CN104716153A

CN104716153A - 全光单片集成光电器件及其制作方法

Info

Publication number: CN104716153A
Application number: CN201310676003.2A
Authority: CN
Inventors: 任昕; 陆书龙; 边历峰
Original assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Current assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority date: 2013-12-12
Filing date: 2013-12-12
Publication date: 2015-06-17
Anticipated expiration: 2033-12-12
Also published as: CN104716153B

Abstract

本发明提供了一种全光GaN/GaInP/GaAs单片集成器件及其制作方法，所述全光单片集成器件的带隙能量分别为3.5/1.9/1.4ev，在GaAs和GaN之间增加中间层GaInP的带隙为1.9ev波长在红光范围内，所述全光单片集成器件可以吸收利用与其带隙近似的不同能量光谱，分别为蓝光、黄光、红光，从而实现全光范围。

Description

全光单片集成光电器件及其制作方法

技术领域

本申请属于光电技术领域，特别是涉及一种全光单片集成光电器件及其制作方法。

背景技术

目前应用于激光显示、微投影等的多色光电器件一般情况下都是采用将多个单色激光器（LED）通过光学透镜或者其他器件集成起来。不仅增加了成本，而且不利于小型化设备的制造。

此外，晶片直接键合技术是材料集成的一项新工艺．利用键合技术可以集成晶格或晶向失配的材料，制造传统外延生长技术不能制造的结构和器件；可以集成具有不同光电和机械特性的材料，实现优势互补．不同材料键合后，界面具有位错密度低，导电透光性好，化学和热稳定性好的特点，材料的本身性质和晶体结构基本不受影响，并且键合强度能满足器件加工工艺的要求．近年来，键合技术广泛应用于集成不同材料，制造新型器件，改善器件性能。

GaAs是制备多种光电器件的优良材料。GaN是目前制备绿光到紫外波段的发光器件的首选材料，而且适合制造高频、大功率器件。将两者结合则成为制造电子器件的理想材料，可为实现全色显示开辟新思路．但是GaAs与GaN晶格失配较大，通过传统外延技术，不能得到满足器件制备要求并具有良好导电透光特性的GaAs／GaN异质结。

发明内容

本发明的目的提供一种全光单片集成光电器件及其制作方法，解决了现有技术中成本高、不利于小型化设备制造、以及传统外延技术得到的器件质量不高的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本申请实施例公开一种全光单片集成光电器件，包括p型GaAs衬底，以及依次形成于p型GaAs衬底上的GaInP/AlGaInP有源区量子阱、n型GaAs接触层、n型GaN接触层、GaN／InGaN有源区量子阱和p型GaN接触层，所述全光单片集成光电器件为单片集成的单个器件。

优选的，在上述的全光单片集成光电器件中，所述n型GaN接触层键合形成于所述n型GaAs接触层表面。

优选的，在上述的全光单片集成光电器件中，所述全光单片集成光电器件为LED或光伏电池。

相应地，本发明还公开了一种全光单片集成光电器件的制作方法，包括：

s1、在p型GaAs衬底上依次生长GaInP/AlGaInP有源区量子阱和n型GaAs接触层，获得GaAs晶片；

s2、在蓝宝石衬底上依次生长p型GaN接触层、GaN／InGaN有源区量子阱和n型GaN接触层，获得GaN晶片；

s3、将n型GaAs接触层和n型GaN接触层进行键合；

s4、剥离蓝宝石衬底。

优选的，在上述的全光单片集成光电器件的制作方法中，所述步骤s1中，所述GaInP/AlGaInP有源区量子阱通过分子束外延方法生长于p型GaAs衬底上，生长温度控制为610~730℃，生长压力控制为4~8MPa。

优选的，在上述的全光单片集成光电器件的制作方法中，所述步骤s3中，键合前还包括：将GaAs晶片和GaN晶片依次在三氯乙烯／丙酮／乙醇中超声清洗，并在HC1溶液中浸泡去除表面氧化物，最后用去离子水清洗。

