CN107195690A - 基于p‑n结量子阱二极管器件的全双工通信芯片及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于p‑n结量子阱二极管器件的全双工通信芯片及制备方法，利用各向异性硅刻蚀技术，剥离硅衬底层，得到基于悬空氮化物薄膜p‑n结量子阱二极管器件的全双工通信芯片，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，两个p‑n结量子阱器件都可以同时作为光源和探测器，中间通过悬空的氮化镓波导实现光耦合。由于两个p‑n结量子阱器件材料和结构相同，且氮化镓材料有既可发光也可探测光的特性，在电注入时，基于能够同时发光并探测外部入射光的物理机制，就能够实现同时同频全双工通信。最终，基于发光材料、感光材料和波导材料的一致性，本发明提出的全双工通信芯片可以单片集成在微米级别的硅衬底上。
Description
技术领域
本发明属于信息材料与可见光通信领域，涉及一种p-n结量子阱二极管器件的全双工通信芯片及其制备技术。
背景技术
GaN材料具有良好的光电效应，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。研究表明GaN材料具有发光、导光以及探测光等多种特性，可以利用光子集成技术可以将GaN材料制成的光源、波导和探测器集成于一体。这为发展微纳可见光通信、光子互联及光学微电子器件提供了新的方向。
发明内容
技术问题：本发明提供一种单片集成，能够实现同时同频全双工通信的基于p-n结量子阱二极管器件的全双工通信芯片，同时提供一种该全双工通信芯片的制备方法。
技术方案：本发明的基于p-n结量子阱二极管器件的全双工通信芯片，以硅基氮化物晶片为载体，包括从下至上依次设置的硅衬底层、外延缓冲层、纯GaN层、并排设置在所述纯GaN层上方的两个悬空p-n结量子阱器件，所述p-n结量子阱器件包括从下至上依次设置的n-GaN层、InGaN/GaN多量子阱、p-GaN层，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上台面，所述下台面上设置有n-电极，所述上台面与InGaN/GaN多量子阱的底面相连接，每个悬空p-n结量子阱器件的p-GaN层上方都设置有一个p电极，所述硅衬底层、外延缓冲层、纯GaN层和n-GaN层的下表面经过背后衬底层剥离和氮化物减薄后获得悬空薄膜区，所述两个悬空p-n结量子阱器件均位于悬空薄膜区上方。
进一步的，本发明中，p电极包括依次连接的悬空p电极区、p-电极导电区和p-电极引线区，两个p电极的悬空p电极区之间由隔离槽分割开，所述n-电极包括依次连接的悬空n电极区、n-电极导电区和n-电极引线区。
进一步的，本发明中，两个悬空p-n结量子阱器件的p电极以隔离槽为中心对称设置，两个p-n结量子阱器件材料和结构完全相同，两个n-电极也以隔离槽为中心对称设置。
本发明的制备上述基于p-n结量子阱二极管器件的全双工通信芯片的方法，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结量子阱器件的悬空薄膜区的背后刻蚀窗口；
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，形成一个空腔；
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、纯GaN层和n-GaN层进行氮化物减薄处理，使得悬空区域进一步减薄；
步骤(8)去除残余光刻胶，获得基于悬空p-n结量子阱的全双工通信芯片。
进一步的，本发明方法中，两个p-n结量子阱器件材料和结构完全相同。
进一步的，本发明方法中，步骤(4)中实现的p-电极包括依次连接的悬空p电极区、p-电极导电区和p-电极引线区，两个p电极的悬空p电极区之间由隔离槽分割开，实现的n-电极包括依次连接的悬空n电极区、n-电极导电区和n-电极引线区。
本发明中两个p-n结量子阱器件材料和结构完全相同，且悬空波导结构也使用了相同的GaN材料。根据GaN材料本身的特性，两个p-n结量子阱二极管器件既可以发光也可以探测光信号，且光信号的耦合发生在所述悬空波导内。根据研究表明，对于单个p-n结量子阱器件发光和探测光两个过程是可以同时进行的。
本发明提出了利用两个相同材料和结构的p-n结量子阱器件和悬空波导就可以完成全双工通信的整个过程，具有如下特点：
(1)完成全双工通信时不需要上下链路分频，频谱利用率提高了两倍。
(2)完成全双工通信时不需要使用时分复用技术，缩短了一半的通信时间。
