下往上對外延緩沖層和n-GaN層進行氮化物減薄處理，形成一個使光波導完全懸空的空腔；步驟（11）去除殘余光刻膠，即獲得懸空p-n結量子阱器件和光波導單片集成系統(tǒng)。進一步的，本專利技術制備方法中，所述步驟（5）中的蒸鍍Ni/Au，采用剝離工藝和溫度控制在5005℃的氮氣退火技術實現(xiàn)。進一步的，本專利技術制備方法中，所述步驟（10）中，所述氮化物背后減薄刻蝕技術為離子束轟擊或反應離子束刻蝕技術。進一步的，本專利技術制備方式中，所述步驟（5）中定義的p-電極窗口區(qū)域包括依次連接的p-電極區(qū)窗口、p-電極導電區(qū)窗口和p-電極引線區(qū)窗口，所述p-電極區(qū)窗口和p-電極導電區(qū)窗口懸空在空腔上方，所述n-電極窗口區(qū)域包括相互連接的n-電極導電區(qū)窗口和n-電極引線區(qū)窗口。本專利技術通過曝光技術和氮化物刻蝕工藝，將p-n結量子阱器件和光波導轉(zhuǎn)移到頂層氮化物器件層，為了防止p-n結量子阱器件之間的互相干擾，定義隔離槽，在隔離槽區(qū)域從上向下刻蝕至n-GaN層。利用背后深硅刻蝕技術，剝離去除器件結構下硅襯底層，進一步采用氮化物背后減薄刻蝕技術，保證矩形光波導結構，獲得超薄的硅基懸空p-n結量子阱器件和光波導單片集成系統(tǒng)。本專利技術將多個p-n量子阱器件通過矩形（非脊型）光波導相連，實現(xiàn)了平面光子信息傳輸以及空間多通道信號探測等多種功能。本專利技術中懸空p-n結量子阱器件和光波導單片集成系統(tǒng)將光源、光波導和光電探測器集成在同一芯片上，由中間的懸空p-n結量子阱器件作為LED光源（加載正向電壓后，p-n結量子阱器件發(fā)光），兩側的懸空p-n結本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
一種懸空p?n結量子阱器件和光波導單片集成系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)以硅基氮化物晶片為載體，包括硅襯底層(1)、設置在所述硅襯底層(1)上的外延緩沖層(2)、設置在所述外延緩沖層(2)上的多個p?n結量子阱器件，所述多個p?n結量子阱器件之間設置有隔離槽(15)，兩相鄰p?n結量子阱器件通過光波導(8)相連；所述p?n結量子阱器件由n?GaN層(3)、n?電極(6)、InGaN/GaN量子阱層(4)、p?GaN層(5)和p?電極(7)構成，在所述n?GaN層(3)上表面有刻蝕出的階梯狀臺面，所述階梯狀臺面包括下臺面和位于下臺面上的上臺面，所述InGaN/GaN量子阱層(4)、p?GaN層(5)和p?電極(7)從下至上依次連接設置在上臺面的上方，所述n?電極(6)設置在下臺面上；在所述n?GaN層(3)下方設置有貫穿硅襯底層(1)、外延緩沖層(2)至n?GaN層(3)底面的空腔(14)，p?電極(7)、n?電極(6)和光波導(8)位于所述空腔上方，使得p?n結量子阱器件和光波導(8)懸空。

【技術特征摘要】
1.一種懸空p-n結量子阱器件和光波導單片集成系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)以硅基氮化
物晶片為載體，包括硅襯底層(1)、設置在所述硅襯底層(1)上的外延緩沖層(2)、設置在所
述外延緩沖層(2)上的多個p-n結量子阱器件，所述多個p-n結量子阱器件之間設置有隔離
槽(15)，兩相鄰p-n結量子阱器件通過光波導(8)相連；所述p-n結量子阱器件由n-GaN層
(3)、n-電極(6)、InGaN/GaN量子阱層(4)、p-GaN層(5)和p-電極(7)構成，在所述n-GaN層(3)
上表面有刻蝕出的階梯狀臺面，所述階梯狀臺面包括下臺面和位于下臺面上的上臺面，所
述InGaN/GaN量子阱層(4)、p-GaN層(5)和p-電極(7)從下至上依次連接設置在上臺面的上
方，所述n-電極(6)設置在下臺面上；在所述n-GaN層(3)下方設置有貫穿硅襯底層(1)、外延
緩沖層(2)至n-GaN層(3)底面的空腔(14)，p-電極(7)、n-電極(6)和光波導(8)位于所述空
腔上方，使得p-n結量子阱器件和光波導(8)懸空。
2.根據(jù)權利要求1所述的懸空p-n結量子阱器件和光波導單片集成系統(tǒng)，其特征在于，
所述p-電極(7)由依次連接的p-電極區(qū)(9)、p-電極導電區(qū)(10)和p-電極引線區(qū)(11)組成，
所述p-電極區(qū)(9)和p-電極導電區(qū)(10)懸空在空腔上方；所述n-電極(6)由相互連接的n-電
極導電區(qū)(12)和n-電極引線區(qū)(13)組成。
3.根據(jù)權利要求1所述的懸空p-n結量子阱器件和光波導單片集成系統(tǒng)，其特征在于，
所述光波導(8)為完全懸空的矩形光波導結構。
4.根據(jù)權利要求1所述的懸空p-n結量子阱器件和光波導單片集成系統(tǒng)，其特征在于，
所述光波導(8)上設置有將其分割為兩部分的波導隔離槽(16)，所述波導隔離槽(16)從p-
GaN層(5)從上往下刻蝕深度至n-GaN層(3)下臺面。
5.根據(jù)權利要求1、2、3或4所述的懸空p-n結量子阱器件和光波導單片集成系統(tǒng)，其特
征在于，所述p-電極(7)和n-電極(6)均為Ni/Au電極，即沉積的金屬材料為Ni/Au。
6.一種制備權利要求1至5所述的懸空p-n結量子阱器件和光波導單片集成系統(tǒng)的方
法，其特征在于，該方法包括以下步驟：
步驟(1)在硅基氮化物晶片背后對硅襯底層(1)進行減薄拋光；
步驟(2)在硅基氮化物晶片上表面均勻涂上一層光刻膠，采用光刻對準技術在光刻膠
層上定義出n-GaN臺階區(qū)域、光波導區(qū)域、波導隔離槽區(qū)域，所述n-GaN臺階區(qū)域包括下臺
面和上臺面；<...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：王永進，高緒敏，朱桂遐，許銀，袁威，蔡偉，袁煒，
申請(專利權)人：南京郵電大學，
類型：發(fā)明
國別省市：江蘇;32