优选的，在上述的全光单片集成光电器件的制作方法中，所述HC1溶液中，Hcl与H₂O的体积比为1:5。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明利用GaN/GaAs键合方法提供一种全光GaN/GaInP/GaAs（3.5/1.9/1.4 ev）集成单片器件及其制作方法，中间层GaInP的带隙为1.9ev波长在红光范围内， GaN/GaInP/GaAs（3.5/1.9/1.4 ev）集成单片器件可以实现对全光的吸收利用，并且将不同带隙能量的激光器（LED）集成起来，制备成单片集成的单个器件，在应用上更加的方便实用。全光单片集成光电器件是利用直接键合方法通过掺杂浓度和退火时间的选择对界面电阻的影响，有效地将GaN/GaAs(3.5/1.4 ev)的两种带隙能量相差较大的材料结合起来，解决了因晶格不同而产生的失配问题。将二代半导体GaAs材料与三代半导体GaN材料进行了有效结合，与现有技术相比还减少了机械式连接中使用多个不同衬底所导致的高成本，实现了降低成本、工艺简化的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为本发明具体实施例中全光单片集成光电器件的结构示意图。

具体实施方式

本发明利用在p-GaAs衬底上直接制备GaInP/AlGaInP(GaInP或AlGaInP)有源区量子阱，并在其上制备n+GaAs，实现了双色单片集成光电器件。进一步地，本发明利用GaN/GaAs直接键合的方法通过掺杂浓度和退火时间的选择对界面电阻的影响，有效地将GaN/GaAs两种带隙能量相差较大的材料结合起来，解决了因晶格不同而产生的失配问题，将二代半导体GaAs材料与三代半导体GaN材料进行了有效结合，与现有技术相比还减少了机械式连接中使用多个不同衬底所导致的高成本，实现了降低成本、工艺简化的目的。本发明还提供了一种全光GaN/GaInP/GaAs单片集成器件及其制作方法，所述全光单片集成器件的的带隙能量分别为3.5/1.9/1.4 ev，在GaAs和GaN之间增加中间层GaInP的带隙为1.9ev波长在红光范围内，所述全光单片集成器件可以吸收利用与其带隙近似的不同能量光谱，分别为蓝光、黄光、红光，从而实现全光范围。

此外，本发明提供的该结构还可以应用于如LED、太阳电池等光电器件中。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

参图1所示，本发明具体实施例中，全光单片集成光电器件包括p型GaAs衬底，p型GaAs衬底的带隙能量为1.4ev。

p型GaAs衬底上生长有GaInP/AlGaInP有源区量子阱，GaInP/AlGaInP有源区量子阱的带隙能量为1.9ev。

GaInP/AlGaInP有源区量子阱上还依次形成有n型GaAs接触层、GaN／InGaN有源区量子阱和p型GaN接触层。GaN／InGaN有源区量子阱的带隙能量为3.5eV。

上述的全光单片集成光电器件是以多种带隙宽度渐变的半导体材料构成的，可以吸收利用与其带隙近似的不同能量光谱，分别为蓝光、黄光、红光，从而实现全光范围。

上述全光单片集成光电器件的制作方法如下：

（1）利用分子束外延生长（MBE）系统在p-GaAs衬底上生长GaInP/AlGaInP有源区量子阱；

（2）然后在步骤（1）得到GaInP/AlGaInP有源区量子阱上再生长接触层n+GaAs，得到了GaAs晶片；

（3）利用分子束外延生长（MBE）系统在蓝宝石衬底上生长接触层p-GaN，然后生长GaN／InGaN（GaN或InGaN）有源区量子阱，再在其上生长n+GaN作为键合层，得到了GaN晶片；

（4）将步骤（2）生长的GaAs晶片顶层和步骤（3）生长的GaN晶片顶层进行键合，其键合界面为：n+GaAs/n+GaN；通过掺杂浓度(优选地，8*10¹⁷~4*10²¹)和退火时间的选择对界面电阻的影响，获得界面电阻较小的理想键合界面。