(3)全双工通信的上下链路只需要一对p-n结量子阱器件，减少了一半的设备使用率。
本发明中，两个p-n结量子阱都可以同时作为光源和探测器，中间通过悬空的氮化镓波导实现光耦合。由于两个p-n结量子阱材料和结构相同，且GaN材料既能发光也能探测光，所以左右两个p-n结量子阱二极管器件在作为光源发光的同时亦可探测光信号。基于发光材料、感光材料和波导材料的一致性，本发明提出的全双工通信芯片可以单片集成在微米级别内。
本发明中，两个p-n结量子阱二极管器件既可以发光也可以探测光信号，且光信号的耦合发生在所述悬空波导内。
本发明中，利用两个相同材料和结构的p-n结量子阱器件和悬空波导就可以完成全双工通信过程；完成全双工通信时不需要上下链路分频，将频谱利用率提高了两倍。完成全双工通信时不需要使用时分复用技术，缩短了一半的通信时间；全双工通信的上下链路只需要一对p-n结量子阱器件就可以完成，减少了一半的设备使用率。
本发明中，对于单个p-n结量子阱器件发光和探测光两个过程是可以同时进行的。
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p-n结量子阱二极管器件的全双工通信芯片，相较于将下链路隔离实现双向传输的全双工通信系统，利用GaN基p-n结量子阱二极管器件具有同时发光、传导光信号以及探测光信号的特性，将光源、光波导和光电探测器集成于相同的GaN材料上，由于光源和光电探测器的结构完全一致，所以光源也可以用作探测器，探测器亦可以用作光源，因此在实现双工通信时不需要上下链路隔离，只需要一对器件就可以完成，从而节省一半的设备资源损耗。
本发明的基于p-n结量子阱的全双工通信芯片，相较于现有全双工通信系统采用频分复用或波分复用等技术实现单信道全双工，基于单个GaN基p-n结量子阱二极管器件发光和探测光可以同时进行的特性，将单个p-n结量子阱二极管器件进行收发两用且可同时进行，因此可以实现单一信道不采用频分复用或波分复用等技术实现全双工通信，从而节省一半的频谱和光谱资源。
本发明的基于p-n结量子阱的全双工通信芯片，相较于其他单一信道采用时分复用技术实现全双工通信，利用可见光信号的准直特性以及光信号和电信号间无干扰等特性，将上下链路的光信号置于同一根波导内传输，无需为双向信号设置时间间隙以防止干扰，从而节省一半的通信时间。
附图说明
图1是本发明基于p-n结量子阱二极管器件的全双工通信芯片结构示意图。
图2是本发明基于p-n结量子阱二极管器件的全双工通信芯片俯视图。
图3是本发明基于p-n结量子阱二极管器件的全双工通信芯片的制造流程图。
图中有：1－硅衬底层；2－外延缓冲层；3－纯GaN层；4－n-GaN；5－n-电极；6－InGaN/GaN多量子阱；7－p-GaN层；8－p-电极；9－悬空薄膜区；10－悬空p-电极区；11－p-电极导电区；12－p-电极引线区；13－悬空波导；14－隔离槽；15－悬空n-电极区；16－n-电极导电区；17－n-电极引线区。
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p-n结量子阱二极管器件的全双工通信芯片的结构示意图。该芯片以硅基氮化物晶片为载体，从下至上的结构依次为硅衬底层1、设外延缓冲层2、纯GaN层3、两个悬空p-n结量子阱器件；所述p-n结量子阱器件包括从下至上依次为n-GaN层4、InGaN/GaN多量子阱6和p-GaN层7，p-电极8。在所述n-GaN层4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上台面，所述n-电极5设置在下台面，所述上台面与InGaN/GaN多量子阱6的底面相连接；在所述n-GaN层4经过背后衬底层1剥离，减薄后获得所述悬空薄膜区9。所述悬空薄膜区9包括悬空p电极区10、悬空波导13和悬空n电极区15，所述悬空波导13中间是用于隔离两个p区的隔离槽14。所述p-电极8由依次连接的悬空p-电极区10、p-电极导电区11和p-电极引线区12组成；所述n-电极5由依次连接的悬空n电极区15、n-电极导电区16和n-电极引线区17组成；
如图2所示，为了达到更好的电学隔离效果，两个p-n结量子阱器件是以悬空波导13中间的隔离槽14为中心对称的，使得两个量子阱器件的p区和p区间有足够的隔离间距，且波导中间添加隔离槽14的目的也是为了充分隔离p区，以防止两个p区间电学导通。所述中心对称的两个p-n结量子阱器件不仅结构一致，材料和特性也是完全一致的，这不仅大大降低了芯片单片集成的难度，也为单个量子阱器件进行收发共用提供了可能性，这也是本发明可以实现单信道全双工通信的器件基础。
