CN107104169B - 基于异质键合的微型水下可见光通信双工器件及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于异质键合的微型水下可见光通信双工器件及制备方法，实现载体为硅衬底氮化物晶片和N型掺杂硅晶片，所述硅衬底氮化物晶片包括顶层氮化物和位于顶层氮化物下部的硅衬底层，硅衬底层部分掏空，形成悬空部位，悬空部位上方的顶层氮化物和镍/金电极构成薄膜LED蓝光发光器件，N型掺杂硅晶片顶层设置有适用于蓝光波段的光电传感器件，所述N型掺杂硅晶片为本征硅晶片掺杂磷元素。本发明器件设备体积小，能够实现水下高性能高速双向可见光通信。
Description
技术领域
本发明涉及基于异质键合的微型水下可见光通信双工器件及制备方法，属于信息材料与器件技术领域。
背景技术
可见光通信是基于LED器件发展起来的无线光通信技术，利用其输出光功率和驱动电流的高速响应特性，以可见光作为信息载体，实现无线通信。可见光能够提供超宽光谱频段，在海洋勘探信息等水下环境中具有较小的信道衰减。可见光的光谱范围为380nm-760nm，在400nm-500nm的蓝光波段下水对可见光的吸收达到极小值，即在此波段下的水下可见光通信的信道衰减达到极小值。
氮化物材料化学性质非常稳定，禁带宽度大，并且具有优良的光电特性和机械特性。目前，高质量的硅衬底氮化物晶片也日益成熟，已经逐步走向市场。基于硅衬底氮化物晶片LED蓝光发光器件不仅具有水下信道衰减小的优势，并且具有较高的通信带宽，可作为发射端应用于高性能高速度水下可见光通信
硅基光电传感器件在蓝光波段具有较高的灵敏度和响应频率，适用于水下可见光通信的接收端。利用异质键合技术将蓝光波段的接收端和发射端进行同轴键合获得可以同时发射和接收信号的双工终端，是实现高性能高速水下可见光通信的关键器件。本发明提出一种基于异质键合技术的微型化蓝光LED水下可见光通信同轴双工终端器件，降低水下可见光通信的信道衰减，为发展面向高性能高速水下可见光通信的微型化集成双工器件奠定基础。
发明内容
技术问题：本发明提供一种能够实现水下高性能高速双向可见光通信的基于异质键合的微型水下可见光通信双工器件及制备方法。
技术方案：本发明的基于异质键合的微型水下可见光通信双工器件，包括作为载体的硅衬底氮化物晶片、设置在所述硅衬底氮化物晶片下方的N型掺杂硅晶片，所述硅衬底氮化物晶片包括硅衬底层和位于所述硅衬底层上方的顶层氮化物，所述硅衬底层部分掏空，形成悬空部位，所述顶层氮化物上设置有位于所述悬空部位上方的镍/金电极，所述悬空部位上方的顶层氮化物和镍/金电极构成薄膜LED蓝光发光器件，所述N型掺杂硅晶片顶层设置有适用于蓝光波段的光电传感器件，所述光电传感器件位于悬空部位下方，包括P型掺杂和铝电极，所述P型掺杂与N型掺杂硅形成硅基PN结，薄膜LED蓝光发光器件与光电传感器件上下正对并通过异质键合连接。
进一步的，本发明器件中，N型掺杂硅晶片为掺杂了磷元素的本征硅晶片。
本发明器件在垂直方向上通过异质键合技术集成了位于同轴的LED蓝光发光器件和适用于蓝光波段的光电传感器件。透明的悬空薄膜LED蓝光发光器件可以透过另一双工终端器件发射的蓝光信号，由键合在悬空薄膜LED蓝光发光器件下方的硅基光电传感器件接收，实现同时双工可见光通信。
本发明的基于异质键合的微型水下可见光通信双工器件制备方法，包括如下步骤：
步骤(1)在硅衬底氮化物晶片的顶层氮化物上表面进行光学光刻定义LED发光区域，并进行三五族材料反应离子刻蚀，暴露出用于制备负电极的LED层中的N型氮化物材料区域；
步骤(2)在硅衬底氮化物晶片顶层氮化物上表面进行光学光刻，定义LED器件正负电极的图形结构；
