CN107104119A - 硅衬底悬空led直波导耦合集成光子器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了硅衬底悬空LED直波导耦合集成光子器件及其制备方法，该光子器件包括硅衬底层，在其上形成外延缓冲层，在外延缓冲层上形成P‑N结，p‑GaN层上设置有p‑电极，在n‑GaN层上表面通过刻蚀形成阶梯状台面，上台面与InGaN/GaN量子阱的底面连接，下台面上设置有n‑电极，n‑GaN层、InGaN/GaN量子阱、p‑GaN层、p‑电极和n‑电极构成LED器件，LED器件上集成有光波导，在光波导上有支撑结构，在n‑GaN层下方设置有与p‑电极、n‑电极、耦合区和光波导的位置正对且贯穿硅衬底层、外延缓冲层的空腔。本发明器件将光源和光波导集成在同一片晶圆上，使LED发出的光沿着光波导传输，解决光在光波导内传输难题的同时，采用直波导耦合互连的方式，实现了片内不同光子器件之间的互连。
Description
技术领域
本发明属于信息材料与器件领域，涉及一种硅衬底悬空LED直波导耦合的集成光子器件及其制备技术。
背景技术
随着互联网和无线通信的蓬勃发展，面对越来越大的数据量传输要求，传统的通信受制于无线频谱的宽度和利用率等问题暴露出了一些难以解决的问题。因此利用高带宽和不占频谱资源的可见光实现通信成为一种解决方案，氮化镓材料以其优异的光学和电学性能成为可见光通信领域的热门材料，氮化镓光子集成器件不仅成为光通信领域的一大研究热点，也是光子计算和光子通信等领域的基础。将具有不同功能的半导体器件集成于一块基片上能够大大减小集成器件的尺寸以及降低一直居高不下的功率损耗。早在2003年，以色列Lenslet公司研发的Enlight就于美国波士顿军事通信展览会上露面，这是全球首款嵌入光核心的商用向量光学数字处理器，使数字信号处理的发展加快了近20年。从2004年起，光子器件集成在欧美等发达地区得到了快速的发展，成为其战略发展方向。长久以来，利用集成光子器件代替目前的微电子器件被视为是下一代信息技术的革命。日前，Intel研究人员成功开发了一款基于硅半导体集成制造工艺的全世界最快的光子CPU，标志着集成光子向光子计算领域的大跨越。相较于国外，国内在集成光子方面发展还较为缓慢，迫切需要更深入的研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种有超薄氮化物薄膜LED器件和悬空耦合直波导的集成光子器件，其采用耦合的方式实现了从光源发光、波导传输和探测器接收的平面光子单片集成器件，采用硅衬底剥离和背后氮化镓减薄技术提高了LED内部光源利用效率，同时还提供一种制备该器件的制备方法。
为此，本发明提出的技术方案为硅衬底悬空LED直波导耦合集成光子器件，该光子器件以硅基氮化镓晶圆为载体，通过直波导耦合的方式连接两个P-N结，包括硅衬底层(11)，在所述硅衬底层(11)上形成外延缓冲层(10)，在所述外延缓冲层(10)上形成P-N结，所述P-N结包括从下至上依次连接设置的n-GaN层(1)、InGaN/GaN量子阱(5')和p-GaN层(2)，所述p-GaN层(2)上设置有p-电极(3)，在所述n-GaN层(1)上表面通过刻蚀形成阶梯状台面，所述阶梯状台面包括一个上台面和位于上台面一侧的下台面，所述上台面与InGaN/GaN量子阱(5')的底面连接，所述下台面上设置有n-电极(4)，所述n-GaN层(1)、InGaN/GaN量子阱(5')、p-GaN层(2)、p-电极(3)和n-电极(4)构成LED器件，所述LED器件上集成有光波导(6)，在光波导(6)上有支撑结构(7)，在所述n-GaN层(1)下方设置有与p-电极(3)、n-电极(4)、耦合区(5)和光波导(6)的位置正对且贯穿硅衬底层(1)、外延缓冲层(2)的空腔(9)。
