CN109545867A - 悬空p-n结量子阱基串联阵列能量系统及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种悬空p‑n结量子阱基串联阵列能量系统及制备方法，该系统实现载体为硅基氮化物晶片，利用背后深硅刻蚀技术，剥离去除器件结构下的硅衬底层，获得悬空p‑n结量子阱器件；使用SiO2层做隔离层，将多个器件以串联阵列形式集成。本发明将多个器件以串联阵列的形式集成在同一芯片上，在芯片内部以蒸镀金属层将电极串联，可实现微观级别的器件串联。将悬空p‑n结量子阱器件作为光电探测器，可将光能转化为电能，作为可再生能源的一种，同时器件串联的形式可大大提高能量转换速率。可将悬空p‑n结量子阱器件作为LED光源，将转化的能量供给自身点亮，实现能源的自给自足。
Description
技术领域
本发明属于信息材料与器件领域，涉及一种悬空p-n结量子阱基串联阵列能量系统及制备方法。
背景技术
LED即发光二极管，是一种将电能转化为光能的电子器件；光电探测器即光电二极管，能够把光信号转化为电信号；二者核心部分均为PN结。
氮化物材料特别是GaN材料，具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好，是一种理想的短波长发光器件材料。生长在高阻硅衬底上的氮化物材料，利用深硅刻蚀技术能够解决硅衬底与氮化物材料的剥离问题，实现悬空直至超薄的厚度可控的氮化物薄膜器件；利用氮化物与空气较大的折射率差异，可以实现高光场限制作用的光波导器件；去除硅衬底，降低吸收损耗，悬空p-n结量子阱器件的发光强度增强，不论是作为LED光源还是光电探测器，性能将进一步提升。因此，基于硅衬底氮化物材料发展单片高度集成的平面光子集成系统成为一种可能，为发展面向光通信、光传感的氮化物光子及光学微机电器件奠定了基础。
发明内容
技术问题：本发明提供了一种实现微观级别的器件串联，可大大提高能量转换效率，实现能源自给自足的悬空p-n结量子阱基串联阵列能量系统。本发明同时提供了一种制备该系统的方法。
技术方案：本发明的悬空p-n结量子阱基串联阵列能量系统，以硅基氮化物晶片为载体，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u-GaN层、设置在u-GaN层上的多个p-n结量子阱器件，所述p-n结量子阱器件包括设置有阶梯状台面的n-GaN层、在所述阶梯状台面的上台面从下至上依次设置的InGaN/GaN量子阱层、p-GaN层和p-电极、设置在所述阶梯状台面的下台面上的n-电极，在两相邻的p-n结量子阱器件之间设置有刻蚀至u-GaN层的凹槽，p-n结量子阱器件的n-电极与其相邻p-n结量子阱器件的p-电极之间通过金属层连接，所述金属层下设置有将其与InGaN/GaN量子阱、n-GaN层、u-GaN层、p-GaN层隔离的SiO2层。
进一步的，本发明的悬空p-n结量子阱基串联阵列能量系统中，多个p-n结量子阱器件通过金属层以串联形式相连。
进一步的，本发明的悬空p-n结量子阱基串联阵列能量系统中，所述p-电极和n-电极均为Ni/Au电极，即沉积的金属材料为Ni/Au。
进一步的，本发明的悬空p-n结量子阱基串联阵列能量系统中，经过两次反应离子束刻蚀到u-GaN层，生成的n-GaN下台面、u-GaN层凹槽，将两个器件的p-GaN层、量子阱、n-GaN层隔开。
进一步的，本发明的悬空p-n结量子阱基串联阵列能量系统中，在n-GaN层、u-GaN层和p-GaN层的一部分上覆盖一层SiO2层，作为隔离层。
本发明的制备上述的悬空p-n结量子阱基串联阵列能量系统的制备方法，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，采用光刻对准技术在光刻胶层上定义出所需的第一n-GaN图形区域；
步骤(3)刻蚀第一n-GaN图形区域；去除残余光刻胶，得到阶梯状台面、位于上台面的p-n结量子阱器件的InGaN/GaN量子阱层和p-GaN层；
步骤(4)在硅基氮化物晶片上表面均匀涂上一层光刻胶，采用光刻对准技术定义出位于p-GaN层上的p-电极窗口区域、位于n-GaN层下台面的n-电极窗口区域；
步骤(5)在所述p-电极窗口区域与n-电极窗口区域分别蒸镀一层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(6)在硅基氮化物晶片上表面均匀涂上一层光刻胶，采用光刻对准技术在光刻胶层上定义出第二n-GaN图形区域，所述的第二n-GaN图形区域位于第一n-GaN图形区域内，介于n-电极与相邻p-n结量子阱器件的p-电极之间；
