CN105633194B - 基于悬空p‑n结量子阱的光致晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于悬空p‑n结量子阱的光致晶体管及其制备方法，利用各向异性硅刻蚀技术，剥离去除器件结构下硅衬底层，得到基于悬空氮化物薄膜p‑n结量子阱的光致晶体管，进一步采用氮化物背后减薄刻蚀技术，获得超薄的悬空器件。本发明中，晶体管一端作为LED光源，另一端作为光电探测器，由于两个器件之间优异的光谱匹配特性，光电探测器能够感知LED器件发出的光，将光信号转成电信号输出，从而实现器件的光致晶体管特性；该晶体管作为两个共地的LED光源，独立地传输被调制的光信号，实现可见光无线通信的双通道发射；本发明晶体管可以作为两个共地的光电探测器，独立地感知空间光信号，实现可见光无线通信的双通道探测。
Description
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结量子阱的光致晶体管及其制备技术。
背景技术
氮化物材料特别是GaN材料，具有更高的禁带宽度，更大的电子饱和漂移速度，更强的临近击穿电场，更高的热导率以及热稳定性等特性，是制备高频、高温、高压、大功率器件的理想材料。而基于硅衬底氮化物材料的光致晶体管器件，通过利用各向异性硅刻蚀技术，剥离去除器件结构下硅衬底层，得到基于悬空氮化物薄膜p-n结量子阱的光致晶体管，进一步采用氮化物背后减薄刻蚀技术，获得超薄的悬空器件。该器件一端的LED光源发出的光，由另一端的光电探测器感知到，实现器件的光致晶体管特性；该器件作为两个共地的LED光源，独立地传输被调制的光信号，实现可见光无线通信的双通道发射；该器件作为两个共地的光电探测器，独立地感知空间光信号，实现可见光无线通信的双通道探测。这为发展面向可见光无线通信、光传感的氮化物光子及光学微电子器件提供了新的方向。
发明内容
技术问题：本发明提供一种基于悬空p-n结量子阱的光致晶体管，将该晶体管一端作为LED光源，另一端作为光电探测器、两个共地的LED光源、两个共地的光电探测器，分别实现器件的光致晶体管特性、可见光无线通信的双通道发射和可见光无线通信的双通道探测，本发明同时提供一种该晶体管的制备方法。
技术方案：本发明的基于悬空p-n结量子阱的光致晶体管，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两个p-n结量子阱器件；所述p-n结量子阱器件由n-GaN层、InGaN/GaN多量子阱、p-GaN层、p-电极和n-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多量子阱、p-GaN层、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，为两个p-n结量子阱器件所共用；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层中的空腔，使得p-n结量子阱器件悬空。
进一步的，本发明的基于悬空p-n结量子阱的光致晶体管中，所述p-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n-电极由相互连接的n-电极导电区和n-电极引线区组成，两个p-n结量子阱器件的悬空p-电极区和部分n-电极导电区、部分n-电极引线区构成悬空电极区，所述空腔位于悬空电极区的下方。
进一步的，本发明的基于悬空p-n结量子阱的光致晶体管中，所述p-n结量子阱器件在硅基氮化物晶片的氮化物层上实现。
进一步的，本发明的基于悬空p-n结量子阱的光致晶体管中，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。
本发明的制备上述基于悬空p-n结量子阱的光致晶体管的方法，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n-GaN台阶区域，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，得到阶梯状台面；
步骤（4）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p-n结量子阱器件的p-电极窗口区域、位于下台面的p-n结量子阱器件的n-电极窗口区域，然后在所述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（5）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-n结量子阱器件悬空部分的背后刻蚀窗口；
步骤（6）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（7）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，形成一个空腔；
步骤（8）去除残余光刻胶，获得基于悬空p-n结量子阱的光致晶体管器件。