进一步，上述空腔(9)处于两个P-N结LED器件、光波导(6)和耦合区(5)的正下方。
上述LED器件、光波导(6)和耦合区(5)均在硅基氮化镓晶圆上实现，光波导(6)与n-GaN层(1)、InGaN/GaN量子阱(5')、p-GaN层(2)和耦合区(5)均连接。
上述p-电极(3)和n-电极(4)均为Ni/Au电极，即沉积的金属材料为Ni/Au。
上述耦合区(5)为在光波导(6)基础上向下刻蚀至InGaN/GaN量子阱(5')层形成的结构。
本发明还进一步提出一种制备上述硅衬底悬空LED直波导耦合集成光子器件的方法，该方法包括以下步骤：
步骤(1)在硅基氮化镓晶圆正面旋涂一层光刻胶Ⅰ；
步骤(2)对旋涂完光刻胶Ⅰ的硅基氮化镓晶圆采用光刻显影技术，在光刻胶Ⅰ胶层上光刻定义出光波导区域和n-GaN台阶区域，然后在光刻胶Ⅰ做掩膜的情况下，采用感应耦合等离子体刻蚀技术刻蚀出n-GaN台阶区域和光波导区域；
步骤(3)将晶圆浸泡在盛有丙酮溶液的烧杯中，将烧杯放入超声波清洗机，将光刻胶Ⅰ掩膜清洗掉，然后再先后将晶圆浸泡在无水酒精和去离子水中清洗，最后用氮气吹干晶圆得到n-GaN阶梯状台面、p-GaN层(2)、InGaN/GaN量子阱(5')和光波导(6)；
步骤(4)在硅基氮化镓晶圆正面旋涂一层光刻胶Ⅰ；
步骤(5)对旋涂完光刻胶Ⅰ的硅基氮化镓晶圆采用光刻显影技术，在光刻胶Ⅰ胶层上光刻定义出p-电极窗口区域与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，然后在氮气氛围条件下快速退火形成欧姆接触，实现p-电极(6)与n-电极(4)；
步骤(6)采用与步骤(3)一样的方法去除残余光刻胶后，即得到LED器件；
步骤(7)在硅基氮化镓晶圆正面旋涂光刻胶Ⅰ；
步骤(8)对旋涂完光刻胶Ⅰ的硅基氮化镓晶圆采用光刻显影技术，在光刻胶Ⅰ胶层上光刻定义出波导耦合区域刻蚀窗口，采用感应耦合等离子体刻蚀技术向下刻蚀至InGaN/GaN量子阱(5')层；
步骤(9)去除残余光刻胶，在光波导上得到波导耦合区(5)；
步骤(10)在硅基氮化镓晶圆正面旋涂一层光刻胶Ⅱ；
步骤(11)对旋涂完光刻胶Ⅱ的硅基氮化镓晶圆采用光刻显影技术，在光刻胶Ⅱ胶层光刻定义出光波导(6)两旁的凹槽区域，在光刻胶Ⅱ做掩膜的情况下采用感应耦合等离子体刻蚀技术向下刻蚀，直至将n-GaN层刻穿；
步骤(12)去除残余光刻胶，得到完整的LED、光波导(6)和波导耦合区(5)的正面结构；在硅基氮化镓晶圆正面涂胶保护，防止刻蚀过程中损伤表面器件，在硅基氮化镓晶圆的背面即硅衬底层(11)表面旋涂一层光刻胶Ⅱ，利用背后对准技术，定义出一个对准并完全覆盖正面LED、光波导(6)和波导耦合区(5)的背后刻蚀窗口；
步骤(13)将外延缓冲层(10)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(11)贯穿刻蚀至外延缓冲层(10)的下表面，形成一个空腔；
步骤(14)采用氮化物背后减薄刻蚀技术，从下往上对外延缓冲层(10)和n-GaN层(1)进行氮化物减薄处理；
步骤(15)去除残余光刻胶，即获得硅衬底悬空LED直波导耦合集成光子器件。
进一步，上述步骤5中的蒸镀Ni/Au是通过采用剥离工艺和温度控制在500±5℃、时间为5分钟的的氮气退火技术实现的。
上述步骤14中，所述氮化物背后减薄刻蚀是利用离子束轰击或感应耦合等离子体刻蚀技术。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1，本发明的硅衬底氮化镓基悬空LED直波导耦合集成光子器件，相较于其他不同材质的分离的LED和波导器件的集成，将波导与LED器件均采用同一氮化物材质，并通过同为氮化物材质的波导耦合区，将两个完全独立的LED器件互连，使两者可集成在同一片晶圆上，简化了制作工艺，降低了难度。
