基于懸空p?n結(jié)量子阱的光致晶體管及其制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供一種基于懸空p?n結(jié)量子阱的光致晶體管及其制備方法，利用各向異性硅刻蝕技術(shù)，剝離去除器件結(jié)構(gòu)下硅襯底層，得到基于懸空氮化物薄膜p?n結(jié)量子阱的光致晶體管，進(jìn)一步采用氮化物背后減薄刻蝕技術(shù)，獲得超薄的懸空器件。本發(fā)明專利技術(shù)中，晶體管一端作為L(zhǎng)ED光源，另一端作為光電探測(cè)器，由于兩個(gè)器件之間優(yōu)異的光譜匹配特性，光電探測(cè)器能夠感知LED器件發(fā)出的光，將光信號(hào)轉(zhuǎn)成電信號(hào)輸出，從而實(shí)現(xiàn)器件的光致晶體管特性；該晶體管作為兩個(gè)共地的LED光源，獨(dú)立地傳輸被調(diào)制的光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)可見光無(wú)線通信的雙通道發(fā)射；本發(fā)明專利技術(shù)晶體管可以作為兩個(gè)共地的光電探測(cè)器，獨(dú)立地感知空間光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)可見光無(wú)線通信的雙通道探測(cè)。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于信息材料與器件領(lǐng)域，涉及一種懸空p-n結(jié)量子阱的光致晶體管及其制備技術(shù)。
技術(shù)介紹
氮化物材料特別是GaN材料，具有更高的禁帶寬度，更大的電子飽和漂移速度，更強(qiáng)的臨近擊穿電場(chǎng)，更高的熱導(dǎo)率以及熱穩(wěn)定性等特性，是制備高頻、高溫、高壓、大功率器件的理想材料。而基于硅襯底氮化物材料的光致晶體管器件，通過(guò)利用各向異性硅刻蝕技術(shù)，剝離去除器件結(jié)構(gòu)下硅襯底層，得到基于懸空氮化物薄膜p-n結(jié)量子阱的光致晶體管，進(jìn)一步采用氮化物背后減薄刻蝕技術(shù)，獲得超薄的懸空器件。該器件一端的LED光源發(fā)出的光，由另一端的光電探測(cè)器感知到，實(shí)現(xiàn)器件的光致晶體管特性；該器件作為兩個(gè)共地的LED光源，獨(dú)立地傳輸被調(diào)制的光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)可見光無(wú)線通信的雙通道發(fā)射；該器件作為兩個(gè)共地的光電探測(cè)器，獨(dú)立地感知空間光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)可見光無(wú)線通信的雙通道探測(cè)。這為發(fā)展面向可見光無(wú)線通信、光傳感的氮化物光子及光學(xué)微電子器件提供了新的方向。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
技術(shù)問(wèn)題：本專利技術(shù)提供一種基于懸空p-n結(jié)量子阱的光致晶體管，將該晶體管一端作為L(zhǎng)ED光源，另一端作為光電探測(cè)器、兩個(gè)共地的LED光源、兩個(gè)共地的光電探測(cè)器，分別實(shí)現(xiàn)器件的光致晶體管特性、可見光無(wú)線通信的雙通道發(fā)射和可見光無(wú)線通信的雙通道探測(cè)，本專利技術(shù)同時(shí)提供一種該晶體管的制備方法。技術(shù)方案：本專利技術(shù)的基于懸空p-n結(jié)量子阱的光致晶體管，以硅基氮化物晶片為載體，包括硅襯底層、設(shè)置在所述硅襯底層上的外延緩沖層、設(shè)置在所述外延緩沖層上的兩個(gè)p-n結(jié)量子阱器件；所述p-n結(jié)量子阱器件由n-GaN層、InGaN/GaN多量子阱、p-GaN層、p-電極和n-電極構(gòu)成，在所述n-GaN層上表面有刻蝕出的階梯狀臺(tái)面，所述階梯狀臺(tái)面包括下臺(tái)面和位于下臺(tái)面上的上臺(tái)面，所述InGaN/GaN多量子阱、p-GaN層、p-電極從下至上依次連接設(shè)置在上臺(tái)面的上方，所述n-電極設(shè)置在下臺(tái)面上，為兩個(gè)p-n結(jié)量子阱器件所共用；在所述n-GaN層下方設(shè)置有貫穿硅襯底層、外延緩沖層至n-GaN層中的空腔，使得p-n結(jié)量子阱器件懸空。進(jìn)一步的，本專利技術(shù)的基于懸空p-n結(jié)量子阱的光致晶體管中，所述p-電極由依次連接的懸空p-電極區(qū)、p-電極導(dǎo)電區(qū)和p-電極引線區(qū)組成；所述n-電極由相互連接的n-電極導(dǎo)電區(qū)和n-電極引線區(qū)組成，兩個(gè)p-n結(jié)量子阱器件的懸空p-電極區(qū)和部分n-電極導(dǎo)電區(qū)、部分n-電極引線區(qū)構(gòu)成懸空電極區(qū)，所述空腔位于懸空電極區(qū)的下方。進(jìn)一步的，本專利技術(shù)的基于懸空p-n結(jié)量子阱的光致晶體管中，所述p-n結(jié)量子阱器件在硅基氮化物晶片的氮化物層上實(shí)現(xiàn)。