CN107188112A - 一种基于硅基氮化物的可变光分布器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种基于硅基氮化物的可变光分布器件及其制备方法，包括：透镜、量子阱GaN、P‑GaN、N‑GaN、EL电极、GaN基LED光源、静电MEMS微执行器、Si衬底。所述的基于GaN的LED光源是生长在Si衬底上，所述的透镜完全粘附在GaN基LED光源的正上方，所述的静电MEMS微执行器，包括由固定齿梳和可动齿梳构成的齿梳状结构，其中：固定齿梳连接在Si衬底上，可动齿梳与GaN基LED光源固定在一起，LED光源在可动齿梳的正上方。通过施加电压，Si基GaN‑LED在梳齿驱动器的作用下，在Si衬底平面做横向移动。当GaN基LED平行移动到透镜的光轴方向时，经过GaN基LED的准直光束将以与Si衬底平面成一定比例的角度偏转。该装置可用于定向照明，自由空间光通信以及机器人光学传感器等领域。

Description

一种基于硅基氮化物的可变光分布器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种可变光分布器件，尤其是一种基于硅基氮化物的可变光分布器件及其制备方法。

背景技术

微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)，也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等，是在微电子技术(半导体制造技术)基础上发展起来的，融合了光刻、腐蚀、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件。MEMS技术是融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术对微米和纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的一种高科技前沿技术。基于MEMS技术的各种器件由于具有体积小、功耗低、灵敏度高、重复性好、加工工艺稳定、成本低廉等优点，已被大量用于高精技术产业。然而，目前主要通过键合技术将Si基MEMS微机电系统与光源集成为一个完整的器件，2008年Kimura等人提出了几种微光学系统键合技术。然而单片集成是未来最理想的集成方式。

另一方面，随着科学技术的飞速发展，GaN半导体已经成为很有潜力的新型光源。1991年实现了基于GaN/蓝宝石的高亮度的LED；1996年实现基于GaN/蓝宝石的激光器；1998年基于GaN/Si的LED被报道；2000年基于GaN/蓝宝石的LED的市场已经扩大到750亿日元；2007年基于GaN/Si的LED样品走向市场。

但在现有技术中，仍主要是通过键合技术将Si基MEMS微机电系统与光源集成为一个完整的器件，这种键合技术限制了器件的集成化和微型化，结构复杂、工艺繁琐、制作成本高、性能差。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种基于硅基氮化物的可变光分布器件及其制备方法，将光源和Si基MEMS器件集成在一个芯片上，实现了器件的集成化和微型化，其结构简单，加工工艺简单且稳定，成本低廉。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明的一种基于硅基氮化物的可变光分布器件，其特征在于，包括：透镜、GaN基LED光源、Si衬底、静电MEMS微执行器、梳状驱动器、量子阱GaN、N-GaN、P-GaN、EL电极；所述的GaN基LED光源生长在Si衬底上；所述的透镜完全粘附在GaN基LED光源上；所述的静电MEMS微执行器包括由固定齿梳和可动齿梳构成的梳状驱动器；所述的固定齿梳连接在Si衬底上，可动齿梳固定设置于GaN基LED光源下方；通过施加电压，GaN基LED光源在梳状驱动器的作用下，在Si衬底平台上做横向移动；当GaN基LED光源平行移动到透镜的光轴方向时，经过GaN基LED光源所发出的准直光束，以与Si衬底平面成比例的角度偏转。

进一步的，所述的GaN基LED所在的Si基衬底(4)平台由四根弹簧(5)进行支撑。每个弹簧长500μm，宽10μm。

进一步的，所述的静电MEMS微执行器，在施加电压为100V时的位移可达50μm。

进一步的，所述的Si基衬底(4)平台尺寸为2mm×2mm，静电MEMS微执行器(60)尺寸为4mm×4mm。

进一步的，所述的透镜(1)尺寸R＝396.7μm，f＝833.6μm。

本发明的一种基于硅基氮化物的可变光分布器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、在Si晶片表面生长GaN薄膜；

第二步、生长出量子阱GaN；

第三步，通过PL光致发光法对量子阱GaN进行性能测量；

第四步，利用分子束外延在GaN薄膜上生长出P-GaN、N-GaN；

第五步，在GaN基LED光源上对EL电极进行加工；

第六步，利用MOCVD化学气相沉积技术生成GaN基LED光源模板；

第七步，通过深层反应蚀刻方法对Si衬底进行蚀刻，得到梳状驱动器；

第八步，通过光刻胶光刻和深层反应刻蚀方法制备透镜阵列；

第九步，在300V电压和400℃的环境下通过阳极键合技术对上述整个系统进行封装。

与现有技术相比，本发明包括以下优点和有益效果：

1.本发明将Si基GaN半导体光源与MEMS系统进行单片集成，通过分子束外延方法在Si基上生长得到GaN/LED薄膜，进一步通过Si微加工技术在Si基底上制备得到了一个可动梳齿结构，通过在电极施加电压，引起梳齿移动，从而带动GaN/LED光源移动。其制备方法简便易行。

2.本发明由于将光源和Si基MEMS器件集成在一个芯片上，实现了器件的集成化和微型化，器件的体积小、功耗低、灵敏度高，而且具有重复性好、加工工艺稳定、成本低廉等优点。

