悬空p‑n结量子阱器件和光波导单片集成系统及其制备方法与流程

悬空p-n结量子阱器件和光波导单片集成系统及其制备方法技术领域本发明属于信息材料与器件领域，涉及一种悬空p-n结量子阱器件和光波导单片集成系统及其制备技术。

背景技术：
LED即发光二极管，是一种将电能转化为光能的电子器件；光电探测器即光电二极管，能够把光信号转化为电信号；二者核心部分均为PN结。氮化物材料特别是GaN材料，具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好，是一种理想的短波长发光器件材料。生长在高阻硅衬底上的氮化物材料，利用深硅刻蚀技术能够解决硅衬底与氮化物材料的剥离问题，实现悬空直至超薄的厚度可控的氮化物薄膜器件；利用氮化物与空气较大的折射率差异，可以实现高光场限制作用的光波导器件；去除硅衬底，降低吸收损耗，悬空p-n结量子阱器件的发光强度增强，不论是作为LED光源还是光电探测器，性能将进一步提升。因此，基于硅衬底氮化物材料发展单片高度集成的平面光子集成系统成为一种可能，为发展面向光通信、光传感的氮化物光子及光学微机电器件奠定了基础。

技术实现要素：
技术问题：本发明提供一种能够实现双通道的可见光平面光子信息传输，对空间光信号感知的倍增探测，且能够分别独立感知空间光信号，实现三通道光信号探测接收的悬空p-n结量子阱器件和光波导单片集成系统。本发明同时提供一种该系统的制备方法。技术方案：本发明的悬空p-n结量子阱器件和光波导单片集成系统，以硅基氮化物晶片为载体，包括硅衬底层、设置在所述硅衬底层上的外延缓冲层、设置在所述外延缓冲层上的多个p-n结量子阱器件，所述p-n结量子阱器件之间设置有隔离槽，两相邻两个p-n量子阱器件通过光波导相连；所述p-n结量子阱器件由n-GaN层、n-电极、InGaN/GaN量子阱、p-GaN层和p-电极构成，在所述n-GaN层上表面有刻蚀出的阶梯状台面，所述阶梯状台面包括下台面和位于下台面上的上台面，所述InGaN/GaN量子阱层、p-GaN层和p-电极从下至上依次连接设置在上台面的上方，所述n-电极设置在下台面上；在所述n-GaN层下方设置有贯穿硅衬底层、外延缓冲层至n-GaN层底面的空腔，p-电极、n-电极和光波导位于所述空腔上方，使得p-n结量子阱器件和光波导悬空。进一步的，本发明的悬空p-n结量子阱器件和光波导单片集成系统中，所述p-电极由依次连接的p-电极区、p-电极导电区和p-电极引线区组成，所述p-电极区和p-电极导电区悬空在空腔上方；所述n-电极由相互连接的n-电极导电区和n-电极引线区组成。进一步的，本发明的悬空p-n结量子阱器件和光波导单片集成系统中，所述p-n结量子阱器件和光波导均在硅基氮化物晶片的氮化物层上实现。进一步的，本发明的悬空p-n结量子阱器件和光波导单片集成系统中，所述光波导为完全悬空的矩形光波导结构。进一步的，本发明的悬空p-n结量子阱器件和光波导单片集成系统中，所述光波导上设置有将其分割为两部分的波导隔离槽，所述波导隔离槽从p-GaN层从上往下刻蚀深度至n-GaN层下台面。进一步的，本发明的悬空p-n结量子阱器件和光波导单片集成系统中，所述p-电极和n-电极均为Ni/Au电极，即沉积的金属材料为Ni/Au。