基于光柵耦合的可見(jiàn)光單片集成傳感器及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了基于光柵耦合的可見(jiàn)光單片集成傳感器及其制作方法，本方案的單片集成是利用分別在光源區(qū)和探測(cè)區(qū)的耦合光柵，實(shí)現(xiàn)將有源區(qū)和無(wú)源區(qū)的光子衍射導(dǎo)入導(dǎo)出來(lái)完成的。該器件的傳感原理是通過(guò)周圍介質(zhì)對(duì)懸空的平面波導(dǎo)內(nèi)光子的傳輸損耗與介質(zhì)折射率的關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)微納加工正面刻蝕III?V族化合物材料實(shí)現(xiàn)耦合光柵和平面光子波導(dǎo)，并結(jié)合正面或背面釋放硅基底和減薄III?V族化合物材料的微納刻蝕方法來(lái)制備該單片集成傳感器。本發(fā)明所公開(kāi)的傳感器的特點(diǎn)是具有靈敏傳感響應(yīng)的、便捷的微型單芯片傳感器，并以此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同介質(zhì)的基于不同波段的檢測(cè)和特殊環(huán)境下的傳感探測(cè)。
【專利說(shuō)明】
基于光柵耦合的可見(jiàn)光單片集成傳感器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于傳感器件類領(lǐng)域，具體涉及的是利用光柵耦合的方法實(shí)現(xiàn)有源和無(wú)源單片集成的基于可見(jiàn)光的傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]在實(shí)現(xiàn)更小更高效的下一代光電子器件技術(shù)熱潮的引領(lǐng)下，II1-V族化合物半導(dǎo)體材料尤其是氮化鎵，近年來(lái)受到了越來(lái)越多的關(guān)注。氮化鎵具有寬的直接帶隙(3.39eV)，是制作LED有源器件的理想材料，作為第三代電子材料的重要代表，具有第一、二代電子材料(主要指硅、鍺和砷化鎵、磷化銦及其合金)不可比擬的物理和化學(xué)特性:寬的光透范圍(從可見(jiàn)到遠(yuǎn)紅外)、優(yōu)秀的機(jī)械和電學(xué)性能(大的楊氏模量和高的壓電壓阻系數(shù))以及化學(xué)穩(wěn)定性。氮化鎵在光電子領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。其作為傳感器件材料，具有以下優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn):(I)在可見(jiàn)波段和紅外波段都具有光透性，大大拓寬器件在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用范圍；(2)作為有源材料制備光源器件和光探測(cè)器件，可以實(shí)現(xiàn)有源和無(wú)源器件的集成，對(duì)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便的單芯片傳感器有著重要意義；(3)由于其物理和化學(xué)特性，可作為平面光子傳感在特殊環(huán)境下的應(yīng)用。
[0003]隨著氮化物材料生長(zhǎng)技術(shù)的突破，硅襯底氮化鎵晶片已經(jīng)逐步走向商用市場(chǎng)?；诖祟惥?，利用深硅刻蝕技術(shù)，可以獲得懸空的氮化鎵薄膜;通過(guò)正面釋放硅基底，或背后刻蝕釋放然后減薄的方法，獲得懸空的乃至厚度可控的氮化鎵薄膜，從而獲得基于此的懸空氮化鎵平面光波導(dǎo)器件。懸空的平面光子器件結(jié)構(gòu)，避免了光到基底的泄漏損耗;純氮化鎵的懸空結(jié)構(gòu)帶來(lái)與各個(gè)方向大的折射率差，對(duì)光場(chǎng)有更強(qiáng)的限制作用，使光子在平面波導(dǎo)內(nèi)傳輸;另外空氣包覆層使被測(cè)物質(zhì)與波導(dǎo)作用面積增大，易于實(shí)現(xiàn)高靈敏度傳感。