进一步的，本发明制备方法中，所述步骤（4）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，本发明制备方式中，步骤（7）中的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（4）中定义的p-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LED、光电探测器转移到顶层氮化物器件层。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，获得超薄的基于悬空p-n结量子阱的光致晶体管。
本发明中，晶体管一端作为LED光源，另一端作为光电探测器，由于两个器件之间优异的光谱匹配特性，光电探测器能够感知LED器件发出的光，将光信号转成电信号输出，从而实现器件的光致晶体管特性。
本发明的基于悬空p-n结量子阱的光致晶体管，可以将该晶体管作为两个共地的LED光源，独立地传输被调制的光信号，实现可见光无线通信的双通道发射。可以将该晶体管作为两个共地的光电探测器，独立地感知空间光信号，实现可见光无线通信的双通道探测。本发明器件以光子作为信息传输载体，很好地解决了信号传输时畸变失真、能量损耗等问题；同时，本器件既可以作为两个LED光源，也可作为两个光电探测器，实现器件的多功能应用。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明的基于悬空p-n结量子阱的光致晶体管区别于传统电致晶体管以电子作为传输载体，采用光子作为信息传输的载体，使信息在传输中所造成的信息畸变和失真极小，光传输、转换时能量消耗和散发热量极低。同时，光致晶体管器件既可作为LED光源，也可作为光电探测器使用；同时，实现晶体管源、漏极的双向利用。解决了器件的多功能应用问题，功能更加全面且制作工艺简洁，为平面光子集成开创了一种新的光致晶体管器件。
本发明器件将光源、光电探测器集成在同一芯片上，LED器件发出的光，在另一端被光电探测器探测到，利用量子阱器件的电光效应和光电效应，实现光致晶体管特性；
本发明器件可作为两个LED光源，采用共地结构，独立地传输被调制的光信号，实现可见光无线通信的双通道发射；
本发明器件可作为两个光电探测器，采用共地结构，独立地感知空间传输的光信号，实现可见光无线通信的双通道探测。
本发明的基于悬空p-n结量子阱的光致晶体管，其制备技术与硅加工技术兼容，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 是本发明基于悬空p-n结量子阱的光致晶体管结构示意图。
图 2 是本发明基于悬空p-n结量子阱的光致晶体管俯视图。
图 3 是本发明基于悬空p-n结量子阱的光致晶体管的制造流程图。
图中有：1－硅衬底层；2－外延缓冲层；3－n-GaN；4－InGaN/GaN多量子阱；5－p-GaN层；6－p-电极；7－n-电极；8－悬空p-电极区；9－p-电极导电区；10－p-电极引线区；11－n-电极导电区；12－n-电极引线区；13－悬空电极区。
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给出了本发明的基于悬空p-n结量子阱的光致晶体管的结构示意图。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p-n结量子阱的光致晶体管器件，所述p-n结量子阱的光致晶体管器件由p-n结、p-电极6和n-电极7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多量子阱4和p-GaN层5，所述p-电极6设置在p-GaN层5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多量子阱4的底面连接，所述n-电极7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，使得光致晶体管器件悬空。进一步的，本发明的基于悬空p-n结量子阱的光致晶体管中，所述p-电极6由依次连接的悬空p-电极区8、p-电极导电区9和p-电极引线区10组成；所述n-电极7由相互连接的n-电极导电区11和n-电极引线区12组成，所述空腔处于两个悬空电极区13的下方。
本发明的基于悬空p-n结量子阱的光致晶体管，所述的InGaN/GaN多量子阱4中，铟氮化镓InGaN与氮化镓GaN间隔沉积形成量子阱层。
本发明的基于悬空p-n结量子阱的光致晶体管，所述LED器件、光电探测器均在硅基氮化物晶片的氮化物层上实现。
本发明的另一个优选实施例中，LED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。
本发明的制备上述硅衬底基于悬空p-n结量子阱的光致晶体管的方法，包括以下步骤：
1）在硅基氮化物晶片背后对硅衬底层1进行减薄抛光；
2）在硅基氮化物晶片上表面均匀涂上一层光刻胶；
3）采用曝光技术在光刻胶层上定义出两个n-GaN台阶区域，所述n-GaN台阶区域包括下台面和上台面；
4）采用反应离子束刻蚀n-GaN台阶区域；
5）去除残余光刻胶，得到阶梯状台面、位于上台面的光致晶体管器件的源极p-GaN层5、漏极的p-GaN层5、InGaN/GaN多量子阱4；
6）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光致晶体管源、漏极的p-电极窗口区域、位于下台面的光致晶体管器件栅极的n-电极窗口区域，然后在所述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6与n-电极7，去除残余光刻胶后，即得到光致晶体管的电极；
