CN109524516B - 基于机械剥离的可转移逻辑芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于机械剥离的可转移逻辑芯片及其制备方法，该逻辑芯片包括多对p‑n结量子阱，以及连接p‑n结量子阱之间的悬空GaN波导。该多对p‑n结量子阱之间能实现逻辑与运算和逻辑或运算。该p‑n结量子阱既可以对外发送光信号，也可探测空间中的光信号，并且可即在发光的同时也能探测空间中的光信号，实现全双工通信。本发明采用传统的半导体加工工艺首次实现了可转移的逻辑薄膜芯片，该器件剥离后，转移到柔性载体上，可用于通信、照明、智能显示、逻辑运算以及传感等领域。
Description
技术领域
本发明属于信息材料与器件领域，涉及一种可转移逻辑芯片及其制备技术。
背景技术
目前就InGaN/GaN多量子阱材料而言，转移的方法主要有：激光剥离、机械剥离和化学腐蚀三种。激光剥离是利用激光直接将LED晶圆的衬底去除后，将LED转移至其它衬底，这种方法使用方便、简单，常用于蓝宝石衬底，但易造成LED损伤，影响其阈值电压和出光效率。化学腐蚀首先需要在初始衬底上生长一层易于剥离的牺牲层，在牺牲层上生长LED结构，在外力的作用下通过易剥离的牺牲层将LED结构转移，这种方法能减少对LED结构的损伤，提升LED的性能。牺牲层的生长有多种形式，第一种是在初始衬底上直接生长；第二种是在原有衬底的基础上，先生长出缓冲层，通过使用化学腐蚀的方法，形成牺牲层结构。牺牲层的使用固然能解决衬底转移，但是其生长过程复杂，与传统工艺兼容性差，不能实现器件的量产。机械剥离是直接使用机械研磨切消除去LED晶圆的衬底，将LED转移至其它衬底上，工艺简单，转移成功率较高。
光子逻辑芯片具有明显的速度优势，以光速进行的高速计算，就可以制成光学数字信息处理器，可使传统电子芯片的运算速度得到巨大提升。由于传输所造成的信息畸变和失真极小，光器件的开关速度比电子器件快得多，因此光计算机的运算速度在理论上可达每秒千亿次以上，其信息处理速度比电子计算机要快数百万倍。
可见光通信器件采用光子传输信息，将通信频谱资源拓展到可见光领域。同时，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：本发明提供一种基于机械剥离的可转移逻辑芯片，只需要通过机械外力施压就可以从晶元中剥离出芯片，转移到其他柔性衬底上，实现可穿戴。该芯片在转移后仍保持完整结构，逻辑处理、通信性能完好，同时本发明提供一种该芯片的制备方法。
技术方案：本发明的基于机械剥离的可转移逻辑芯片，以硅衬底GaN基 InGaN/GaN多量子阱晶元为载体，包括硅衬底层、设置在所述硅衬底层上的外延缓冲层、设置在所述外延缓冲层上的n-GaN层、设置在所述n-GaN层上的可转移器件，所述n-GaN层下方设置有贯穿硅衬底层、外延缓冲层至n-GaN层中的空腔，使得可转移器件悬空；n-GaN层上设置有与下方空腔连通的隔离槽，所述隔离槽将n-GaN层分割为悬空薄膜区和边缘部分，并通过隔离槽中设置的n-GaN臂将悬空薄膜区与边缘部分连接，可转移器件由悬空薄膜区和设置在悬空薄膜区上的多个依次连接的p-n结量子阱对构成，在所述悬空薄膜区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位于下台面上的上台面，所述p-n结量子阱对包括两个相对设置的p-n结量子阱器件，每个p-n结量子阱器件均包括设置在下台面上的n-电极、从下至上依次连接设置在所述上台面上的InGaN/GaN多量子阱、p-GaN层、p-电极；所述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；所述n-电极为两个，分别设置在p-电极两侧，均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，相邻两个p-n结量子阱对之间，以及p-n结量子阱对中相对设置的两个p-n结量子阱器件之间均通过悬空波导连接。
进一步的，本发明芯片中，n-GaN臂上设置有微孔。
进一步的，本发明芯片中，所述p-电极中的悬空p-电极区、p-电极导电区和p- 电极引线区连成一条直线，p-电极两侧的n-电极，以悬空p-电极区、p-电极导电区和 p-电极引线区连成的直线为轴心对称设置，多个p-n结量子阱对的材料和结构相同。
进一步的，本发明芯片中，所述的多个p-n结量子阱对之间实现逻辑与计算和逻辑或运算。
本发明的制备基于机械剥离的可转移逻辑芯片的方法，包括以下步骤：
步骤(1)对硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元的硅衬底层进行清洁后减薄抛光处理；
