CN105841725B - 基于光栅耦合的可见光单片集成传感器及其制作方法 - Google Patents

基于光栅耦合的可见光单片集成传感器及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于光栅耦合的可见光单片集成传感器及其制作方法,本方案的单片集成是利用分别在光源区和探测区的耦合光栅,实现将有源区和无源区的光子衍射导入导出来完成的。该器件的传感原理是通过周围介质对悬空的平面波导内光子的传输损耗与介质折射率的关系来实现的。通过微纳加工正面刻蚀III‑V族化合物材料实现耦合光栅和平面光子波导,并结合正面或背面释放硅基底和减薄III‑V族化合物材料的微纳刻蚀方法来制备该单片集成传感器。本发明所公开的传感器的特点是具有灵敏传感响应的、便捷的微型单芯片传感器,并以此可以实现对不同介质的基于不同波段的检测和特殊环境下的传感探测。

Description

基于光栅耦合的可见光单片集成传感器及其制作方法
技术领域
本发明属于传感器件类领域,具体涉及的是利用光栅耦合的方法实现有源和无源单片集成的基于可见光的传感器。
背景技术
在实现更小更高效的下一代光电子器件技术热潮的引领下,III-V族化合物半导体材料尤其是氮化镓,近年来受到了越来越多的关注。氮化镓具有宽的直接带隙(3.39eV),是制作LED有源器件的理想材料,作为第三代电子材料的重要代表,具有第一、二代电子材料(主要指硅、锗和砷化镓、磷化铟及其合金)不可比拟的物理和化学特性:宽的光透范围(从可见到远红外)、优秀的机械和电学性能(大的杨氏模量和高的压电压阻系数)以及化学稳定性。氮化镓在光电子领域有着广阔的应用前景。其作为传感器件材料,具有以下优势和特点:(1)在可见波段和红外波段都具有光透性,大大拓宽器件在传感领域的应用范围;(2)作为有源材料制备光源器件和光探测器件,可以实现有源和无源器件的集成,对实现简便的单芯片传感器有着重要意义;(3)由于其物理和化学特性,可作为平面光子传感在特殊环境下的应用。
随着氮化物材料生长技术的突破,硅衬底氮化镓晶片已经逐步走向商用市场。基于此类晶片,利用深硅刻蚀技术,可以获得悬空的氮化镓薄膜;通过正面释放硅基底,或背后刻蚀释放然后减薄的方法,获得悬空的乃至厚度可控的氮化镓薄膜,从而获得基于此的悬空氮化镓平面光波导器件。悬空的平面光子器件结构,避免了光到基底的泄漏损耗;纯氮化镓的悬空结构带来与各个方向大的折射率差,对光场有更强的限制作用,使光子在平面波导内传输;另外空气包覆层使被测物质与波导作用面积增大,易于实现高灵敏度传感。
耦合光栅是平面光子能量获取的有效方法,满足如今高集成度的集成光路需求,具有高耦合效率、对准容差大、工艺制作方便、位置自由、制作工艺简便等特点,可以非常灵活的实现平面光子任意位置的面外耦合。本发明利用耦合光栅实现将自身量子阱发出的光子能量的平面导入和平面光子能量向探测器的垂直导入。相比其它的有源集成方法,基于耦合光栅的光源和探测器集成在器件和制作工艺上更加简便,光栅可以与平面波导进行同步制作,且该方案具有更高的集成度,是平面光子器件与光源和光探测器的真正单片集成,并且通过调节光栅的微纳结构参数可以实现光子的波长选择性耦合及对耦合效率的控制。
发明内容
本发明所提出的基于光栅耦合的可见光单片集成传感器,利用以氮化镓为代表的III-V族化合物半导体材料的有源性和独特的物理化学性能,结合硅作为基底的独特优势,并利用光栅耦合这一简便的与光源和探测器单片集成的方法,实现基于一定可见光波段的单片集成传感器件。
本发明包括如下技术方案:
1、本发明所涉及的传感器结构包括量子阱有源发光区、光子耦合区、平面光子传感区、量子阱有源探测区等部分组成,具体结构参考说明书附图。具有如下的特征:
(1)传感器基底为硅基底,在其上依次为III-V族化合物材料构成的缓冲层、底层氮化镓、量子阱、顶层氮化镓;
(2)两个有源区(量子阱有源发光区和量子阱有源探测区)分别位于器件的两端,在有源区的上面是通过刻蚀氮化镓表面而形成的光栅光子耦合区;
(3)在有源区的顶层氮化镓和底层氮化镓的特定区域为金属电极;
(4)两个有源区之间为平面光子传感区,该区域为悬空结构,其下层的硅被掏空以及悬空结构的背面被减薄,该区域正面是刻蚀氮化镓形成的波导结构;
(5)该结构的特点是将发光区和探测区这两个有源区,利用耦合区耦合光栅的方法与无源的平面光子传感区实现了单片集成,从而实现了集信号发射、传感和检测于一体的微型化、便携式传感器件系统结构;
(6)两个有源区上方氮化镓表面都刻蚀出微纳槽型结构组成的耦合光栅,平面波导结构与耦合光栅在同一氮化镓水平面,两者实现在氮化镓表面的同步性刻蚀制作,制作工艺简便;
(7)平面光子传感区为悬空的III-V族化合物薄膜结构,两个有源区为分别由一对电极的P-N结电驱动量子阱的发光和探测;
2、本发明通过如下步骤来实现:
(1)将硅衬底氮化镓有源晶片进行预处理;
(2)在氮化镓表面覆盖掩膜层,露出需要刻蚀氮化镓的区域;
(3)刻蚀氮化镓,去除掩膜层,形成图形化的氮化镓表面;
(4)选择性掩膜氮化镓表面,露出要完全刻蚀上层(P型或N型)氮化镓和量子阱的区域,进行这些区域的下层(N型或P型)氮化镓以上的III-V族材料的完全刻蚀;去除掩膜层;
(5)在上层和下层氮化镓的表面特定区域沉积并图形化电极;