2，本发明光通过波导耦合区耦合进不同的波导中，方向性好，且上述结构都可以集成在微米级别的硅片上，形成p-n结量子阱器件和定向耦合器的单片集成系统，与现有的微纳器件实现光耦合的技术相比具有先进性和优越性。
附图说明
图1是本发明硅衬底悬空LED直波导耦合集成光子器件结构示意图。
图2是本发明硅衬底悬空LED直波导耦合集成光子器件的正面俯视图。
图3是本发明硅衬底悬空LED直波导耦合集成光子器件的制造流程图。
图中：1－n-GaN；2－p-GaN层；3－p-电极；4－n-电极；5－波导耦合区；5'－InGaN/GaN量子阱；6－光波导；7－支撑结构；8－背后刻蚀窗口；9－空腔；10－外延缓冲层；11－硅衬底层。
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。
本发明通过曝光技术和氮化物刻蚀工艺，将LED、光波导和波导耦合器件结构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，在硅衬底上获得两个通过直波导耦合互连的超薄LED集成器件。
图1、图2给出了本发明的硅衬底悬空LED直波导耦合集成光子器件的结构示意图，该光子器件以硅基氮化镓晶圆为载体，通过直波导耦合的方式连接两个P-N结，包括硅衬底层11，设置在所述硅衬底层11上的外延缓冲层10，设置在所述外延缓冲层10上的P-N结，所述P-N结包括从下至上依次连接设置的n-GaN层1、InGaN/GaN量子阱5'和p-GaN层2，所述p-GaN层2上设置有p-电极3，在所述n-GaN层1上表面有刻蚀出的阶梯状台面，所述阶梯状台面包括一个上台面和位于上台面一侧的下台面，所述上台面与InGaN/GaN量子阱5'的底面连接，所述下台面上设置有n-电极4，所述n-GaN层1、InGaN/GaN量子阱5'、p-GaN层2、p-电极3和n-电极4构成LED器件，所述LED器件上集成有光波导6，在光波导6上有支撑结构7，在所述n-GaN层1下方设置有与p-电极3、n-电极4、耦合区5和光波导6的位置正对且贯穿硅衬底层1、外延缓冲层2的空腔9，虚线框8内为背后深硅刻蚀和氮化镓剪薄的刻蚀窗口，用来形成使LED器件和光波导6悬空的空腔9。AA'虚线所在的位置为器件耦合区5的截面，BB'虚线所在位置为悬空LED器件的截面。
本发明的硅衬底悬空LED直波导耦合集成光子器件，所述的InGaN/GaN量子阱5'中，铟氮化镓InGaN与氮化镓GaN间隔沉积形成量子阱层。
本发明的硅衬底悬空LED直波导耦合集成光子器件，所述空腔9处于两个P-N结LED器件、光波导6和耦合区5的正下方。
本发明的硅衬底悬空LED直波导耦合集成光子器件，所述LED器件、光波导6和耦合区5均在硅基氮化镓晶圆上实现，光波导6与n-GaN层1、InGaN/GaN量子阱5'、p-GaN层2和耦合区5均连接。
本发明的硅衬底悬空LED直波导耦合集成光子器件，所述集成器件上包含两个LED结构，并且这两个LED结构通过直波导6耦合的方式连接。
本发明的硅衬底悬空LED直波导耦合集成光子器件，所述p-电极3和n-电极4均为Ni/Au电极，即沉积的金属材料为Ni/Au。
本发明的硅衬底悬空LED直波导耦合集成光子器件，所述耦合区5为在光波导6基础上向下刻蚀至InGaN/GaN量子阱5'层的结构。
图3给出本发明的硅衬底悬空LED直波导耦合集成光子器件的制作流程，具体步骤如下：
1)在硅基氮化镓晶圆正面旋涂一层光刻胶Ⅰ；
2)对旋涂完光刻胶Ⅰ的硅基氮化镓晶圆采用光刻显影技术，在光刻胶Ⅰ胶层上光刻定义出光波导区域和n-GaN台阶区域，然后在光刻胶Ⅰ做掩膜的情况下，采用感应耦合等离子体刻蚀技术刻蚀出n-GaN台阶区域和光波导区域；
3)将晶圆浸泡在盛有丙酮溶液的烧杯中，将烧杯放入超声波清洗机，将光刻胶Ⅰ掩膜清洗掉，然后再先后将晶圆浸泡在无水酒精和去离子水中清洗，最后用氮气吹干晶圆得到n-GaN阶梯状台面、p-GaN层2、InGaN/GaN量子阱5'和光波导6；