3.本发明的光分布可变器件，可用于定向照明、自由空间光通信和距离感应器等领域。

附图说明

图1是本发明基于硅基氮化物的可变光分布器的一种实施例的整体结构示意图。

图2是本发明一种实施例的静电MEMS微执行器结构俯视图。

图3是本发明的一种实施例的可变光分布器结构的断面图。

图4是本发明一种实施例的Si基GaN/LED光源的SEM俯视图。

图5是本发明一种实施例的Si基GaN/LED光源的SEM截面图。

图6是本发明方法的一种实施例下所制备得到的Si基GaN/LED光源发光的照片。

图7是本发明基于硅基氮化物的可变光分布器件及其制备方法的一种实施例的流程图。

其中，1透镜，2光束，3是GaN基LED光源，4是Si衬底，5弹簧，60静电MEMS微执行器，61梳状制动器，7量子阱GaN，8是n-GaN，9是p-GaN，10是EL电极。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

图1是本发明基于硅基氮化物的可变光分布器的一种实施例的整体结构示意图。如图1所示，该实施例的可变光分布器包括：透镜1、GaN基LED光源3、Si衬底4、静电MEMS微执行器60、梳状驱动器61、量子阱GaN 7、N-GaN 8、P-GaN 9、EL电极10；所述的GaN基LED光源生长在Si衬底4上；所述的透镜1完全粘附在GaN基LED光源3上；所述的静电MEMS微执行器60包括由固定齿梳和可动齿梳构成的梳状驱动器61；所述的固定齿梳连接在Si衬底4上，可动齿梳固定设置于GaN基LED光源3下方；通过施加电压，GaN基LED光源3在梳状驱动器61的作用下，在Si衬底4平台上做横向移动；当GaN基LED光源3平行移动到透镜1的光轴方向时，经过GaN基LED光源3所发出的准直光束2，以与Si衬底平面成比例的角度偏转。

其中，所述的GaN基LED所在的Si基衬底4平台由四根弹簧5所支撑。每个弹簧5的尺寸为：长500μm，宽10μm。

其静电MEMS微执行器，在施加电压为100V时的位移可达50μm。

所述的Si基衬底4平台尺寸为2mm×2mm，静电MEMS微执行器60尺寸为4mm×4mm。

上述透镜1的尺寸R＝396.7μm，f＝833.6μm。

本发明的一种基于硅基氮化物的可变光分布器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、在Si晶片表面生长GaN薄膜；

第二步、生长出量子阱GaN；

第三步，通过PL光致发光法对量子阱GaN进行性能测量；

第四步，利用分子束外延在GaN薄膜上生长出P-GaN、N-GaN；

第五步，在GaN基LED光源上对EL电极进行加工；

第六步，利用MOCVD化学气相沉积技术生成GaN基LED光源模板；

第七步，通过深层反应蚀刻方法对Si衬底进行蚀刻，得到梳状驱动器；

第八步，通过光刻胶光刻和深层反应刻蚀方法制备透镜阵列；

第九步，在300V电压和400℃的环境下通过阳极键合技术对上述整个系统进行封装。

如上所述，本发明的基于硅基氮化物的可变光分布器件，可应用于定向照明、自由空间光通信以及机器人光学传感器等领域。

Claims (7)

1.一种基于硅基氮化物的可变光分布器件，其特征在于，包括：透镜(1)、GaN基LED光源(3)、Si衬底(4)、静电MEMS微执行器(60)、梳状驱动器(61)、量子阱GaN(7)、N-GaN(8)、P-GaN(9)、EL电极(10)；所述的GaN基LED光源生长在Si衬底(4)上；所述的透镜(1)完全粘附在GaN基LED光源(3)上；所述的静电MEMS微执行器(60)包括由固定齿梳和可动齿梳构成的梳状驱动器(61)；所述的固定齿梳连接在Si衬底(4)上，可动齿梳固定设置于GaN基LED光源(3)下方；通过施加电压，GaN基LED光源(3)在梳状驱动器(61)的作用下，在Si衬底(4)平台上做横向移动；当GaN基LED光源(3)平行移动到透镜(1)的光轴方向时，经过GaN基LED光源(3)所发出的准直光束(2)，以与Si衬底平面成比例的角度偏转。

2.根据权利要求1所述的一种基于硅基氮化物的可变光分布器件，其特征在于，所述的GaN基LED所在的Si基衬底(4)平台由四根弹簧(5)所支撑。弹簧长500μm，宽10μm。

3.根据权利要求1所述的一种基于硅基氮化物的可变光分布器件，其特征在于，所述的静电MEMS微执行器，在施加电压为100V时的位移可达50μm。

4.根据权利要求1所述的一种基于硅基氮化物的可变光分布器件，其特征在于，所述的Si基衬底(4)平台尺寸为2mm×2mm，静电MEMS微执行器(60)尺寸为4mm×4mm。

5.根据权利要求1所述的一种基于硅基氮化物的可变光分布器件，其特征在于，所述的透镜(1)尺寸R＝396.7μm，f＝833.6μm。

6.根据权利要求1所述的一种基于硅基氮化物的可变光分布器件，其特征在于，所述的每个弹簧(5)的尺寸为：长500μm，宽10μm。

7.一种基于硅基氮化物的可变光分布器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、在Si晶片表面生长GaN薄膜；

第二步、生长出量子阱GaN；

第三步，通过PL光致发光法对量子阱GaN进行性能测量；

第四步，利用分子束外延在GaN薄膜上生长出P-GaN、N-GaN；

第五步，在GaN基LED光源上对EL电极进行加工；

第六步，利用MOCVD化学气相沉积技术生成GaN基LED光源模板；

第七步，通过深层反应蚀刻方法对Si衬底进行蚀刻，得到梳状驱动器；

第八步，通过光刻胶光刻和深层反应刻蚀方法制备透镜阵列；

第九步，在300V电压和400℃的环境下通过阳极键合技术对上述整个系统进行封装。