具体地，将生长的GaN和GaAs晶片解理成为10mm×8.5mm的小片，依次在三氯乙烯／丙酮／乙醇中超声清洗并在HC1溶液中(Hcl：H₂O=1:5)浸泡30s去除表面氧化物，最后用去离子水清洗后面对面贴合放人夹具中，然后将夹具放人键合机中，外加压力为4.5MPa，550℃退火1h。

（5）键合之后，需要将蓝宝石衬底剥离，利用选择性腐蚀，实现对衬底的剥离。衬底剥离之后，则按照标准的工艺完成探测器制备，包括一系列尺寸外形及适于安装的封装工艺等步骤。

上述步骤（1）中，关键在于高质量GaInP或AlGaInP材料生长，由于其在MBE中生长存在一些特殊问题，最典型的是AlGaInP材料的掺杂，特别是p型杂质掺杂很困难（P型掺Be），另外，AlGaInP材料中同时含有Al和In，生长温度高有利于含Al化合物的生长而生长温度低有利于含In化合物的生长，优选地生长温度为610-730℃。这使得AlGaInP外延材料的质量对参数特别敏感。采用低压生长条件(4-8MPa)优化结构参数，可以生长出高质量GaInP-AlGaInP可见光量子阱激光器结构外延材料。

综上所述，本发明利用GaN/GaAs键合方法提供一种全光GaN/GaInP/GaAs（3.5/1.9/1.4 ev）集成单片器件及其制作方法，中间层GaInP的带隙为1.9ev波长在红光范围内， GaN/GaInP/GaAs（3.5/1.9/1.4 ev）集成单片器件可以实现对全光的吸收利用，并且将不同带隙能量的激光器（LED）集成起来，制备成单片集成的单个器件，在应用上更加的方便实用。全光单片集成光电器件是利用直接键合方法通过掺杂浓度和退火时间的选择对界面电阻的影响，有效地将GaN/GaAs(3.5/1.4 ev)的两种带隙能量相差较大的材料结合起来，解决了因晶格不同而产生的失配问题。将二代半导体GaAs材料与三代半导体GaN材料进行了有效结合，与现有技术相比还减少了机械式连接中使用多个不同衬底所导致的高成本，实现了降低成本、工艺简化的目的。

最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

Claims

1.一种全光单片集成光电器件，其特征在于，包括p型GaAs衬底，以及依次形成于p型GaAs衬底上的GaInP/AlGaInP有源区量子阱、n型GaAs接触层、n型GaN接触层、GaN／InGaN有源区量子阱和p型GaN接触层，所述全光单片集成光电器件为单片集成的单个器件。

2.根据权利要求1所述的全光单片集成光电器件，其特征在于：所述n型GaN接触层键合形成于所述n型GaAs接触层表面。

3.根据权利要求1所述的全光单片集成光电器件，其特征在于：所述全光单片集成光电器件为LED或光伏电池。

4.一种全光单片集成光电器件的制作方法，其特征在于，包括：

s3、将n型GaAs接触层和n型GaN接触层进行键合；

s4、剥离蓝宝石衬底。

5.根据权利要求4所述的全光单片集成光电器件的制作方法，其特征在于：所述步骤s1中，所述GaInP/AlGaInP有源区量子阱通过分子束外延方法生长于p型GaAs衬底上，生长温度控制为610~730℃，生长压力控制为4~8MPa。

6.根据权利要求4所述的全光单片集成光电器件的制作方法，其特征在于：所述步骤s3中，键合前还包括：将GaAs晶片和GaN晶片依次在三氯乙烯／丙酮／乙醇中超声清洗，并在HC1溶液中浸泡去除表面氧化物，最后用去离子水清洗。

7.根据权利要求6所述的全光单片集成光电器件的制作方法，其特征在于：所述HC1溶液中，Hcl与H₂O的体积比为1:5。