進(jìn)一步的，本專利技術(shù)的基于懸空p-n結(jié)量子阱的光致晶體管中，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(shù)的制備上述基于懸空p-n結(jié)量子阱的光致晶體管的方法，包括以下步驟：步驟（1）在硅基氮化物晶片背后對(duì)硅襯底層進(jìn)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，采用曝光技術(shù)在光刻膠層上定義出n-GaN臺(tái)階區(qū)域，所述n-GaN臺(tái)階區(qū)域包括下臺(tái)面和上臺(tái)面；步驟（3）采用反應(yīng)離子束刻蝕n-GaN臺(tái)階區(qū)域，得到階梯狀臺(tái)面；步驟（4）在硅基氮化物晶片上表面均勻涂上一層光刻膠，光刻定義出位于上臺(tái)面的p-n結(jié)量子阱器件的p-電極窗口區(qū)域、位于下臺(tái)面的p-n結(jié)量子阱器件的n-電極窗口區(qū)域，然后在所述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(shí)現(xiàn)p-電極與n-電極，去除殘余光刻膠后，即得到p-n結(jié)量子阱器件；步驟（5）在硅基氮化物晶片頂層涂膠保護(hù)，防止刻蝕過(guò)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(duì)準(zhǔn)技術(shù)，定義出一個(gè)對(duì)準(zhǔn)并覆蓋p-n結(jié)量子阱器件懸空部分的背后刻蝕窗口；步驟（6）將外延緩沖層作為刻蝕阻擋層，利用背后深硅刻蝕技術(shù)，通過(guò)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（7）采用氮化物背后減薄刻蝕技術(shù)，從下往上對(duì)外延緩沖層和n-GaN層進(jìn)行氮化物減薄處理，形成一個(gè)空腔；步驟（8）去除殘余光刻膠，獲得基于懸空p-n結(jié)量子阱的光致晶體管器件。進(jìn)一步的，本專利技術(shù)制備方法中，所述步驟（4）中的蒸鍍Ni/Au，采用剝離工藝和溫度控制在5005℃的氮?dú)馔嘶鸺夹g(shù)實(shí)現(xiàn)。進(jìn)一步的，本專利技術(shù)制備方式中，步驟（7）中的氮化物背后減薄刻蝕技術(shù)為離子束轟擊或反應(yīng)離子束刻蝕技術(shù)。進(jìn)一步的，本專利技術(shù)制備方式中，所述步驟（4）中定義的p-電極窗口區(qū)域包括依次連接的懸空p-電極區(qū)窗口、p-電極導(dǎo)電區(qū)窗口和p-電極引線區(qū)窗口，所述n-電極窗口區(qū)域包括相互連接的n-電極導(dǎo)電區(qū)窗口和n-電極引線區(qū)窗口。本專利技術(shù)通過(guò)曝光技術(shù)和氮化物刻蝕工藝，將LED、光電探測(cè)器轉(zhuǎn)移到頂層氮化物器件層。利用各向異性硅刻蝕技術(shù)，剝離去除器件結(jié)構(gòu)下硅襯底層和外延緩沖層，進(jìn)一步采用氮化物背后減薄刻蝕技術(shù)，獲得超薄的基于懸空p-n結(jié)量子阱的光致晶體管。本專利技術(shù)中，晶體管一端作為L(zhǎng)ED光源，另一端作為光電探測(cè)器，由于兩個(gè)器件之間優(yōu)異的光譜匹配特性，光電探測(cè)器能夠感知LED器件發(fā)出的光，將光信號(hào)轉(zhuǎn)成電信號(hào)輸出，從而實(shí)現(xiàn)器件的光致晶體管特性。本專利技術(shù)的基于懸空p-n結(jié)量子阱的光致晶體管，可以將該晶體管作為兩個(gè)共地的LED光源，獨(dú)立地傳輸被調(diào)制的光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)可見光無(wú)線通信的雙通道發(fā)射。可以將該晶體管作為兩個(gè)共地的光電探測(cè)器，獨(dú)立地感知空間光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)可見光無(wú)線通信的雙通道探測(cè)。本專利技術(shù)器件以光子作為信息傳輸載體，很好地解決了信號(hào)傳輸時(shí)畸變失真、能量損耗等問(wèn)題；同時(shí)，本器件既可以作為兩個(gè)LED光源，也可作為兩個(gè)光電探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)器件的多功能應(yīng)用。有益效果：本專利技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：本專利技術(shù)的基于懸空p-n結(jié)量子阱的光致晶體管區(qū)別于傳統(tǒng)電致晶體管以電子作為傳輸載體，采用光子作為信息傳輸?shù)妮d體，使信息在傳輸中所造成的信息畸變和失真極小，光傳輸、轉(zhuǎn)換時(shí)能量消耗和散發(fā)熱量極低。同時(shí)，光致晶體管器件既可作為L(zhǎng)ED光源，也可作為光電探測(cè)器使用；同時(shí)，實(shí)現(xiàn)晶體管源、漏極的雙向利用。