本发明的制备上述悬空p-n结量子阱器件和光波导单片集成系统的方法，包括以下步骤：步骤（1）在硅基氮化物晶片背后对硅衬底层进行减薄抛光；步骤（2）在硅基氮化物晶片上表面均匀涂上一层光刻胶，采用光刻对准技术在光刻胶层上定义出n-GaN台阶区域、光波导区域、波导隔离槽区域，所述n-GaN台阶区域包括下台面和上台面；步骤（3）采用反应离子束刻蚀n-GaN台阶区域、光波导区域、波导隔离槽区域，去除残余光刻胶，得到阶梯状台面、位于上台面的p-n结量子阱器件的InGaN/GaN量子阱层和p-GaN层、波导区域的InGaN/GaN量子阱层和p-GaN层、波导隔离槽，从而得到光波导；步骤（4）在硅基氮化物晶片上表面均匀涂上一层光刻胶，采用光刻对准技术定义出位于p-GaN层上的p-电极窗口区域、位于n-GaN层下台面的n-电极窗口区域；步骤（5）在所述p-电极窗口区域与n-电极窗口区域分别蒸镀Ni/Au，形成欧姆接触，实现p-电极与n-电极，去除残余光刻胶后，即得到p-n结量子阱器件；步骤（6）在硅基氮化物晶片上表面均匀涂上一层光刻胶，采用光刻对准技术定义器件隔离槽区域；步骤（7）采用反应离子束从上向下刻蚀氮化物层，刻蚀深度2.5-3微米，形成位于p-n结量子阱器件之间的器件隔离槽；步骤（8）在硅基氮化物晶片顶层涂胶保护，防止刻蚀过程中损伤表面器件，在硅基氮化物晶片的硅衬底层下表面旋涂一层光刻胶层，利用背后对准技术，定义出一个对准并覆盖p-电极区、p-电极导电区、n-电极导电区和光波导的背后刻蚀窗口；步骤（9）将外延缓冲层作为刻蚀阻挡层，利用背后深硅刻蚀技术，通过背后刻蚀窗口将所述硅衬底层贯穿刻蚀至外延缓冲层的下表面；步骤（10）采用氮化物背后减薄刻蚀技术，从下往上对外延缓冲层和n-GaN层进行氮化物减薄处理，形成一个使光波导完全悬空的空腔；步骤（11）去除残余光刻胶，即获得悬空p-n结量子阱器件和光波导单片集成系统。进一步的，本发明制备方法中，所述步骤（5）中的蒸镀Ni/Au，采用剥离工艺和温度控制在5005℃的氮气退火技术实现。进一步的，本发明制备方法中，所述步骤（10）中，所述氮化物背后减薄刻蚀技术为离子束轰击或反应离子束刻蚀技术。进一步的，本发明制备方式中，所述步骤（5）中定义的p-电极窗口区域包括依次连接的p-电极区窗口、p-电极导电区窗口和p-电极引线区窗口，所述p-电极区窗口和p-电极导电区窗口悬空在空腔上方，所述n-电极窗口区域包括相互连接的n-电极导电区窗口和n-电极引线区窗口。本发明通过曝光技术和氮化物刻蚀工艺，将p-n结量子阱器件和光波导转移到顶层氮化物器件层，为了防止p-n结量子阱器件之间的互相干扰，定义隔离槽，在隔离槽区域从上向下刻蚀至n-GaN层。利用背后深硅刻蚀技术，剥离去除器件结构下硅衬底层，进一步采用氮化物背后减薄刻蚀技术，保证矩形光波导结构，获得超薄的硅基悬空p-n结量子阱器件和光波导单片集成系统。本发明将多个p-n量子阱器件通过矩形（非脊型）光波导相连，实现了平面光子信息传输以及空间多通道信号探测等多种功能。本发明中悬空p-n结量子阱器件和光波导单片集成系统将光源、光波导和光电探测器集成在同一芯片上，由中间的悬空p-n结量子阱器件作为LED光源（加载正向电压后，p-n结量子阱器件发光），两侧的悬空p-n结量子阱器件作为光电探测器，LED光源发出的光，侧向耦合进光波导，通过光波导传输到两侧独立的光电探测器上，实现双通道的可见光平面光子信息传输；将信息加载到LED光源发出的光上，通过波导向两侧传输经调制的光信号，两侧的探测器接收检测该光信号，恢复出源信号，即实现了双通道的可见光平面光子信息传输。