(6-1)再次选择性掩膜氮化镓表面,露出要完全刻蚀掉III-V族的区域,进行这些区域的硅以上的III-V族材料的完全刻蚀,并去除掩膜层;然后用湿法刻蚀的方法正面释放III-V族下的硅,形成悬空的III-V族结构,也可继续用正面的湿法或干法刻蚀方法在掏空的区域向上减薄III-V族,形成悬空的厚度可控的III-V族结构。
(6-2)或正面全部掩膜氮化镓表面,背面选择性掩膜硅基底表面,露出要释放硅基底的区域,用湿法刻蚀或干法刻蚀方法,完全释放该区域的硅基底,也可继续刻蚀III-V族,形成悬空的厚度可控的III-V族结构;去除上层和下层的掩膜层。
对上述方案2中的实现步骤技术点的解释说明:
(1)所述氮化镓有源晶片为商业购买的作为起始材料。所述预处理为对起始晶片进行必要步骤的背后减薄、清洗和烘干处理,脱去其表层的无机和有机污染物。
(2)所述覆盖掩膜层方法如下,包括图形化各类光刻胶或图形化的金属层,并根据刻蚀氮化镓的深度要求和其与掩膜层的刻蚀速率比进行掩膜层厚度的确定。图形化光刻胶包括,对光刻胶进行烘胶、光刻、显影、后烘;图形化金属层包括在氮化镓表面沉积金属层,然后在金属表面图形化光刻胶,继而对金属进行刻蚀,最后去除光刻胶,或先在氮化镓表明图形化光刻胶,然后沉积一层金属,然后剥离光刻胶,用lift-off的方法实现图形化的金属层。
(3)所述刻蚀是指专用的III-V族化合物或氮化镓的刻蚀方法,根据刻蚀深度的要求控制刻蚀条件和时间;所述去除掩膜层,包括湿法刻蚀、干法刻蚀或两者相结合的方法,最终完全去除掩膜层。
(4)所述的区域为后续制备下层氮化镓电极的金属沉积区域。
(5)所述电极为金属类欧姆接触电极;所述图形化方法为上述lift-off方法,过程为:正面旋涂光刻胶、前烘、光刻、显影、后烘、沉积金属电极、lift-off剥离光刻胶和光刻胶上的金属,最终在特定区域留下金属电极。
(6-1)(6-2)所示为可选择两种方法中的任意一种方法。
本发明所涉及传感器件的工作过程描述如下:量子阱有源发光区通过电致发光产生光子;该光子能量通过光子耦合区,光栅将光源的部分能量导入到平面光子传感区;通过平面光子传感区的悬空波导的周围不同介质折射率的不同,产生对光子波导传输模式的影响,引起倏逝场的变化和不同的光子传输损耗;光子传播一定距离后,到达另一个光子耦合区,光栅将其部分能量按占总能量的一定比例导入到量子阱探测区;探测区将光子能量转换为电信号,实现对介质的传感检测。
有益效果
本发明所涉及传感器件的优点包括:
(1)单片集成的特征,可以实现便捷的微型传感器件;
(2)悬空结构和波导厚度可控,可以实现灵敏的传感响应;
(3)利用耦合光栅参数,可以实现对不同传感介质的基于不同波段的检测;
(4)氮化镓的化学特性,可以实现特殊环境下的传感探测。
附图说明
图1所示为传感器件的侧视示意图,分别为正面释放基底和背面释放基底得到的器件结构。
图中:1量子阱、2耦合光栅、3金属电极、4悬空平面光子传感区、5有源发光区&光子耦合区、6光子耦合区&光子能量探测区。
图2所示为制备传感器的加工流程示意图。
图中:(a)正面掩膜刻蚀III-V族化合物制备出耦合光栅、平面波导,沉积和lift-off方法制备出电极;(b)在(a)基础上进行正面掩膜刻蚀并释放III-V族下层的Si基底,形成III-V族悬空结构;(c)在(a)基础上背面刻蚀完全释放Si基底,形成III-V族悬空结构,并可继续对III-V族的背面刻蚀实现平面波导的厚度可控。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步描述。实施例在本发明整体技术方案的前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程。仅以背面释放硅基底和减薄III-V族为例,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
(1)将带有量子阱的硅基底氮化镓晶片(量子阱夹在P型和N型两层氮化镓之间)进行硅基底的减薄抛光,分别在丙酮和乙醇中超声清洗10min,烘干待用。
(2)旋涂2μm厚光刻胶正胶,然后在90℃下前烘3min、用一定图形的掩膜版做掩膜进行UV曝光、显影,露出需要刻蚀氮化镓的区域,然后在105℃下后烘2min。
(3)用专用III-V族RIE刻蚀机,进行氮化镓一定厚度的刻蚀,目标深度200nm,刻蚀出耦合光栅和平面波导结构;用湿法刻蚀去除光刻胶,烘干。
(4)正面旋涂5μm厚光刻胶正胶,然后在90℃下前烘4min、用一定图形的掩膜版做掩膜进行UV曝光、显影,露出需要刻蚀掉上层氮化镓和量子阱的区域,然后在105℃下后烘2min;根据刻蚀速率计算刻蚀时间,用专用III-V族RIE刻蚀机,直到从正面刻蚀到下层氮化镓的深度位置;去胶、烘干。
(5)正面旋涂8μm厚光刻胶,进行烘胶后,与上一步的光刻进行套刻,显影露出上层氮化镓和下层氮化镓要沉积金属电极的特定区域,烘干;溅射一定厚度的Ni/Au两层金属,lift-off剥离光刻胶和光刻胶上的金属,最终在特定区域留下金属电极;烘干。
(6)旋涂光刻胶10μm,然后前烘,将正面保护起来;然后在背面硅基底表面旋涂光刻胶正胶15μm,前烘100℃下6min,曝光、显影,在100℃下后烘4min;用Bosch工艺进行硅基底的刻蚀,直到硅完全被释放;然后将晶片转移至III-V族刻蚀机,采用上述同样的刻蚀方法,刻蚀底层氮化镓和量子阱,直到刻蚀到上层氮化镓;干法刻蚀去除上层和下层的掩膜层。