步骤(7)刻蚀第二n-GaN图形区域；去除残余光刻胶，在n-GaN层上形成位于p-电极和n-电极之间的凹陷区域；
步骤(8)在硅基氮化物晶片上表面均匀涂上一层光刻胶，采用光刻对准技术在光刻胶层上定义出位于所述凹陷区域中的u-GaN层图形区域；
步骤(9)从n-GaN层刻蚀到u-GaN层，去除残余光刻胶，得到凹槽和位于凹槽下方的u-GaN层；
步骤(10)在硅基氮化物晶片上表面沉积一层连续的SiO2层；
步骤(11)在硅基氮化物晶片上表面均匀涂上一层光刻胶，采用光刻对准技术对准位于n-电极层的第一n-GaN图形区域、第二n-GaN图形区域、u-GaN层图形区域和p-电极区的p-GaN层图形区域；
步骤(12)使用BOE溶液湿法腐蚀掉多余的SiO2；
步骤(13)在硅基氮化物晶片上表面均匀涂上一层光刻胶，采用光刻对准技术对准n-电极窗口区域、第一n-GaN图形区域、第二n-GaN图形区域、u-GaN层图形区域、p-电极窗口图形区域；
步骤(14)在所述n-电极窗口区域、第一n-GaN层图形区域、第二n-GaN层图形区域、u-GaN层图形区域、p-电极窗口区域蒸镀一层连续的Ni/Au，以连接p-电极和n-电极；
步骤(15)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，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(16)去除残余光刻胶后，即得到悬空p-n结量子阱器件和串联器件集成阵列，p-电极和n-电极相连，各器件以串联形式相连。
进一步的，本发明的悬空p-n结量子阱基串联阵列能量系统的制备方法中，所述步骤(5)、步骤(14)中的蒸镀Ni/Au，采用剥离工艺和温度控制在5005℃的氮气退火技术实现。
进一步的，本发明的悬空p-n结量子阱基串联阵列能量系统的制备方法中，所述步骤(3)、步骤(7)、步骤(9)中的刻蚀为离子束轰击或反应离子束刻蚀技术。
进一步的，本发明的悬空p-n结量子阱基串联阵列能量系统的制备方法中，所述步骤(10)中，使用等离子体增强化学的气相沉积法沉积一层SiO2层。
进一步的，本发明的悬空p-n结量子阱基串联阵列能量系统的制备方法中，所述步骤(3)、步骤(7)中，通过多次刻蚀到u-GaN层将各个器件隔离，在所述步骤(10)、步骤(14)中，随后沉积的连续的SiO2层、金属层将各个器件的n-电极和p-电极串联。
本发明将多个器件以串联阵列的形式集成在同一芯片上，在芯片内部以将电极串联，可实现微观级别的器件串联。将悬空p-n结量子阱器件作为光电探测器，可将光能转化为电能，作为可再生能源的一种，同时器件串联的形式可大大提高能量转换效率。将悬空p-n结量子阱器件作为LED光源，将转化的能量供给自身点亮，实现能源的自给自足。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明的悬空p-n结量子阱基串联阵列能量系统及制备方法可实现多种功能：
1、实现了微观级别的器件串联，将多个器件以串联形式集成在同一芯片内，实现器件的阵列排布；
2、集成系统芯片可将光能转化为电能，可作为可再生新能源大规模生产，解决能源再生问题；
3、此集成系统芯片可在高温等严苛条件下运行，能够解决严苛条件下的能源再生问题。
附图说明
图1是本发明硅衬底悬空p-n结量子阱基串联阵列能量系统结构示意图。
图2是本发明硅衬底悬空p-n结量子阱基串联阵列能量系统的俯视图。
图3是本发明硅衬底悬空p-n结量子阱基串联阵列能量系统的工艺流程图。
图中有：1-硅衬底层；2-外延缓冲层；3-u-GaN层；4-n-GaN层；5-InGaN/GaN量子阱；6-SiO2层；7-n-电极；8-p-GaN层；9-p-电极；10-金属层。
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。