步骤(2)在硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元上表面均匀涂上一层光刻胶；
步骤(3)采用曝光技术在光刻胶层上定义出每个p-n结量子阱器件的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(4)采用反应离子束刻蚀n-GaN台阶区域，得到阶梯状台面；
步骤(5)去除残余光刻胶，得到阶梯状台面；
步骤(6)在硅基氮化物晶片上表面均匀涂上一层光刻胶，光刻定义出可转移逻辑芯片上每个p-n结量子阱器件的位于上台面的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，去除残余光刻胶后，实现p-电极和n-电极，在氮气氛围中退火，形成欧姆接触，即得到可转移逻辑芯片的电极；
步骤(7)采用曝光技术在光刻胶层上定义出波导区域，然后刻蚀出p-n结量子阱对之间连接的波导；
步骤(8)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。在硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元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设置有n-GaN臂的隔离槽区域；
步骤(9)利用背后对准技术，定义出一个对准并覆盖可转移逻辑芯片中悬空薄膜区9的背后刻蚀窗口；
步骤(10)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(11)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，形成悬空薄膜；
步骤(12)去除残余光刻胶，即获得基于p-n结量子阱的可转移逻辑芯片。
进一步的，本发明方法中，步骤(6)中的在氮气氛围中的退火需时5分钟。
本发明通过曝光技术和氮化物刻蚀工艺，将LED器件转移到顶层氮化物器件层，并且在周围形成隔离槽和n-GaN臂。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，获得可转移逻辑芯片。
本发明中，经过转移的LED器件既可作为LED光源，又可作为光电探测器，同时，实现一对p-n结量子阱器件之间的全双工通信。
本发明中，利用相同材料和结构的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。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明的基于机械剥离的可转移逻辑芯片，有别于传统的全双工通信，不需要上下链路分频，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，减少了一半的设备使用率。
本发明的基于机械剥离的可转移逻辑芯片，有别于传统的半导体工艺，能够实现尺寸在微米量级的器件的转移，适用于量产，拓宽了器件的应用领域。
本发明的基于机械剥离的可转移逻辑芯片，相对已有的可转移器件在剥离后难以转移到其他衬底材料上的缺点，可以转移到包括柔性衬底在内的各种衬底上，实现柔性可穿戴。
本发明的基于机械剥离的可转移逻辑芯片，有别于传统的LED器件，除了具有能照明、通信等功能，还可以实现逻辑运算，主要是逻辑与运算和逻辑或运算。
附图说明
图1是本发明基于机械剥离的可转移逻辑芯片的结构示意图。
图2是本发明基于机械剥离的可转移逻辑芯片的俯视图。
图3是本发明基于机械剥离的可转移逻辑芯片的制造流程图。
图中有：1-硅衬底层；2-外延缓冲层；3-纯n-GaN；4-n-GaN臂；5-InGaN/GaN 多量子阱；6-p-GaN层；7-p-电极；8-n-电极；9-悬空薄膜区；10-悬空n-电极区；11-n-电极导电区；12-n-电极引线区；13-悬空波导；14-分隔区；15-悬空 p-电极区；16-p-电极导电区；17-p-电极引线区；18-隔离槽。
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给出了本发明基于机械剥离的微米级可转移逻辑芯片的前视图和俯视图。