[0004]耦合光柵是平面光子能量獲取的有效方法，滿足如今高集成度的集成光路需求，具有高耦合效率、對(duì)準(zhǔn)容差大、工藝制作方便、位置自由、制作工藝簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，可以非常靈活的實(shí)現(xiàn)平面光子任意位置的面外耦合。本發(fā)明利用耦合光柵實(shí)現(xiàn)將自身量子阱發(fā)出的光子能量的平面導(dǎo)入和平面光子能量向探測(cè)器的垂直導(dǎo)入。相比其它的有源集成方法，基于耦合光柵的光源和探測(cè)器集成在器件和制作工藝上更加簡(jiǎn)便，光柵可以與平面波導(dǎo)進(jìn)行同步制作，且該方案具有更高的集成度，是平面光子器件與光源和光探測(cè)器的真正單片集成，并且通過(guò)調(diào)節(jié)光柵的微納結(jié)構(gòu)參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)光子的波長(zhǎng)選擇性耦合及對(duì)耦合效率的控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所提出的基于光柵耦合的可見(jiàn)光單片集成傳感器，利用以氮化鎵為代表的II1-V族化合物半導(dǎo)體材料的有源性和獨(dú)特的物理化學(xué)性能，結(jié)合硅作為基底的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，并利用光柵耦合這一簡(jiǎn)便的與光源和探測(cè)器單片集成的方法，實(shí)現(xiàn)基于一定可見(jiàn)光波段的單片集成傳感器件。
[0006]本發(fā)明包括如下技術(shù)方案:
[0007]1、本發(fā)明所涉及的傳感器結(jié)構(gòu)包括量子阱有源發(fā)光區(qū)、光子耦合區(qū)、平面光子傳感區(qū)、量子阱有源探測(cè)區(qū)等部分組成，具體結(jié)構(gòu)參考說(shuō)明書附圖。具有如下的特征:
[0008](I)傳感器基底為硅基底，在其上依次為II1-V族化合物材料構(gòu)成的緩沖層、底層氮化鎵、量子阱、頂層氮化鎵；
[0009](2)兩個(gè)有源區(qū)(量子阱有源發(fā)光區(qū)和量子阱有源探測(cè)區(qū))分別位于器件的兩端，在有源區(qū)的上面是通過(guò)刻蝕氮化鎵表面而形成的光柵光子耦合區(qū)；
[0010](3)在有源區(qū)的頂層氮化鎵和底層氮化鎵的特定區(qū)域?yàn)榻饘匐姌O；
[0011](4)兩個(gè)有源區(qū)之間為平面光子傳感區(qū)，該區(qū)域?yàn)閼铱战Y(jié)構(gòu)，其下層的硅被掏空以及懸空結(jié)構(gòu)的背面被減薄，該區(qū)域正面是刻蝕氮化鎵形成的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；
[0012](5)該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是將發(fā)光區(qū)和探測(cè)區(qū)這兩個(gè)有源區(qū)，利用耦合區(qū)耦合光柵的方法與無(wú)源的平面光子傳感區(qū)實(shí)現(xiàn)了單片集成，從而實(shí)現(xiàn)了集信號(hào)發(fā)射、傳感和檢測(cè)于一體的微型化、便攜式傳感器件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；
[0013](6)兩個(gè)有源區(qū)上方氮化鎵表面都刻蝕出微納槽型結(jié)構(gòu)組成的耦合光柵，平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與耦合光柵在同一氮化鎵水平面，兩者實(shí)現(xiàn)在氮化鎵表面的同步性刻蝕制作，制作工藝簡(jiǎn)便；