图1给出了本发明的硅衬底悬空p-n结量子阱基串联阵列能量系统的结构示意图。图2给出了本发明的硅衬底悬空p-n结量子阱基串联阵列能量系统的俯视图，图中n-电极7、n-GaN层4、u-GaN层3、p-电极9上覆盖有一层金属层10，将上一个器件的n-电极7和下一个器件的p-电极9以串联形式相连。该集成系统以硅基氮化物晶片为载体，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u-GaN层3、设置在u-GaN层3上的多个p-n结量子阱器件，所述p-n结量子阱器件包括设置有阶梯状台面的n-GaN层4、在所述阶梯状台面的上台面从下至上依次设置的InGaN/GaN量子阱层5、p-GaN层8和p-电极9、设置在所述阶梯状台面的下台面上的n-电极7，在两相邻的p-n结量子阱器件之间设置有刻蚀至u-GaN层3的凹槽，p-n结量子阱器件的n-电极7与其相邻p-n结量子阱器件的p-电极9之间通过金属层10连接，所述金属层10下设置有将其与InGaN/GaN量子阱5、n-GaN层4、u-GaN层3、p-GaN层8隔离的SiO2层6。多个p-n结量子阱器件通过金属层10以串联形式相连。在芯片上将多个量子阱器件以微观阵列形式串联相连，可大大增加量子阱器件的数目，从而增加能量转化速率。
图3给出了本发明的硅衬底悬空p-n结量子阱基串联阵列能量系统的制备方法流程，本发明方法的一种实施例包括以下步骤：
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，采用光刻对准技术在光刻胶层上定义出第一n-GaN图形区域；
步骤(3)采用反应离子束刻蚀第一n-GaN图形区域；去除残余光刻胶，得到阶梯状台面、位于上台面的p-n结量子阱器件的InGaN/GaN量子阱层5和p-GaN层8；
步骤(4)在硅基氮化物晶片上表面均匀涂上一层光刻胶，采用光刻对准技术定义出p-n结量子阱器件位于p-GaN层8上的两个p-电极窗口区域、位于n-GaN层4下台面的n-电极窗口区域，其中两个p-电极窗口区域位于第一n-GaN图形区域两侧；
步骤(5)在所述p-电极窗口区域与n-电极窗口区域分别蒸镀一层Ni/Au，形成欧姆接触，实现p-电极9与n-电极7，去除残余光刻胶后，即得到p-n结量子阱器件；
步骤(6)在硅基氮化物晶片上表面均匀涂上一层光刻胶，采用光刻对准技术在光刻胶层上定义出第二n-GaN图形区域，所述的第二n-GaN图形区域位于第一n-GaN图形区域内，介于n-电极7与下一个p-n结量子阱器件的p-电极9之间；
步骤(7)采用反应离子束刻蚀第二n-GaN图形区域；去除残余光刻胶，在n-GaN层4上形成位于p-电极9和n-电极7之间的凹陷区域；
步骤(8)在硅基氮化物晶片上表面均匀涂上一层光刻胶，采用光刻对准技术在光刻胶层上定义出位于所述凹陷区域中的u-GaN层图形区域；
步骤(9)采用反应离子束从n-GaN层4刻蚀到u-GaN层3；去除残余光刻胶，得到凹槽和位于凹槽下方的u-GaN层；
步骤(10)在硅基氮化物晶片上表面沉积一层连续的SiO2层6；
步骤(11)在硅基氮化物晶片上表面均匀涂上一层光刻胶，采用光刻对准技术对准位于n-电极层的第一n-GaN图形区域、第二n-GaN图形区域、u-GaN层图形区域和p-电极区的p-GaN层区域；
步骤(12)使用BOE溶液湿法腐蚀掉多余的SiO2；
步骤(13)在硅基氮化物晶片上表面均匀涂上一层光刻胶，采用光刻对准技术对准n-电极窗口区域、第一n-GaN图形区域、第二n-GaN图形区域、u-GaN层图形区域、p-电极窗口区域；
步骤(14)在所述n-电极窗口区域、第一n-GaN图形区域、第二n-GaN图形区域、u-GaN层图形区域、p-电极窗口区域蒸镀一层连续的Ni/Au层，以连接p-电极9和n-电极7；
步骤(15)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，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(16)去除残余光刻胶后，即得到悬空p-n结量子阱器件和串联器件集成阵列，p-电极和n-电极相连，各器件以串联形式相连。
Claims (8)
1.一种悬空p-n结量子阱基串联阵列能量系统，其特征在于，该系统以硅基氮化物晶片为载体，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u-GaN层(3)、设置在u-GaN层(3)上的多个p-n结量子阱器件，所述p-n结量子阱器件包括设置有阶梯状台面的n-GaN层(4)、在所述阶梯状台面的上台面从下至上依次设置的InGaN/GaN量子阱层(5)、p-GaN层(8)和p-电极(9)、设置在所述阶梯状台面的下台面上的n-电极(7)，在两相邻的p-n结量子阱器件之间设置有刻蚀至u-GaN层(3)的凹槽，p-n结量子阱器件的n-电极(7)与其相邻p-n结量子阱器件的p-电极(9)之间通过金属层(10)连接，所述金属层(10)下设置有将其与InGaN/GaN量子阱(5)、n-GaN层(4)、u-GaN层(3)、p-GaN层(8)隔离的SiO2层(6)。