7）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，
8）在硅基氮化物晶片的硅衬底层1下表面旋涂一层光刻胶层;
9）利用背后对准技术，定义出一个对准并覆盖器件的悬空电极区13的背后刻蚀窗口；
10）将外延缓冲层2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1贯穿刻蚀至外延缓冲层2的下表面；
11）采用氮化物背后减薄刻蚀技术，从下往上对外延缓冲层2和n-GaN层3进行氮化物减薄处理，形成一个空腔；
12）去除残余光刻胶，即获得硅衬底悬空光致晶体管器件。
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。
Claims (8)
1.一种基于悬空p-n结量子阱的光致晶体管，其特征在于，该晶体管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)上的两个p-n结量子阱器件；所述p-n结量子阱器件由n-GaN层(3)、InGaN/GaN多量子阱(4)、p-GaN层(5)、p-电极(6)和n-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多量子阱(4)、p-GaN层(5)、p-电极(6)从下至上依次连接设置在上台面的上方，所述n-电极(7)设置在下台面上，为两个p-n结量子阱器件所共用；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)中的空腔，使得p-n结量子阱器件悬空。
2.根据权利要求1所述的基于悬空p-n结量子阱的光致晶体管，其特征在于，所述p-电极(6)由依次连接的悬空p-电极区(8)、p-电极导电区(9)和p-电极引线区(10)组成；所述n-电极(7)由相互连接的n-电极导电区(11)和n-电极引线区(12)组成；两个p-n结量子阱器件的悬空p-电极区(8)和部分n-电极导电区(11)、部分n-电极引线区(12)构成悬空电极区(13)，所述空腔位于悬空电极区(13)的下方。
3.根据权利要求1所述的基于悬空p-n结量子阱的光致晶体管，其特征在于，所述p-n结量子阱器件在硅基氮化物晶片的氮化物层上实现。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于悬空p-n结量子阱的光致晶体管，其特征在于，所述p-电极(6)和n-电极(7)均为Ni/Au电极，即沉积的金属材料为Ni/Au。
5.一种制备权利要求1、2、3或4所述基于悬空p-n结量子阱的光致晶体管的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤(1)在硅基氮化物晶片背后对硅衬底层(1)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n-GaN台阶区域，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，得到阶梯状台面；
步骤(4)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p-n结量子阱器件的p-电极窗口区域、位于下台面的p-n结量子阱器件的n-电极窗口区域，然后在所述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(6)与n-电极(7)，去除残余光刻胶后，即得到光致晶体管的电极；
步骤(5)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(1)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-n结量子阱器件悬空部分的背后刻蚀窗口；
步骤(6)将外延缓冲层(2)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(1)贯穿刻蚀至外延缓冲层(2)的下表面；
步骤(7)采用氮化物背后减薄刻蚀技术，从下往上对外延缓冲层(2)和n-GaN层(3)进行氮化物减薄处理，形成一个空腔；
步骤(8)去除残余光刻胶，获得基于悬空p-n结量子阱的光致晶体管。
6.根据权利要求5所述的制备基于悬空p-n结量子阱的光致晶体管的方法，其特征在于，所述步骤(4)中的蒸镀Ni/Au，采用剥离工艺和温度控制在500±5℃的氮气退火技术实现。
7.根据权利要求5所述的制备基于悬空p-n结量子阱的光致晶体管的方法，其特征在于，所述步骤(7)中的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。
8.根据权利要求5、6或7所述的制备基于悬空p-n结量子阱的光致晶体管的方法，其特征在于，所述步骤(4)中定义的p-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。
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