硅襯底懸空led光波導(dǎo)集成光子器件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于信息材料與器件領(lǐng)域，涉及一種硅襯底懸空LED光波導(dǎo)集成光子器件及其制備技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]從材料角度來看，氮化物材料特別是GaN材料，具有較高的折射率(?2.5)，在可見光、近紅外波段透明，是一種優(yōu)異的光學(xué)材料。然而，由于SiC和藍(lán)寶石襯底不易加工，而氮化物特別是GaN的加工技術(shù)也不成熟，限制了氮化物光子及光學(xué)微機(jī)電器件的發(fā)展。近年來，通過引入AlN/AlGaN或其它獨有的緩沖層來彌補(bǔ)晶格失配以及熱膨脹不一致引起的殘余應(yīng)力，基于娃襯底的高質(zhì)量氮化物材料日益成熟，已經(jīng)逐步走向市場。美國的Ni tronex、日本的Sanken等公司已經(jīng)推出了商用的基于硅襯底氮化物材料。許多學(xué)術(shù)研究機(jī)構(gòu)孵化出的高科技材料企業(yè)也將其特有的材料生長技術(shù)向企業(yè)界轉(zhuǎn)化，可以根據(jù)用戶的需求提供4-1nch甚至更大尺寸的基于娃襯底的氮化物材料。同時，氮化物材料加工技術(shù)的不斷突破，這一材料體系可以和目前成熟的硅加工技術(shù)結(jié)合起來，大規(guī)模、低成本制備新穎的氮化物光電器件?；诠枰r底的氮化物材料，利用成熟的硅刻蝕加工技術(shù)，可以進(jìn)行硅襯底剝離，從而可以制備出懸空的氮化物薄膜器件，為發(fā)展面向光通信、光傳感的氮化物光子及光學(xué)微機(jī)電器件奠定了基礎(chǔ)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]技術(shù)問題:本發(fā)明提供一種有超薄氮化物薄膜，實現(xiàn)了平面光子單片集成和光在平面光波導(dǎo)內(nèi)傳輸，提高了 LED內(nèi)部光源利用效率的硅襯底懸空LED光波導(dǎo)集成光子器件，同時提供一種該器件的制備方法。
[0004]技術(shù)方案:本發(fā)明的硅襯底懸空LED光波導(dǎo)集成光子器件，以硅基氮化物晶片為載體，包括硅襯底層，設(shè)置在硅襯底層上的外延緩沖層，設(shè)置在外延緩沖層上的P-N結(jié)，所述P-N結(jié)包括從下至上依次連接設(shè)置的η-GaN層、InGaN/GaN量子阱和p-GaN層，所述p-GaN層上設(shè)置有P-電極，在所述η-GaN層上表面有刻蝕出的階梯狀臺面，所述階梯狀臺面包括一個上臺面和位于上臺面一側(cè)的下臺面，所述上臺面與InGaN/GaN量子阱的底面連接，所述下臺面上設(shè)置有η-電極，所述η-GaN層、InGaN/GaN量子阱、p-GaN層、p-電極和η-電極構(gòu)成LED器件，所述LED器件上集成有光波導(dǎo)，在所述η-GaN層下方設(shè)置有與p-電極、η-電極和光波導(dǎo)的位置正對且貫穿硅襯底層、外延緩沖層的空腔，使得LED器件和光波導(dǎo)懸空。
[0005]進(jìn)一步的，本發(fā)明的硅襯底懸空LED光波導(dǎo)集成光子器件中，所述p-電極由依次連接的P-電極發(fā)光區(qū)、P-電極導(dǎo)電區(qū)和P-電極引線區(qū)組成;所述η-電極由相互連接的η-電極導(dǎo)電區(qū)和η-電極引線區(qū)組成，所述空腔處于ρ-電極發(fā)光區(qū)、ρ-電極導(dǎo)電區(qū)、η-電極導(dǎo)電區(qū)和光波導(dǎo)的正下方。
[0006]進(jìn)一步的，本發(fā)明的硅襯底懸空LED光波導(dǎo)集成光子器件中，所述LED器件和光波導(dǎo)均在娃基氮化物晶片的氮化物層上實現(xiàn)，光波導(dǎo)與η-GaN層、InGaN/GaN量子講、ρ-GaN層均連接。
[0007]進(jìn)一步的，本發(fā)明的硅襯底懸空LED光波導(dǎo)集成光子器件中，所述LED器件上集成多個光波導(dǎo)。
[0008]進(jìn)一步的，本發(fā)明的硅襯底懸空LED光波導(dǎo)集成光子器件中，所述LED器件的ρ-電極和η-電極均為Ni /Au電極，S卩沉積的金屬材料為Ni /Au。
[0009]本發(fā)明的制備上述硅襯底懸空LED光波導(dǎo)集成光子器件的方法，包括以下步驟:
[0010]步驟(1)在硅基氮化物晶片背后對硅襯底層進(jìn)行拋光減薄；
[0011]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光波導(dǎo)區(qū)域和η-GaN臺階區(qū)域；
[0012]步驟(3)采用反應(yīng)離子束刻蝕η-GaN臺階區(qū)域和光波導(dǎo)區(qū)域；
[0013]步驟(4)去除殘余光刻膠，得到階梯狀臺面、ρ-GaN層、InGaN/GaN量子阱和光波導(dǎo)；
[0014]步驟(5)在硅基氮化物晶片上表面均勻涂上一層光刻膠，光刻定義ρ-電極窗口區(qū)域與η-電極窗口區(qū)域，然后在所述ρ-電極窗口區(qū)域與η-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η-電極，去除殘余光刻膠后，即得到LED器件；