[0014](7)平面光子傳感區(qū)為懸空的II1-V族化合物薄膜結(jié)構(gòu)，兩個(gè)有源區(qū)為分別由一對(duì)電極的P-N結(jié)電驅(qū)動(dòng)量子阱的發(fā)光和探測(cè)；
[0015]2、本發(fā)明通過(guò)如下步驟來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0016](I)將硅襯底氮化鎵有源晶片進(jìn)行預(yù)處理；
[0017](2)在氮化鎵表面覆蓋掩膜層，露出需要刻蝕氮化鎵的區(qū)域；
[0018](3)刻蝕氮化鎵，去除掩膜層，形成圖形化的氮化鎵表面；
[0019](4)選擇性掩膜氮化鎵表面，露出要完全刻蝕上層(P型或N型)氮化鎵和量子阱的區(qū)域，進(jìn)行這些區(qū)域的下層(N型或P型)氮化鎵以上的II1-V族材料的完全刻蝕;去除掩膜層；
[0020](5)在上層和下層氮化鎵的表面特定區(qū)域沉積并圖形化電極；
[0021](6-1)再次選擇性掩膜氮化鎵表面，露出要完全刻蝕掉II1-V族的區(qū)域，進(jìn)行這些區(qū)域的硅以上的II1-V族材料的完全刻蝕，并去除掩膜層;然后用濕法刻蝕的方法正面釋放II1-V族下的硅，形成懸空的II1-V族結(jié)構(gòu)，也可繼續(xù)用正面的濕法或干法刻蝕方法在掏空的區(qū)域向上減薄II1-V族，形成懸空的厚度可控的II1-V族結(jié)構(gòu)。
[0022 ] (6-2)或正面全部掩膜氮化鎵表面，背面選擇性掩膜硅基底表面，露出要釋放硅基底的區(qū)域，用濕法刻蝕或干法刻蝕方法，完全釋放該區(qū)域的硅基底，也可繼續(xù)刻蝕II1-V族，形成懸空的厚度可控的II1-V族結(jié)構(gòu);去除上層和下層的掩膜層。
[0023]對(duì)上述方案2中的實(shí)現(xiàn)步驟技術(shù)點(diǎn)的解釋說(shuō)明:
[0024](I)所述氮化鎵有源晶片為商業(yè)購(gòu)買的作為起始材料。所述預(yù)處理為對(duì)起始晶片進(jìn)行必要步驟的背后減薄、清洗和烘干處理，脫去其表層的無(wú)機(jī)和有機(jī)污染物。
[0025](2)所述覆蓋掩膜層方法如下，包括圖形化各類光刻膠或圖形化的金屬層，并根據(jù)刻蝕氮化鎵的深度要求和其與掩膜層的刻蝕速率比進(jìn)行掩膜層厚度的確定。圖形化光刻膠包括，對(duì)光刻膠進(jìn)行烘膠、光刻、顯影、后烘；圖形化金屬層包括在氮化鎵表面沉積金屬層，然后在金屬表面圖形化光刻膠，繼而對(duì)金屬進(jìn)行刻蝕，最后去除光刻膠，或先在氮化鎵表明圖形化光刻膠，然后沉積一層金屬，然后剝離光刻膠，用lift-off的方法實(shí)現(xiàn)圖形化的金屬層。
[0026](3)所述刻蝕是指專用的II1-V族化合物或氮化鎵的刻蝕方法，根據(jù)刻蝕深度的要求控制刻蝕條件和時(shí)間；所述去除掩膜層，包括濕法刻蝕、干法刻蝕或兩者相結(jié)合的方法，最終完全去除掩膜層。
[0027](4)所述的區(qū)域?yàn)楹罄m(xù)制備下層氮化鎵電極的金屬沉積區(qū)域。
[0028](5)所述電極為金屬類歐姆接觸電極;所述圖形化方法為上述lift-off方法，過(guò)程為:正面旋涂光刻膠、前烘、光刻、顯影、后烘、沉積金屬電極、I ift-off剝離光刻膠和光刻膠上的金屬，最終在特定區(qū)域留下金屬電極。
[0029](6-1)(6-2)所示為可選擇兩種方法中的任意一種方法。
[0030]本發(fā)明所涉及傳感器件的工作過(guò)程描述如下:量子阱有源發(fā)光區(qū)通過(guò)電致發(fā)光產(chǎn)生光子;該光子能量通過(guò)光子耦合區(qū)，光柵將光源的部分能量導(dǎo)入到平面光子傳感區(qū);通過(guò)平面光子傳感區(qū)的懸空波導(dǎo)的周圍不同介質(zhì)折射率的不同，產(chǎn)生對(duì)光子波導(dǎo)傳輸模式的影響，引起倏逝場(chǎng)的變化和不同的光子傳輸損耗;光子傳播一定距離后，到達(dá)另一個(gè)光子耦合區(qū)，光柵將其部分能量按占總能量的一定比例導(dǎo)入到量子阱探測(cè)區(qū)；探測(cè)區(qū)將光子能量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)介質(zhì)的傳感檢測(cè)。