步骤(3)采用等离子体增强化学气相沉积技术在所述硅衬底氮化物晶片顶层氮化物上表面沉积二氧化硅层，在二氧化硅层表面进行光学光刻定义出光电传感器件电极的图形，并进行氢氟酸湿法刻蚀，将光电传感器件电极的图形转移至二氧化硅层上；
步骤(4)在所述硅衬底氮化物晶片下表面进行光学光刻，定义薄膜LED蓝光发光器件与光电传感器件进行异质键合的键合点；
步骤(5)在所述硅衬底氮化物晶片下表面进行光学光刻，定义硅衬底层的悬空区域的图形结构，采用深硅反应离子刻蚀技术将该图形结构区域的硅材料掏空，形成薄膜LED蓝光发光器件；
步骤(6)采用离子注入技术在N型掺杂硅晶片上表面用于探测蓝光的区域注入硼元素，形成P型掺杂，制成硅基PN结；
步骤(7)在所述N型掺杂硅晶片上表面进行光学光刻，定义光电传感器件正负电极的图形结构；
步骤(8)采用金硅键合技术形成金硅互熔混合物，实现薄膜LED蓝光发光器件与光电传感器件之间的异质键合；
步骤(9)采用三五族材料反应离子刻蚀技术，去除所述硅衬底氮化物晶片上光电传感器件电极的区域的氮化物层；
步骤(10)采用深硅反应离子刻蚀技术，去除所述硅衬底氮化物晶片上光电传感器件电极的区域的硅衬底；
步骤(11)采用二氧化硅反应离子刻蚀技术，去除在所述步骤(10)深硅反应离子刻蚀中用于保护硅基光电传感器件区域的二氧化硅层。
进一步的，本发明方法中，步骤(1)中定义的LED发光区域为P型氮化物材料区域，所述步骤(2)中通过如下方式定义LED器件正负电极的图形结构：采用电子束蒸镀技术沉积镍/金复合金属层，并使用有机试剂丙酮在超声清洗环境中进行剥离，获得LED器件正负电极。
进一步的，本发明方法中，步骤(4)中通过如下方式定义键合点：采用电子束蒸镀技术沉积铜/金复合金属层，并使用有机试剂丙酮在超声清洗环境中进行剥离，获得键合点图形结构。
进一步的，本发明方法中，步骤(7)中通过如下方式定义光电传感器件正负电极：采用电子束蒸镀技术沉积铝金属层，并使用有机试剂丙酮在超声清洗环境中进行剥离，获得光电传感器件正负电极。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
目前主流的水下通信技术，如长波电磁波通信，受水下设备电磁干扰较大，且在水下衰减率较高；超声波通信的传输速度较慢，通信速率低，设备体积大，费用高。本发明所设计的基于异质键合的微型水下可见光通信双工器件的蓝光信号相比一般电磁波信号和其他波段的可将光信号，在水下衰减率极低，传播距离长，效率高。并且可见光具有较高的通信带宽，可以进行高速传输，发展具有高性能高速的水下可见光通信集成系统；
可见光通信系统的信号发射端多使用商用白光LED，信号接收端多使用商用PIN光电二极管，两个独立器件分别进行信号收发，设备体积较大，可达数厘米至数十厘米。本发明所设计的基于异质键合的微型水下可见光通信双工器件利用金硅异质键合技术将信号发射端和接收端在垂直方向上进行单片集成，实现微型化水下可见光通信双工终端，尺寸可小至几百微米。
对于独立安装，不在同一个位置上的可见光信号发射端和接收端，无法同时进行可见光信号的双工通信，需要在不同时间收发可见光信号，并进行光路校准。本发明所设计的基于异质键合的微型水下可见光通信双工器件的发射端为透明的薄膜LED蓝光发光器件，通过异质键合在垂直方向上将作为接收端的硅基光电传感器件置于LED器件下方，其他双工终端器件发射的可见光信号可以穿过薄膜LED蓝光发光器件，在同一时间由硅基光电传感器件接收，实现同时双工水下可见光通信。
附图说明
图1为基于异质键合的微型水下可见光通信双工器件的示意图；
图2为基于异质键合的微型水下可见光通信双工器件的制备工艺流程；