2.根据权利要求1所述的悬空p-n结量子阱基串联阵列能量系统，其特征在于，所述多个p-n结量子阱器件通过金属层(10)以串联形式相连。
3.根据权利要求1或2所述的悬空p-n结量子阱基串联阵列能量系统，其特征在于，所述p-电极(9)和n-电极(7)均为Ni/Au电极，即沉积的金属材料为Ni/Au。
4.一种制备悬空p-n结量子阱基串联阵列能量系统的方法，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，采用光刻对准技术在光刻胶层上定义出所需的第一n-GaN图形区域；
步骤(3)刻蚀第一n-GaN图形区域；去除残余光刻胶，得到阶梯状台面、位于上台面的p-n结量子阱器件的InGaN/GaN量子阱层(5)和p-GaN层(8)；
步骤(4)在硅基氮化物晶片上表面均匀涂上一层光刻胶，采用光刻对准技术定义出位于p-GaN层(8)上的p-电极窗口区域、位于n-GaN层(4)下台面的n-电极窗口区域；
步骤(5)在所述p-电极窗口区域与n-电极窗口区域分别蒸镀一层Ni/Au，形成欧姆接触，实现p-电极(9)与n-电极(7)，去除残余光刻胶后，即得到p-n结量子阱器件；
步骤(6)在硅基氮化物晶片上表面均匀涂上一层光刻胶，采用光刻对准技术在光刻胶层上定义出第二n-GaN图形区域，所述的第二n-GaN图形区域位于第一n-GaN图形区域内，介于n-电极(7)与相邻p-n结量子阱器件的p-电极(9)之间；
步骤(7)刻蚀第二n-GaN图形区域，去除残余光刻胶，在n-GaN层(4)上形成位于p-电极(9)和n-电极(7)之间的凹陷区域；
步骤(8)在硅基氮化物晶片上表面均匀涂上一层光刻胶，采用光刻对准技术在光刻胶层上定义出位于所述凹陷区域中的u-GaN层图形区域；
步骤(9)从n-GaN层(4)刻蚀到u-GaN层(3)；去除残余光刻胶，得到凹槽和位于凹槽下方的u-GaN层；
步骤(10)在硅基氮化物晶片上表面沉积一层连续的SiO2层(6)；
步骤(11)在硅基氮化物晶片上表面均匀涂上一层光刻胶，采用光刻对准技术对准位于n-电极层的第一n-GaN图形区域、第二n-GaN图形区域、u-GaN层图形区域和p-电极区的p-GaN层图形区域；
步骤(12)使用BOE溶液湿法腐蚀掉多余的SiO2；
步骤(13)在硅基氮化物晶片上表面均匀涂上一层光刻胶，采用光刻对准技术对准n-电极窗口区域、第一n-GaN图形区域、第二n-GaN图形区域、u-GaN层图形区域、p-电极窗口图形区域；
步骤(14)在所述n-电极窗口区域、第一n-GaN层图形区域、第二n-GaN层图形区域、u-GaN层图形区域、p-电极窗口区域蒸镀一层连续的Ni/Au，以连接p-电极(9)和n-电极(7)；
步骤(15)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，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(16)去除残余光刻胶后，即得到悬空p-n结量子阱器件和串联器件集成阵列，p-电极和n-电极相连，各器件以串联形式相连。
5.根据权利要求4所述的悬空p-n结量子阱基串联阵列能量系统的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)、步骤(14)中的蒸镀Ni/Au层(10)，采用剥离工艺和温度控制在5005℃的氮气退火技术实现。
6.根据权利要求4所述的悬空p-n结量子阱基串联阵列能量系统的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)、步骤(7)、步骤(9)中的刻蚀为离子束轰击或反应离子束刻蚀技术。
7.根据权利要求4、5或6所述的悬空p-n结量子阱基串联阵列能量系统的制备方法，其特征在于，所述步骤(10)中，使用等离子体增强化学的气相沉积法沉积一层SiO2层(6)。
8.根据权利要求4、5或6所述的制备悬空p-n结量子阱基串联阵列能量系统的方法，其特征在于，所述步骤(3)、步骤(7)中，通过多次刻蚀到u-GaN层(3)将各个器件隔离，在所述步骤(10)、步骤(14)中，随后沉积的连续的SiO2层(6)、金属层(10)将各个器件的n-电极(7)和p-电极(9)串联。
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