[0031]有益效果
[0032]本發(fā)明所涉及傳感器件的優(yōu)點(diǎn)包括:
[0033](I)單片集成的特征，可以實(shí)現(xiàn)便捷的微型傳感器件；
[0034](2)懸空結(jié)構(gòu)和波導(dǎo)厚度可控，可以實(shí)現(xiàn)靈敏的傳感響應(yīng)；
[0035](3)利用耦合光柵參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同傳感介質(zhì)的基于不同波段的檢測(cè)；
[0036](4)氮化鎵的化學(xué)特性，可以實(shí)現(xiàn)特殊環(huán)境下的傳感探測(cè)。
【附圖說(shuō)明】
[0037]圖1所示為傳感器件的側(cè)視示意圖，分別為正面釋放基底和背面釋放基底得到的器件結(jié)構(gòu)。
[0038]圖中:I量子阱、2耦合光柵、3金屬電極、4懸空平面光子傳感區(qū)、5有源發(fā)光區(qū)&光子耦合區(qū)、6光子耦合區(qū)&光子能量探測(cè)區(qū)。
[0039]圖2所示為制備傳感器的加工流程示意圖。
[0040]圖中:(a)正面掩膜刻蝕II1-V族化合物制備出耦合光柵、平面波導(dǎo)，沉積和lift-off 方法制備出電極； (b)在 (a)基礎(chǔ)上進(jìn)行正面掩膜刻蝕并釋放 II1-V族下層的Si 基底 ，形成II1-V族懸空結(jié)構(gòu)；(C)在(a)基礎(chǔ)上背面刻蝕完全釋放Si基底，形成II1-V族懸空結(jié)構(gòu)，并可繼續(xù)對(duì)II1-V族的背面刻蝕實(shí)現(xiàn)平面波導(dǎo)的厚度可控。
【具體實(shí)施方式】
[0041]下面通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。實(shí)施例在本發(fā)明整體技術(shù)方案的前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程。僅以背面釋放硅基底和減薄II1-V族為例，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
[0042](I)將帶有量子阱的硅基底氮化鎵晶片(量子阱夾在P型和N型兩層氮化鎵之間)進(jìn)行硅基底的減薄拋光，分別在丙酮和乙醇中超聲清洗lOmin，烘干待用。
[0043](2)旋涂2μπι厚光刻膠正膠，然后在90°C下前烘3min、用一定圖形的掩膜版做掩膜進(jìn)行UV曝光、顯影，露出需要刻蝕氮化鎵的區(qū)域，然后在105°C下后烘2min。
[0044](3)用專用II1-V族RIE刻蝕機(jī)，進(jìn)行氮化鎵一定厚度的刻蝕，目標(biāo)深度200nm，刻蝕出耦合光柵和平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；用濕法刻蝕去除光刻膠，烘干。
[0045](4)正面旋涂5μπι厚光刻膠正膠，然后在90°C下前烘4min、用一定圖形的掩膜版做掩膜進(jìn)行UV曝光、顯影，露出需要刻蝕掉上層氮化鎵和量子阱的區(qū)域，然后在105°C下后烘2min;根據(jù)刻蝕速率計(jì)算刻蝕時(shí)間，用專用II1-V族RIE刻蝕機(jī)，直到從正面刻蝕到下層氮化鎵的深度位置;去膠、烘干。
[0046](5)正面旋涂8μπι厚光刻膠，進(jìn)行烘膠后，與上一步的光刻進(jìn)行套刻，顯影露出上層氮化鎵和下層氮化鎵要沉積金屬電極的特定區(qū)域，烘干;濺射一定厚度的Ni/Au兩層金屬，lift-off剝離光刻膠和光刻膠上的金屬，最終在特定區(qū)域留下金屬電極;烘干。