图3为基于异质键合的微型水下可见光通信双工器件的测试系统示意图；
图4为LED蓝光发光器件的电致发光光谱；
图5为不同波长的电磁波在水中的吸收率；
图6为本发明器件中N型掺杂硅晶片俯视图；
图7为本发明器件整体俯视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1所示，本发明设计了基于异质键合的微型水下可见光通信双工器件，实现载体为硅衬底氮化物晶片和N型掺杂硅晶片，所述硅衬底氮化物晶片包括顶层氮化物和位于顶层氮化物下部的硅衬底层，所述N型掺杂硅晶片为本征硅晶片掺杂了磷元素。其特征在于：
所述硅衬底氮化物晶片和N型掺杂硅晶片通过金硅异质键合技术键合连接；
所述硅衬底氮化物晶片硅衬底层部分掏空，硅衬底氮化物晶片顶层具有悬空薄膜LED蓝光发光器件；
所述N型掺杂硅晶片顶层具有适用于蓝光波段的光电传感器件；
所述N型掺杂硅晶片顶层具有适用于蓝光波段的光电传感器件，在键合后在垂直方向上位于硅衬底氮化物晶片顶层的悬空薄膜LED蓝光发光器件下方。
在具体应用场景中，利用LED蓝光发光器件在水下吸收率低的优势，实现极低的水下可见光通信信道衰减，获得高性能水下可见光通信发射端。利用硅基光电传感器件在蓝光波段的高灵敏度，实现对发射端信号的高效率接收，获得高性能水下可见光通信接收端。
作为本发明的一种优化结构：所述基于异质键合的微型水下可见光通信双工器件的发射端为悬空薄膜蓝光LED器件，并通过异质键合技术在垂直方向上安放在接收端硅基光电传感器件上方。
本发明所设计的基于异质键合的微型水下可见光通信双工器件应用范围，例如：
利用器件在水下环境中的低衰减率和高速高性能，可以用于实现水下影像信号的传输，固定在海底的环境传感器数据的快速无线采集和传输，潜艇和潜艇之间的加密海底通信等；
本发明还设计了一种基于异质键合的微型水下可见光通信双工器件的制备方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
步骤(1)在硅衬底氮化物晶片上表面进行光学光刻定义LED发光区域，并进行三五族材料反应离子刻蚀，暴露出用于制备负电极的LED层中的N型氮化物材料区域；
步骤(2)在硅衬底氮化物晶片上表面进行光学光刻，定义LED器件正负电极的图形结构；
步骤(3)采用等离子体增强化学气相沉积技术在所述硅衬底氮化物晶片上表面沉积二氧化硅层，在二氧化硅层表面进行光学光刻定义出完成步骤(10)和步骤(11)所需的用于暴露出光电传感器件电极的图形，并进行氢氟酸湿法刻蚀，将用于暴露出光电传感器件电极的图形转移至二氧化硅层上；
步骤(4)在所述硅衬底氮化物晶片下表面进行光学光刻，定义硅衬底氮化物晶片和N型掺杂硅晶片进行异质键合的键合点。采用电子束蒸镀技术沉积铜/金复合金属层，并使用有机试剂丙酮在超声清洗环境中进行剥离，获得键合点图形结构；
步骤(5)在所述硅衬底氮化物晶片下表面进行光学光刻，定义薄膜LED蓝光发光器件的悬空区域的图形结构，采用深硅反应离子刻蚀技术将该图形结构区域的硅材料掏空，形成薄膜LED蓝光发光器件；
步骤(6)采用离子注入技术在所述N型掺杂硅晶片上表面用于探测蓝光的区域注入硼元素，在用于探测蓝光的区域形成P型掺杂，制成硅基PN结用于光电探测；
步骤(7)在所述N型掺杂硅晶片上表面进行光学光刻，定义光电传感器件件正负电极的图形结构。采用电子束蒸镀技术沉积铝金属层，并使用有机试剂丙酮在超声清洗环境中进行剥离，获得光电传感器件件正负电极；
步骤(8)采用金硅键合技术，在400摄氏度高温下利用金硅互熔点低的特点，形成金硅互熔混合物，冷却以后就形成了良好的键合。利用这种技术实现硅衬底氮化物LED和光电传感器件之间的异质键合；