4)在硅基氮化镓晶圆正面旋涂一层光刻胶Ⅰ；
5)对旋涂完光刻胶Ⅰ的硅基氮化镓晶圆采用光刻显影技术，在光刻胶Ⅰ胶层上光刻定义出p-电极窗口区域与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，然后在500℃氮气氛围条件下快速退火5分钟，形成欧姆接触，实现p-电极6与n-电极4；
6)采用与步骤(3)一样的方法去除残余光刻胶后，即得到LED器件；
7)在硅基氮化镓晶圆正面旋涂光刻胶Ⅰ；
8)对旋涂完光刻胶Ⅰ的硅基氮化镓晶圆采用光刻显影技术，在光刻胶Ⅰ胶层上光刻定义出波导耦合区域刻蚀窗口，采用感应耦合等离子体刻蚀技术向下刻蚀至InGaN/GaN量子阱5'层。
9)去除残余光刻胶，在光波导上得到波导耦合区5。
10)在硅基氮化镓晶圆正面旋涂一层光刻胶Ⅱ；
11)对旋涂完光刻胶Ⅱ的硅基氮化镓晶圆采用光刻显影技术，在光刻胶Ⅱ胶层光刻定义出光波导6两旁的凹槽区域，在光刻胶Ⅱ做掩膜的情况下采用感应耦合等离子体刻蚀技术向下刻蚀，直至将n-GaN层刻穿，凹槽区域是为了使光波导6完全悬空而设计的；
12)去除残余光刻胶，得到完整的LED、光波导6和波导耦合区5的正面结构；在硅基氮化镓晶圆正面涂胶保护，防止刻蚀过程中损伤表面器件，在硅基氮化镓晶圆的背面即硅衬底层11表面旋涂一层光刻胶Ⅱ，利用背后对准技术，定义出一个对准并完全覆盖正面LED、光波导6和波导耦合区5的背后刻蚀窗口；
13)将外延缓冲层10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11贯穿刻蚀至外延缓冲层10的下表面，形成一个空腔；
14)采用氮化物背后减薄刻蚀技术，从下往上对外延缓冲层10和n-GaN层1进行氮化物减薄处理；
15)去除残余光刻胶，即获得硅衬底悬空LED直波导耦合集成光子器件。
本发明的制备硅衬底悬空LED光波导集成光子器件的方法，所述步骤(5)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。
本发明的制备硅衬底悬空LED光波导集成光子器件的方法，所述步骤(14)中，所述氮化物背后减薄刻蚀技术为离子束轰击或感应耦合等离子体刻蚀技术。
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.硅衬底悬空LED直波导耦合集成光子器件，其特征在于，该光子器件以硅基氮化镓晶圆为载体，通过直波导耦合的方式连接两个P-N结，包括硅衬底层(11)，在所述硅衬底层(11)上形成外延缓冲层(10)，在所述外延缓冲层(10)上形成P-N结，所述P-N结包括从下至上依次连接设置的n-GaN层(1)、InGaN/GaN量子阱(5')和p-GaN层(2)，所述p-GaN层(2)上设置有p-电极(3)，在所述n-GaN层(1)上表面通过刻蚀形成阶梯状台面，所述阶梯状台面包括一个上台面和位于上台面一侧的下台面，所述上台面与InGaN/GaN量子阱(5')的底面连接，所述下台面上设置有n-电极(4)，所述n-GaN层(1)、InGaN/GaN量子阱(5')、p-GaN层(2)、p-电极(3)和n-电极(4)构成LED器件，所述LED器件上集成有光波导(6)，在光波导(6)上有支撑结构(7)，在所述n-GaN层(1)下方设置有与p-电极(3)、n-电极(4)、耦合区(5)和光波导(6)的位置正对且贯穿硅衬底层(1)、外延缓冲层(2)的空腔(9)。
2.根据权利要求1所述的硅衬底悬空LED直波导耦合集成光子器件，其特征在于所述空腔(9)处于两个P-N结LED器件、光波导(6)和耦合区(5)的正下方。