将中间的悬空p-n结量子阱器件作为光电探测器，感知空间传输的光信号，由两侧的p-n结量子阱器件作为主动增益LED光源，实现对空间光信号感知的倍增探测；将三个悬空p-n结量子阱器件同时作为光电探测器，能够分别独立感知空间光信号，实现三通道光信号的探测接收。本发明通过刻蚀到n-GaN层的隔离槽将波导断开，切断了两两器件相互之间的干扰。本发明还通过双面加工工艺实现了完全悬空的矩形光波导结构。有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：本发明的硅基悬空p-n结量子阱器件和光波导单片集成系统，可实现平面光子信息传输以及空间多通道信号探测等多种功能：本发明的硅基悬空p-n结量子阱器件和光波导单片集成系统，使用隔离槽将各个p-n结量子阱器件在平面内隔离，降低器件之间的相互干扰；本发明的硅基悬空p-n结量子阱器件和光波导单片集成系统，通过双面加工工艺实现完全悬空的矩形光波导结构，增强光信号的传输的同时进一步消减了传统脊型波导引入的相邻p-n结量子阱器件之间的干扰；本发明的硅基悬空p-n结量子阱器件和光波导单片集成系统，将LED、光波导和光电探测器集成于同一芯片上，LED器件发光、光子的平面波导传输及光电探测器的感知集成于同一片晶圆上，简化了制作工艺，降低了难度，解决了平面光子单片集成的难题。本发明的悬空LED光波导光电探测器单片集成器件，其制备技术可以与硅加工技术兼容，可实现面向可见光波段光通信、光传感的平面光子集成器件。附图说明图1是本发明硅衬底悬空p-n结量子阱器件和光波导单片集成系统结构示意图。图2是本发明硅衬底悬空p-n结量子阱器件和光波导单片集成系统的俯视图。图3是本发明硅衬底悬空p-n结量子阱器件和光波导单片集成系统的工艺流程图。图中有：1－硅衬底层:；2－外延缓冲层；3－n-GaN；4－InGaN/GaN量子阱；5－p-GaN层；6－n-电极；7－p-电极；8－光波导；9－悬空p-电极区；10－p-电极导电区；11－p-电极引线区；12－n-电极导电区；13－n-电极引线区；14－背后空腔；15－器件隔离槽；16－波导隔离槽。具体实施方式下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。图1、图2给出了本发明的硅衬底悬空p-n结量子阱器件和光波导单片集成系统的结构示意图。该单片集成系统以硅基氮化物晶片为载体，包括硅衬底层1、设置在所述硅衬底层1上的外延缓冲层2、设置在所述外延缓冲层2上的多个p-n结量子阱器件，所述p-n结量子阱器件之间设置有隔离槽15，两相邻p-n结量子阱器件通过光波导8相连；所述p-n结量子阱器件由n-GaN层3、n-电极6、InGaN/GaN量子阱层4、p-GaN层5和p-电极7构成，在所述n-GaN层3上表面有刻蚀出的阶梯状台面，所述阶梯状台面包括下台面和位于下台面上的上台面，所述InGaN/GaN量子阱层4、p-GaN层5和p-电极7从下至上依次连接设置在上台面的上方，所述n-电极6设置在下台面上；在所述n-GaN层3下方设置有贯穿硅衬底层1、外延缓冲层2至n-GaN层3底面的空腔14，p-电极7、n-电极6和光波导8位于所述空腔上方，使得p-n结量子阱器件和光波导8悬空。进一步的，本发明的悬空p-n结量子阱器件和光波导单片集成系统中，所述p-电极7由依次连接的p-电极区9、p-电极导电区10和p-电极引线区11组成，所述p-电极区9和p-电极导电区10悬空在空腔上方；所述n-电极6由相互连接的n-电极导电区12和n-电极引线区13组成。