步骤(9)采用三五族材料反应离子刻蚀技术，去除所述硅衬底氮化物晶片上应暴露出光电传感器件电极的区域的氮化物层；
步骤(10)采用深硅反应离子刻蚀技术，去除所述硅衬底氮化物晶片上应暴露出光电传感器件电极的区域的硅衬底；
步骤(11)：采用二氧化硅反应离子刻蚀技术，去除在步骤(10)深硅反应离子刻蚀中用于保护硅基光电传感器件区域的二氧化硅层。
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 (4)
1.一种基于异质键合的微型水下可见光通信双工器件制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤(1)在硅衬底氮化物晶片的顶层氮化物上表面进行光学光刻定义LED发光区域，并进行三五族材料反应离子刻蚀，暴露出用于制备负电极的LED层中的N型氮化物材料区域；
步骤(2)在硅衬底氮化物晶片顶层氮化物上表面进行光学光刻，定义LED器件正负电极的图形结构；
步骤(3)采用等离子体增强化学气相沉积技术在所述硅衬底氮化物晶片顶层氮化物上表面沉积二氧化硅层，在二氧化硅层表面进行光学光刻定义出光电传感器件电极的图形，并进行氢氟酸湿法刻蚀，将光电传感器件电极的图形转移至二氧化硅层上；
步骤(4)在所述硅衬底氮化物晶片下表面进行光学光刻，定义薄膜LED蓝光发光器件与光电传感器件进行异质键合的键合点；
步骤(5)在所述硅衬底氮化物晶片下表面进行光学光刻，定义硅衬底层的悬空区域的图形结构，采用深硅反应离子刻蚀技术将该图形结构区域的硅材料掏空，形成薄膜LED蓝光发光器件；
步骤(6)采用离子注入技术在N型掺杂硅晶片上表面用于探测蓝光的区域注入硼元素，形成P型掺杂，制成硅基PN结；
步骤(7)在所述N型掺杂硅晶片上表面进行光学光刻，定义光电传感器件正负电极的图形结构；
步骤(8)采用金硅键合技术形成金硅互熔混合物，实现薄膜LED蓝光发光器件与光电传感器件之间的异质键合；
步骤(9)采用三五族材料反应离子刻蚀技术，去除所述硅衬底氮化物晶片上光电传感器件电极的区域的氮化物层；
步骤(10)采用深硅反应离子刻蚀技术，去除所述硅衬底氮化物晶片上光电传感器件电极的区域的硅衬底；
步骤(11)采用二氧化硅反应离子刻蚀技术，去除在所述步骤(10)深硅反应离子刻蚀中用于保护硅基光电传感器件区域的二氧化硅层。
2.根据权利要求1所述的基于异质键合的微型水下可见光通信双工器件制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中定义的LED发光区域为P型氮化物材料区域，所述步骤(2)中通过如下方式定义LED器件正负电极的图形结构：采用电子束蒸镀技术沉积镍/金复合金属层，并使用有机试剂丙酮在超声清洗环境中进行剥离，获得LED器件正负电极。
3.根据权利要求1所述的基于异质键合的微型水下可见光通信双工器件制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中通过如下方式定义键合点：采用电子束蒸镀技术沉积铜/金复合金属层，并使用有机试剂丙酮在超声清洗环境中进行剥离，获得键合点图形结构。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于异质键合的微型水下可见光通信双工器件制备方法，其特征在于，所述步骤(7)中通过如下方式定义光电传感器件正负电极：采用电子束蒸镀技术沉积铝金属层，并使用有机试剂丙酮在超声清洗环境中进行剥离，获得光电传感器件正负电极。
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