[0047](6)旋涂光刻膠ΙΟμπι，然后前烘，將正面保護(hù)起來(lái);然后在背面硅基底表面旋涂光刻膠正膠15μηι，前烘100°C下6min，曝光、顯影，在100°C下后烘4min;用Bosch工藝進(jìn)行娃基底的刻蝕，直到硅完全被釋放;然后將晶片轉(zhuǎn)移至II1-V族刻蝕機(jī)，采用上述同樣的刻蝕方法，刻蝕底層氮化鎵和量子阱，直到刻蝕到上層氮化鎵；干法刻蝕去除上層和下層的掩膜層。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于光柵耦合的可見(jiàn)光單片集成傳感器，其特征在于，包括如下結(jié)構(gòu):量子阱有源發(fā)光區(qū)、光子耦合區(qū)、平面光子傳感區(qū)、量子阱有源探測(cè)區(qū)，傳感器基底為硅基底，在其上依次為II1-V族化合物材料構(gòu)成的緩沖層、底層氮化鎵、量子阱、頂層氮化鎵。2.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述量子阱有源發(fā)光區(qū)和量子阱有源探測(cè)區(qū)分別位于器件的兩端，在頂層氮化鎵和底層氮化鎵的特定區(qū)域?yàn)榻饘匐姌O，分別由這一對(duì)電極的P-N結(jié)電驅(qū)動(dòng)量子阱的發(fā)光和探測(cè)。3.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，在量子阱有源發(fā)光區(qū)和量子阱有源探測(cè)區(qū)之間為懸空結(jié)構(gòu)，該懸空結(jié)構(gòu)區(qū)域下層的硅被掏空以及懸空結(jié)構(gòu)的背面被減薄，該懸空結(jié)構(gòu)區(qū)域正面是刻蝕氮化鎵形成的平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。4.如權(quán)利要求1或2所述的傳感器，其特征在于，在量子阱有源發(fā)光區(qū)和量子阱有源探測(cè)區(qū)上方氮化鎵表面刻蝕出微納槽型結(jié)構(gòu)組成的耦合光柵，其集成了有源區(qū)和無(wú)源區(qū)，實(shí)現(xiàn)了兩者之間光子的導(dǎo)入導(dǎo)出。5.如權(quán)利要求1所述的傳感器的制造方法，其特征在于，包括如下步驟: 1)將硅襯底氮化鎵有源晶片進(jìn)行預(yù)處理； 2)在氮化鎵表面覆蓋掩膜層，露出需要刻蝕氮化鎵的區(qū)域； 3)刻蝕氮化鎵，去除掩膜層，形成圖形化的氮化鎵； 4)選擇性掩膜氮化鎵表面，露出要完全刻蝕上層，氮化鎵和量子阱的區(qū)域，進(jìn)行這些區(qū)域的下層氮化鎵以上的II1-V族材料的完全刻蝕;去除掩膜層； 5)在上層和下層氮化鎵的表面特定區(qū)域沉積并圖形化電極； 6)再次選擇性掩膜氮化鎵表面，露出要完全刻蝕掉II1-V族的區(qū)域，進(jìn)行這些區(qū)域的硅以上的II1-V族材料的完全刻蝕，并去除掩膜層;然后用濕法刻蝕的方法正面釋放II1-V族下的硅，形成懸空的II1-V族結(jié)構(gòu);也可繼續(xù)用正面的濕法或干法刻蝕方法在掏空的區(qū)域向上減薄II1-V族，形成懸空的厚度可控的II1-V族結(jié)構(gòu)。6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，在步驟5)之后，還可以如下方法來(lái)代替步驟6):正面全部掩膜氮化鎵表面，背面選擇性掩膜硅基底表面，露出要釋放硅基底的區(qū)域，用濕法刻蝕或干法刻蝕方法，完全釋放該區(qū)域的硅基底，也可繼續(xù)刻蝕II1-V族，形成懸空的厚度可控的II1-V族結(jié)構(gòu);去除上層和下層的掩膜層。
【文檔編號(hào)】G01D5/38GK105841725SQ201610180054
【公開(kāi)日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年3月26日
【發(fā)明人】劉啟發(fā), 張帆, 丁夢(mèng)雪
【申請(qǐng)人】南京郵電大學(xué)