本发明的悬空p-n结量子阱器件和光波导单片集成系统，所述的InGaN/GaN量子阱4中，铟氮化镓InGaN与氮化镓GaN间隔沉积形成量子阱层。本发明的悬空p-n结量子阱器件和光波导单片集成系统，所述p-n结量子阱器件和光波导均在硅基氮化物晶片的氮化物层上实现，光波导与两侧的p-n结量子阱器件均连接。本发明的悬空p-n结量子阱器件和光波导单片集成系统，所述光波导8为完全悬空的矩形光波导结构。本发明的悬空p-n结量子阱器件和光波导单片集成系统，所述光波导8上设置有将其分割为两部分的波导隔离槽16，所述波导隔离槽16从p-GaN层5从上往下刻蚀深度至n-GaN层3下台面。本发明的另一个优选实施例中，p-n结量子阱器件的p-电极和n-电极均为Ni/Au电极，即沉积的金属材料为镍-金合金Ni/Au。图3给出了本发明的硅衬底悬空p-n结量子阱器件和光波导单片集成系统的制备方法，包括以下步骤：步骤（1）在硅基氮化物晶片背后对硅衬底层进行减薄抛光；步骤（2）在硅基氮化物晶片上表面均匀涂上一层光刻胶，采用光刻对准技术在光刻胶层上定义出n-GaN台阶区域、光波导区域、波导隔离槽区域，所述n-GaN台阶区域包括下台面和上台面；步骤（3）采用反应离子束刻蚀n-GaN台阶区域、光波导区域、波导隔离槽区域，去除残余光刻胶，得到阶梯状台面、位于上台面的p-n结量子阱器件的InGaN/GaN量子阱层和p-GaN层、波导区域的InGaN/GaN量子阱层和p-GaN层、波导隔离槽，从而得到光波导；步骤（4）在硅基氮化物晶片上表面均匀涂上一层光刻胶，采用光刻对准技术定义出位于p-GaN层上的p-电极窗口区域、位于n-GaN层下台面的n-电极窗口区域；步骤（5）在所述p-电极窗口区域与n-电极窗口区域分别蒸镀Ni/Au，形成欧姆接触，实现p-电极与n-电极，去除残余光刻胶后，即得到p-n结量子阱器件；步骤（6）在硅基氮化物晶片上表面均匀涂上一层光刻胶，采用光刻对准技术定义器件隔离槽区域；步骤（7）采用反应离子束从上向下刻蚀氮化物层，刻蚀深度2.5-3微米，形成位于p-n量子阱器件之前的器件隔离槽；步骤（8）在硅基氮化物晶片顶层涂胶保护，防止刻蚀过程中损伤表面器件，在硅基氮化物晶片的硅衬底层下表面旋涂一层光刻胶层，利用背后对准技术，定义出一个对准并覆盖p-电极区、p-电极导电区、n-电极导电区和光波导的背后刻蚀窗口；步骤（9）将外延缓冲层作为刻蚀阻挡层，利用背后深硅刻蚀技术，通过背后刻蚀窗口将所述硅衬底层贯穿刻蚀至外延缓冲层的下表面；步骤（10）采用氮化物背后减薄刻蚀技术，从下往上对外延缓冲层和n-GaN层进行氮化物减薄处理，形成一个使光波导完全悬空的空腔；步骤（11）去除残余光刻胶，即获得悬空p-n结量子阱器件和光波导单片集成系统。由图2所示的本发明的硅衬底悬空p-n结量子阱器件和光波导单片集成系统的俯视图可看出，器件结构在不同位置A-A＇、B-B＇处的剖面图不同，图3所示的本发明的硅衬底悬空p-n结量子阱器件和光波导单片集成系统的工艺步骤中，由步骤（7）刻蚀氮化物层得到器件隔离槽结构；此后，A-A＇为波导两侧空气处位置的剖面表示的工艺流程；B-B＇为波导处剖面表示的工艺流程图。上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。