本发明专利技术提供一种悬空LED光波导光电探测器单片集成器件及其制备方法，该器件利用各向异性硅刻蚀技术，剥离去除器件结构下硅衬底层，得到悬空氮化物薄膜LED光波导探测器单片集成器件，进一步采用氮化物背后减薄刻蚀技术，获得超薄的硅衬底悬空LED光波导探测器单片集成器件。本发明专利技术器件将光源、光波导和光电探测器集成在同一芯片上，LED器件发出的光，侧向耦合进光波导，通过光波导传输，在波导另一端被光电探测器检测到，实现平面光子单片集成器件，应用于光通信和光传感领域。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于信息材料与器件领域，涉及一种悬空LED光波导光电探测器单片集成器件及其制备技术。
技术介绍
氮化物材料特别是GaN材料可以同时具备发光、传输及探测的功能。因此，基于硅衬底氮化物材料发展单片集成的平面光子器件成为一种可能。剥离硅衬底，利用氮化物材料的高折射率特性，可以实现高光限制特性的光波导器件。同时，悬空氮化物LED和光电探测器的性能也会得到大幅度提升。基于硅衬底的氮化物材料，利用的硅刻蚀加工技术，进行硅衬底剥离，进一步减薄悬空氮化物薄膜，获得超薄氮化物单片集成器件，将LED、光波导和光电探测器集成于同一芯片上。LED器件发出的光，侧向耦合进光波导，通过光波导传输，在波导另一端被光电探测器检测到，实现平面光子单片集成器件，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。
技术实现思路
技术问题:本专利技术提供一种悬空LED光波导光电探测器单片集成器件，将光源、光波导和光电探测器集成在同一芯片上，LED器件发出的光，侧向耦合进光波导，通过光波导传输，在波导另一端被光电探测器检测到，实现平面光子单片集成器件。本专利技术同时提供一种该器件的制备方法。技术方案:本专利技术的悬空LED光波导光电探测器单片集成器件，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LED器件和光电探测器，所述LED器件和光电探测器之间通过光波导相连；所述LED器件和光电探测器均由P-n结、ρ-电极和η-电极组成，所述ρ-η结包括从下至上依次连接设置的η-GaN层、InGaN/GaN量子阱和ρ-GaN层，所述ρ-电极设置在ρ-GaN层上，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，所述上台面与InGaN/GaN量子阱的底面连接，所述η-电极设置在下台面上；在所述光波导上设置有一个将其分割为两部分的隔离槽，一部分与LED器件连接，另一部分与光电探测器连接，在所述η-GaN层下方设置有与ρ-电极、η-电极和光波导的位置正对且贯穿硅衬底层、外延缓冲层至η-GaN层底面的空腔，使得LED器件、光电探测器和光波导悬空。进一步的，本专利技术的悬空LED光波导光电探测器单片集成器件中，所述ρ-电极由依次连接的悬空P-电极区、P-电极导电区和P-电极引线区组成；所述η-电极由相互连接的η-电极导电区和η-电极引线区组成，所述空腔处于光波导和两个悬空ρ-电极区的下方。进一步的，本专利技术的悬空LED光波导光电探测器单片集成器件中，所述LED器件、光波导和光电探测器均在硅基氮化物晶片的氮化物层上实现。进一步的，本专利技术的悬空LED光波导光电探测器单片集成器件中，所述隔离槽是将光波导从ρ-GaN层向下刻蚀至η-GaN层形成的。进一步的，本专利技术的悬空LED光波导光电探测器单片集成器件中，所述ρ-电极和η-电极均为Ni/Au电极，即沉积的金属材料为Ni/Au。本专利技术的制备上述悬空LED光波导光电探测器单片集成器件的方法，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，采用曝光技术在光刻胶层上定义出光波导区域和η-GaN台阶区域，所述η-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η-GaN台阶区域和光波导区域；步骤(4)去除残余光刻胶，得到阶梯状台面、光波导、位于上台面的LED器件的P-GaN层、光电探测器的ρ-GaN层、LED器件的InGaN/GaN量子阱和光电探测器的InGaN/GaN量子讲;步骤(5)在硅基氮化物晶片上表面均匀涂上一层光刻胶，光刻定义出位于上台面的LED器件的ρ-电极窗口区域和光电探测器的ρ-电极窗口区域、位于下台面的LED器件的η-电极窗口区域和光电探测器的η-电极窗口区域，然后在所述ρ-电极窗口区域与η-电极窗口区域分别蒸镀Ni/Au，形成欧姆接触，实现ρ-电极与η-电极，去除残余光刻胶后，SP得到LED器件和光电探测器；步骤(6)在硅基氮化物晶片上表面均匀涂上一层光刻胶，在光波导区域光刻定义出位于LED器件和光电探测器之间、并将光波导区域分割的隔离槽窗口区域；步骤(7)采用反应离子束从上向下刻蚀氮化物层至η-GaN层，得到隔离槽；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光波导、LED器件的悬空ρ-电极区和光电探测器的悬空ρ-电极区的背后刻蚀窗口 ；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，形成一个空腔；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η-GaN层进行氮化物减薄处理；步骤(11)去除残余光刻胶，即获得悬空LED光波导光电探测器单片集成器件。进一步的，本专利技术制备方法中，所述步骤(5)中的蒸镀Ni/Au，采用剥离工艺和温度控制在500±5°C的氮气退火技术实现。进一步的，本专利技术制备方法中，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，本专利技术制备方式中，所述步骤(5)中定义的ρ-电极窗口区域包括依次连接的悬空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η-电极窗口区域包括相互连接的η-电极导电区窗口和η-电极引线区窗口。本专利技术通过曝光技术和氮化物刻蚀工艺，将LED、光波导和光电探测器转移到顶层氮化物器件层，为了防止LED器件和光电探测器的互相干扰，定义隔离槽，在隔离槽区域从上向下刻蚀光波导至η-GaN层。利用各向异性硅刻蚀技术，剥离去除器件结构下硅衬底层和外延缓冲层，进一步采用氮化物背后减薄刻蚀技术，获得超薄的硅衬底悬空LED、光波导和光电探测器单片集成器件。有益效果:本专利技术与现有技术相比，具有以下优点:本专利技术的硅衬底悬空LED、光波导和光电探测器单片集成器件，相较于其他不同材质的分离的LED、光波导和光电探测器集成，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。本专利技术器件将光源、光波导和光电探测器集成在同一芯片上，LED器件发出的光，侧向耦合进光波导，通过光波导传输，在波导另一端被光电探测器检测到，实现平面光子单片集成器件本专利技术的悬空LED光波导光电探测器单片集成器件，使用隔离槽使LED光源器件和光电探测器在平面内隔离，降低器件之间的相互干扰。本专利技术的悬空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是本专利技术硅衬底悬空LED、光波导和光电探测器单片集成器件结构示意图。图2是本专利技术硅衬底悬空LED、光波导和光电探测器单片集成器件俯视图。图3是本专利技术硅衬底悬空LED、光波导和光电探测器单片集成器件的制造流程图。图中有:1 —娃衬底层:；2 —外延缓冲层；3 — η-GaN ；4 — η-电极；5 — InGaN/GaN量子阱；6 -本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种悬空LED光波导光电探测器单片集成器件，其特征在于，该器件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LED器件和光电探测器，所述LED器件和光电探测器之间通过光波导(8)相连；所述LED器件和光电探测器均由p‑n结、p‑电极(7)和n‑电极(4)组成，所述p‑n结包括从下至上依次连接设置的n‑GaN层(3)、InGaN/GaN量子阱(5)和p‑GaN层(6)，所述p‑电极(7)设置在p‑GaN层(6)上，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，所述上台面与InGaN/GaN量子阱(5)的底面连接，所述n‑电极(4)设置在下台面上；在所述光波导(8)上设置有一个将其分割为两部分的隔离槽，一部分与LED器件连接，另一部分与光电探测器连接，在所述n‑GaN层(3)下方设置有与p‑电极(7)、n‑电极(4)和光波导(8)的位置正对且贯穿硅衬底层(1)、外延缓冲层(2)至n‑GaN层(3)底面的空腔，使得LED器件、光电探测器和光波导(8)悬空。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王永进，朱桂遐，白丹，袁佳磊，许银，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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