图3是本发明基于p-n结量子阱二极管器件的全双工通信芯片的制备工艺流程图，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；
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p-电极窗口区域、位于下台面的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8与n-电极5，去除残余光刻胶后，即得到全双工通信芯片的电极；
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薄膜区9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，形成一个空腔；
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、纯GaN层3和n-GaN层4进行氮化物减薄处理；
12)去除残余光刻胶，即获得基于p-n结量子阱二极管器件的全双工通信芯片。
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 (6)
1.一种基于p-n结量子阱二极管器件的全双工通信芯片，其特征在于，该芯片以硅基氮化物晶片为载体，包括从下往上依次设置的硅衬底层(1)、外延缓冲层(2)、纯GaN层(3)、并排设置在所述纯GaN层(3)上方的两个悬空p-n结量子阱器件，所述p-n结量子阱器件包括从下至上依次设置的n-GaN层(4)、InGaN/GaN多量子阱(6)、p-GaN层(7)，在所述n-GaN层(4)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上台面，所述下台面上设置有n-电极(5)，所述上台面与InGaN/GaN多量子阱(6)的底面相连接，每个悬空p-n结量子阱器件的p-GaN层(7)上方都设置有一个p电极(8)，所述硅衬底层(1)、外延缓冲层(2)、纯GaN层(3)和n-GaN层(4)的下表面经过背后衬底层(1)剥离和氮化物减薄后获得悬空薄膜区(9)，所述两个悬空p-n结量子阱器件均位于悬空薄膜区(9)上方。
2.根据权利要求1所述的基于p-n结量子阱二极管器件的全双工通信芯片，其特征在于，所述p电极(8)包括依次连接的悬空p电极区(10)、p-电极导电区(11)和p-电极引线区(12)，两个p电极(8)的悬空p电极区(10)之间由隔离槽(14)分割开，所述n-电极(5)包括依次连接的悬空n电极区(15)、n-电极导电区(16)和n-电极引线区(17)。
3.根据权利要求2所述的基于p-n结量子阱二极管器件的全双工通信芯片，其特征在于，所述的两个悬空p-n结量子阱器件的p电极(8)以隔离槽(14)为中心对称设置，两个p-n结量子阱器件材料和二极管器件完全相同，两个n-电极(5)也以隔离槽(14)为中心对称设置。
4.一种制备权利要求1、2或3所述基于p-n结量子阱二极管器件的全双工通信芯片的方法，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(8)与n-电极(5)，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(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结量子阱器件的悬空薄膜区(9)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，形成一个空腔；
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)、纯GaN层(3)和n-GaN层(4)进行氮化物减薄处理，使得悬空区域进一步减薄；
步骤(8)去除残余光刻胶，获得基于p-n结量子阱二极管器件的全双工通信芯片。
5.根据权利要求4所述的方法制备出的基于p-n结量子阱二极管器件的全双工通信芯片，其特征在于，两个p-n结量子阱器件材料和结构完全相同。
6.根据权利要求4或5所述的基于p-n结量子阱二极管器件的全双工通信芯片，其特征在于，所述步骤(4)中实现的p-电极(8)包括依次连接的悬空p电极区(10)、p-电极导电区(11)和p-电极引线区(12)，两个p电极(8)的悬空p电极区(10)之间由隔离槽(14)分割开，实现的n-电极(5)包括依次连接的悬空n电极区(15)、n-电极导电区(16)和n-电极引线区(17)。
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