解決了器件的多功能應(yīng)用問(wèn)題，功能更加全面且制作工藝簡(jiǎn)潔，為平面光子集成開創(chuàng)了一種新的光致晶體管器件。本專利技術(shù)器件將光源、光電探測(cè)器集成在同一芯片上，LED器件發(fā)出的光，在另一端被光電探測(cè)器探測(cè)到，利用量子阱器件的電光效應(yīng)和光電效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)光致晶體管特性；本專利技術(shù)器件可作為兩個(gè)LED光源，采用共地結(jié)構(gòu)，獨(dú)立地傳輸被調(diào)制的光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)可見光無(wú)線通信的雙通道發(fā)射；本本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于懸空p?n結(jié)量子阱的光致晶體管，其特征在于，該晶體管以硅基氮化物晶片為載體，包括硅襯底層（1）、設(shè)置在所述硅襯底層（1）上的外延緩沖層?（2）、設(shè)置在所述外延緩沖層（2）上的兩個(gè)p?n結(jié)量子阱器件；所述p?n結(jié)量子阱器件由n?GaN層（3）、InGaN/GaN多量子阱（4）、p?GaN層（5）、p?電極（6）和n?電極（7）構(gòu)成，在所述n?GaN層（3）上表面有刻蝕出的階梯狀臺(tái)面，所述階梯狀臺(tái)面包括下臺(tái)面和位于下臺(tái)面上的上臺(tái)面，所述InGaN/GaN多量子阱（4）、p?GaN層（5）、p?電極（6）從下至上依次連接設(shè)置在上臺(tái)面的上方，所述n?電極（7）設(shè)置在下臺(tái)面上，為兩個(gè)p?n結(jié)量子阱器件所共用；在所述n?GaN層（3）下方設(shè)置有貫穿硅襯底層（1）、外延緩沖層（2）至n?GaN層（3）中的空腔，使得p?n結(jié)量子阱器件懸空。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于懸空p-n結(jié)量子阱的光致晶體管，其特征在于，該晶體管以硅基氮化物晶片
為載體，包括硅襯底層（1）、設(shè)置在所述硅襯底層（1）上的外延緩沖層（2）、設(shè)置在所述外延
緩沖層（2）上的兩個(gè)p-n結(jié)量子阱器件；所述p-n結(jié)量子阱器件由n-GaN層（3）、InGaN/GaN多
量子阱（4）、p-GaN層（5）、p-電極（6）和n-電極（7）構(gòu)成，在所述n-GaN層（3）上表面有刻蝕出
的階梯狀臺(tái)面，所述階梯狀臺(tái)面包括下臺(tái)面和位于下臺(tái)面上的上臺(tái)面，所述InGaN/GaN多量
子阱（4）、p-GaN層（5）、p-電極（6）從下至上依次連接設(shè)置在上臺(tái)面的上方，所述n-電極（7）
設(shè)置在下臺(tái)面上，為兩個(gè)p-n結(jié)量子阱器件所共用；在所述n-GaN層（3）下方設(shè)置有貫穿硅襯
底層（1）、外延緩沖層（2）至n-GaN層（3）中的空腔，使得p-n結(jié)量子阱器件懸空。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于懸空p-n結(jié)量子阱的光致晶體管，其特征在于，所述p-電
極（6）由依次連接的懸空p-電極區(qū)（8）、p-電極導(dǎo)電區(qū)（9）和p-電極引線區(qū)（10）組成；所述n-
電極（7）由相互連接的n-電極導(dǎo)電區(qū)（11）和n-電極引線區(qū)（12）組成；兩個(gè)p-n結(jié)量子阱器件
的懸空p-電極區(qū)（8）和部分n-電極導(dǎo)電區(qū)（11）、部分n-電極引線區(qū)（12）構(gòu)成懸空電極區(qū)
（13），所述空腔位于懸空電極區(qū)（13）的下方。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于懸空p-n結(jié)量子阱的光致晶體管，其特征在于，所述p-n結(jié)
量子阱器件在硅基氮化物晶片的氮化物層上實(shí)現(xiàn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3所述的基于懸空p-n結(jié)量子阱的光致晶體管，其特征在于，所述
p-電極（6）和n-電極（7）均為Ni/Au電極，即沉積的金屬材料為Ni/Au。
5.一種制備權(quán)利要求1、2、3或4所述基于懸空p-n結(jié)量子阱的光致晶體管的方法，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(duì)硅襯底層（1）進(jìn)行減薄拋光；
步驟（2）在硅基氮化物晶片上...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王永進(jìn)，袁威，高緒敏，蔡瑋，白丹，許銀，朱桂遐，袁煒，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：南京郵電大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：江蘇;32