3.根据权利要求1所述的硅衬底悬空LED直波导耦合集成光子器件，其特征在于，所述LED器件、光波导(6)和耦合区(5)均在硅基氮化镓晶圆上实现，光波导(6)与n-GaN层(1)、InGaN/GaN量子阱(5')、p-GaN层(2)和耦合区(5)均连接。
4.根据权利要求1所述的硅衬底悬空LED直波导耦合集成光子器件，其特征在于，所述p-电极(3)和n-电极(4)均为Ni/Au电极，即沉积的金属材料为Ni/Au。
5.根据权利要求1所述的硅衬底悬空LED直波导耦合集成光子器件，其特征在于，所述耦合区(5)为在光波导(6)基础上向下刻蚀至InGaN/GaN量子阱(5')层形成的结构。
6.一种制备权利要求1所述硅衬底悬空LED直波导耦合集成光子器件的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤(1)在硅基氮化镓晶圆正面旋涂一层光刻胶Ⅰ；
步骤(2)对旋涂完光刻胶Ⅰ的硅基氮化镓晶圆采用光刻显影技术，在光刻胶Ⅰ胶层上光刻定义出光波导区域和n-GaN台阶区域，然后在光刻胶Ⅰ做掩膜的情况下，采用感应耦合等离子体刻蚀技术刻蚀出n-GaN台阶区域和光波导区域；
步骤(3)将晶圆浸泡在盛有丙酮溶液的烧杯中，将烧杯放入超声波清洗机，将光刻胶Ⅰ掩膜清洗掉，然后再先后将晶圆浸泡在无水酒精和去离子水中清洗，最后用氮气吹干晶圆得到n-GaN阶梯状台面、p-GaN层(2)、InGaN/GaN量子阱(5')和光波导(6)；
步骤(4)在硅基氮化镓晶圆正面旋涂一层光刻胶Ⅰ；
步骤(5)对旋涂完光刻胶Ⅰ的硅基氮化镓晶圆采用光刻显影技术，在光刻胶Ⅰ胶层上光刻定义出p-电极窗口区域与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，然后在氮气氛围条件下快速退火形成欧姆接触，实现p-电极(6)与n-电极(4)；
步骤(6)采用与步骤(3)一样的方法去除残余光刻胶后，即得到LED器件；
步骤(7)在硅基氮化镓晶圆正面旋涂光刻胶Ⅰ；
步骤(8)对旋涂完光刻胶Ⅰ的硅基氮化镓晶圆采用光刻显影技术，在光刻胶Ⅰ胶层上光刻定义出波导耦合区域刻蚀窗口，采用感应耦合等离子体刻蚀技术向下刻蚀至InGaN/GaN量子阱(5')层；
步骤(9)去除残余光刻胶，在光波导上得到波导耦合区(5)；
步骤(10)在硅基氮化镓晶圆正面旋涂一层光刻胶Ⅱ；
步骤(11)对旋涂完光刻胶Ⅱ的硅基氮化镓晶圆采用光刻显影技术，在光刻胶Ⅱ胶层光刻定义出光波导(6)两旁的凹槽区域，在光刻胶Ⅱ做掩膜的情况下采用感应耦合等离子体刻蚀技术向下刻蚀，直至将n-GaN层刻穿；
步骤(12)去除残余光刻胶，得到完整的LED、光波导(6)和波导耦合区(5)的正面结构；在硅基氮化镓晶圆正面涂胶保护，防止刻蚀过程中损伤表面器件，在硅基氮化镓晶圆的背面即硅衬底层(11)表面旋涂一层光刻胶Ⅱ，利用背后对准技术，定义出一个对准并完全覆盖正面LED、光波导(6)和波导耦合区(5)的背后刻蚀窗口；
步骤(13)将外延缓冲层(10)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(11)贯穿刻蚀至外延缓冲层(10)的下表面，形成一个空腔；
步骤(14)采用氮化物背后减薄刻蚀技术，从下往上对外延缓冲层(10)和n-GaN层(1)进行氮化物减薄处理；
步骤(15)去除残余光刻胶，即获得硅衬底悬空LED直波导耦合集成光子器件。
7.根据权利要求6要求所述的制备硅衬底悬空LED光波导集成光子器件的方法，其特征在于，所述步骤5中的蒸镀Ni/Au是通过采用剥离工艺和温度控制在500±5℃、时间为5分钟的的氮气退火技术实现的。
8.根据权利要求6要求所述的制备硅衬底悬空LED光波导集成光子器件的方法，其特征在于，所述步骤14中，所述氮化物背后减薄刻蚀是利用离子束轰击或感应耦合等离子体刻蚀技术。
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