该芯片以硅衬底氮化物为载体，包括硅衬底层1上的外延缓冲层2、设置在所述外延缓冲层2上的n-GaN层3、设置在所述n-GaN层3上的多对悬空p-n结量子阱器件和悬空波导；所述p-n结量子阱器件包括从下至上依次为n-GaN层3上的n-电极8、 InGaN/GaN多量子阱5和设置在所述InGaN/GaN多量子阱5上的p-GaN层6，p-电极7。所述n-GaN层3下方设置有贯穿硅衬底层1、外延缓冲层2至n-GaN层3中的空腔，使得p-n结量子阱器件悬空；n-GaN层3上设置p-n结量子阱器件的区域与边缘之间设置有隔离槽，并通过隔离槽中设置的n-GaN臂将该区域与边缘连接，在所述 n-GaN层3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位于下台面上的上台面，所述InGaN/GaN多量子阱5、p-GaN层6、p-电极7从下至上依次连接设置在上台面上，所述n-电极8设置在下台面上；在所述n-GaN层3经过背后衬底层1剥离，减薄后获得悬空薄膜区9。所述悬空薄膜区9包括悬空p-电极区15、悬空波导13和悬空n-电极区10，所述悬空波导13中间是用于隔离两个p区的分隔区14。所述p-电极7由依次连接的悬空p-电极区15、p-电极导电区16和p-电极引线区17 组成；所述n-电极8由依次连接的悬空n-电极区10、n-电极导电区11和n-电极引线区12组成；
进一步的，本发明所述多对p-n结量子阱器件在硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元的氮化物层上实现，且周围刻有隔离槽，通过n-GaN臂固定于氮化物层上。
本发明所述的可转移的一对p-n结量子阱器件的尺寸可达到微米量级。
本发明所述的n-GaN臂在施加机械外力致断后，可多对p-n结量子阱器件剥离下来而不会影响多对p-n结量子阱器件的完整性。
本发明的基于机械剥离的可转移逻辑芯片，剥离下来的多对p-n结量子阱器件之间可以实现逻辑与运算和逻辑或运算。p-n结量子阱器件之间通过波导传输的信号的大小判决亮与灭。当两个p-n结量子阱器件都亮起时，传输到另一个p-n结量子阱的叠加信号大于了判决信号的大小，这时该p-n结量子阱就点亮，一旦两个p-n结量子阱有一个不亮，另一个p-n结量子阱就无法点亮，实现了逻辑与运算。通过调节p-n 结的大小，当两个p-n结量子阱器件中任意一个传输信号时，另一个p-n结量子阱接收的信号大于等于判决信号，此时该p-n结量子阱点亮，实现逻辑或运算。
本发明的基于机械剥离的可转移逻辑芯片，剥离下来的多对p-n结量子阱器件，具备可转移性以及信号的接收和传输能力，实现一对p-n结量子阱器件间的全双工通信。为了达到更好的电学隔离效果，多对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。所述中心对称的多对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，这不仅大大降低了器件单片集成的难度，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。
本发明的制备上述基于机械剥离的可转移逻辑芯片的方法，包括以下步骤：
步骤(1)对硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元的硅衬底层(1)进行清洁后减薄抛光处理；
步骤(2)在硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元上表面均匀涂上一层光刻胶；
步骤(3)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(4)采用反应离子束刻蚀n-GaN台阶区域，得到阶梯状台面；
步骤(5)去除残余光刻胶，得到阶梯状台面；
步骤(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7 与n-电极8 ，去除残余光刻胶后，即得到全双工通信器件的电极；
步骤(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；
步骤(8)在硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元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设置有n-GaN臂的隔离槽区域；
步骤(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；
步骤(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；
步骤(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臂 4进行氮化物减薄处理，形成悬空薄膜；
步骤(12)去除残余光刻胶，即获得基于p-n结量子阱的可转移逻辑芯片。
Claims (5)