[0015]步驟(6)在硅基氮化物晶片頂層涂膠保護(hù)，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(zhǔn)技術(shù)，定義出一個對準(zhǔn)并完全覆蓋P-電極區(qū)域中的導(dǎo)電區(qū)和發(fā)光區(qū)、η-電極區(qū)域中的導(dǎo)電區(qū)和光波導(dǎo)區(qū)的背后刻蝕窗口 ；
[0016]步驟(7)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，形成一個空腔；
[0017]步驟(8)采用氮化物背后減薄刻蝕技術(shù)，從下往上對外延緩沖層和η-GaN層進(jìn)行氮化物減薄處理；
[0018]步驟(9)去除殘余光刻膠，即獲得硅襯底懸空LED光波導(dǎo)集成光子器件。
[0019]進(jìn)一步的，本發(fā)明制備方法中，所述步驟(5)中的蒸鍍Ni/Au，采用剝離工藝和溫度控制在500 土 5°C的氮氣退火技術(shù)實現(xiàn)。
[0020]進(jìn)一步的，本發(fā)明制備方法中，所述步驟(8)中，所述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)。
[0021]本發(fā)明通過曝光技術(shù)和氮化物刻蝕工藝，將LED和光波導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)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)，獲得超薄的硅襯底懸空LED光波導(dǎo)集成光子器件。
[0022]有益效果:本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點:
[0023]本發(fā)明的硅襯底懸空LED光波導(dǎo)集成光子器件，相較于其他不同材質(zhì)的分離的LED和波導(dǎo)器件的集成，將波導(dǎo)與LED器件均采用同一氮化物材質(zhì)，使兩者可集成在同一片晶圓上，簡化了制作工藝，降低了難度，解決了平面光子單片集成的難題。
[0024]本發(fā)明的光子器件，由于將LED器件和波導(dǎo)器件集成在同一片晶圓上，使LED發(fā)出的光沿著光波導(dǎo)傳輸，提高了 LED內(nèi)部光源的利用效率，實現(xiàn)光在平面光波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)墓骸?br>[0025]本發(fā)明提出的娃襯底懸空LED光波導(dǎo)集成光子器件，其制備技術(shù)可以與娃加工技術(shù)兼容，可實現(xiàn)面向可見光波段光通信、光傳感的平面光子集成器件。
[0026]本發(fā)明的硅襯底懸空LED光波導(dǎo)集成光子器件制備方法，通過曝光技術(shù)和氮化物刻蝕工藝，將LED器件、光波導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)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，形成懸空LED光波導(dǎo)集成光子器件，實現(xiàn)了平面光子單片集成，降低LED器件的內(nèi)部損耗，提高了出光效率。
【附圖說明】
[0027]圖1是本發(fā)明硅襯底懸空LED光波導(dǎo)集成光子器件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖2是本發(fā)明硅襯底懸空LED光波導(dǎo)集成光子器件的正面俯視圖。
[0029]圖3是本發(fā)明硅襯底懸空LED光波導(dǎo)集成光子器件的制造流程圖。
[0030]圖中有:1 一硅襯底層:；2 —外延緩沖層;3 — η-GaN ； 4一 InGaN/GaN量子阱；5 — p-GaN層;6 — ρ-電極;7—η-電極;8—光波導(dǎo);9 一ρ-電極發(fā)光區(qū)；10 — ρ-電極導(dǎo)電區(qū)；11 一ρ-電極引線區(qū)；12—η-電極導(dǎo)電區(qū)；13—η-電極引線區(qū)。
【具體實施方式】
[0031]下面結(jié)合實施例和說明書附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0032]圖1、圖2給出了本發(fā)明的硅襯底懸空LED光波導(dǎo)集成光子器件的結(jié)構(gòu)示意圖，該光子器件以硅基氮化物晶片為載體，包括硅襯底層1，設(shè)置在硅襯底層上的外延緩沖層2，設(shè)置在外延緩沖層上的P-N結(jié)，所述P-N結(jié)包括從下至上依次連接設(shè)置η-GaN層3、InGaN/GaN量子阱4和ρ-GaN層5，所述ρ-GaN層5上設(shè)置有ρ-電極6，在所述η-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一個上臺面和位于上臺面一側(cè)的下臺面，所述上臺面與InGaN/GaN量子阱4的底面連接，所述下臺面上設(shè)置有η-電極7，所述η-GaN層3