Claims (3)

1.基于光栅耦合的可见光单片集成传感器,其特征在于,包括如下结构:量子阱有源发光区、光子耦合区、平面光子传感区、量子阱有源探测区,传感器基底为硅基底,在其上依次为III-V族化合物材料构成的缓冲层、底层氮化镓、量子阱、顶层氮化镓;
所述量子阱有源发光区和量子阱有源探测区分别位于器件的两端,在顶层氮化镓和底层氮化镓的特定区域为金属电极,分别由这一对电极的P-N结电驱动量子阱的发光和探测;
在量子阱有源发光区和量子阱有源探测区之间为悬空结构,该悬空结构区域下层的硅被掏空以及悬空结构的背面被减薄,该悬空结构区域正面是刻蚀氮化镓形成的平面波导结构;
在量子阱有源发光区和量子阱有源探测区上方氮化镓表面刻蚀出微纳槽型结构组成的耦合光栅,其集成了有源区和无源区,实现了两者之间光子的导入导出。
2.如权利要求1所述的传感器的制作方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)将硅衬底氮化镓有源晶片进行预处理;
2)在氮化镓表面覆盖掩膜层,露出需要刻蚀氮化镓的区域;
3)刻蚀氮化镓,去除掩膜层,形成图形化的氮化镓;
4)选择性掩膜氮化镓表面,露出要完全刻蚀上层,氮化镓和量子阱的区域,进行这些区域的下层氮化镓以上的III-V族材料的完全刻蚀;去除掩膜层;
5)在上层和下层氮化镓的表面特定区域沉积并图形化电极;
6)再次选择性掩膜氮化镓表面,露出要完全刻蚀掉III-V族的区域,进行这些区域的硅以上的III-V族材料的完全刻蚀,并去除掩膜层;然后用湿法刻蚀的方法正面释放III-V族下的硅,形成悬空的III-V族结构;继续用正面的湿法或干法刻蚀方法在掏空的区域向上减薄III-V族,形成悬空的厚度可控的III-V族结构。
3.如权利要求2所述的方法,其特征在于,在步骤5)之后,还可以如下方法来代替步骤6):正面全部掩膜氮化镓表面,背面选择性掩膜硅基底表面,露出要释放硅基底的区域,用湿法刻蚀或干法刻蚀方法,完全释放该区域的硅基底,继续刻蚀III-V族,形成悬空的厚度可控的III-V族结构;去除上层和下层的掩膜层。
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