1.一种基于机械剥离的可转移逻辑芯片，其特征在于，该芯片以硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元为载体，包括硅衬底层(1)、设置在所述硅衬底层(1)上的外延缓冲层(2)、设置在所述外延缓冲层(2)上的n-GaN层(3)、设置在所述n-GaN层(3)上的可转移器件，所述n-GaN层(3)下方设置有贯穿硅衬底层(1)、外延缓冲层(2)至n-GaN层(3)中的空腔，使得可转移器件悬空；n-GaN层(3)上设置有与下方空腔连通的隔离槽(18)，所述隔离槽(18)将n-GaN层(3)分割为悬空薄膜区(9)和边缘部分，并通过隔离槽(18)中设置的n-GaN臂(4)将悬空薄膜区(9)与边缘部分连接，可转移器件由悬空薄膜区(9)和设置在悬空薄膜区(9)上的多个依次连接的p-n结量子阱对构成，在所述悬空薄膜区(9)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位于下台面上的上台面，所述p-n结量子阱对包括两个相对设置的p-n结量子阱器件，每个p-n结量子阱器件均包括设置在下台面上的n-电极(8)、从下至上依次连接设置在所述上台面上的InGaN/GaN多量子阱(5)、p-GaN层(6)、p-电极(7)；所述p-电极(7)包括依次连接的悬空p-电极区(15)、p-电极导电区(16)和p-电极引线区(17)；所述n-电极(8)为两个，分别设置在p-电极(7)两侧，均包括依次连接的悬空n-电极区(10)、n-电极导电区(11)和n-电极引线区(12)，相邻两个p-n结量子阱对之间，以及p-n结量子阱对中相对设置的两个p-n结量子阱器件之间均通过悬空波导连接，所述的多个p-n结量子阱对之间实现逻辑与计算和逻辑或运算。
2.根据权利要求1所述的基于机械剥离的可转移逻辑芯片，其特征在于，所述n-GaN臂(4)上设置有微孔。
3.根据权利要求1所述的基于机械剥离的可转移逻辑芯片，其特征在于，所述p-电极(7)中的悬空p-电极区(15)、p-电极导电区(16)和p-电极引线区(17)连成一条直线，p-电极(7)两侧的n-电极(8)，以悬空p-电极区(15)、p-电极导电区(16)和p-电极引线区(17)连成的直线为轴心对称设置，多个p-n结量子阱对的材料和结构相同。
4.一种制备基于机械剥离的可转移逻辑芯片的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤(1)对硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元的硅衬底层(1)进行清洁后减薄抛光处理；
步骤(2)在硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元上表面均匀涂上一层光刻胶；
步骤(3)采用曝光技术在光刻胶层上定义出每个p-n结量子阱器件的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(4)采用反应离子束刻蚀n-GaN台阶区域，得到阶梯状台面；
步骤(5)去除残余光刻胶，得到阶梯状台面；
步骤(6)在硅基氮化物晶片上表面均匀涂上一层光刻胶，光刻定义出可转移逻辑芯片上每个p-n结量子阱器件的位于上台面的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，去除残余光刻胶后，实现p-电极(7)和n-电极(8)，在氮气氛围中退火，形成欧姆接触，即得到可转移逻辑芯片的电极；
步骤(7)采用曝光技术在光刻胶层上定义出波导区域，然后刻蚀出p-n结量子阱对之间连接的波导；
步骤(8)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，在硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元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设置有n-GaN臂的隔离槽区域；
步骤(9)利用背后对准技术，定义出一个对准并覆盖可转移逻辑芯片中悬空薄膜区9的背后刻蚀窗口；
步骤(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；
步骤(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臂 4进行氮化物减薄处理，形成悬空薄膜；
步骤(12)去除残余光刻胶，即获得基于p-n结量子阱的可转移逻辑芯片。
5.根据权利要求4所述的制备基于机械剥离的可转移逻辑芯片的方法，其特征在于，所述步骤(6)中的在氮气氛围中的退火需时5分钟。
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