CN110957406B - 一种电驱动光栅波分复用器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电驱动光栅波分复用器件及其制备方法，器件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、氮化铝、n型氮化镓层、量子阱层、p型氮化镓层、设置在所述p型氮化镓层上的p型电极、设置在所述n型氮化镓层的n型环形电极，两边刻至硅衬底层，等高等宽的光栅结构刻至p型氮化镓层中部。本发明是在硅衬底上的氮化物材料，利用光刻刻蚀工艺和EBL刻蚀工艺制备电驱动光栅波分复用器件。
Description
技术领域
本发明属于可见光技术领域，涉及一种电驱动光栅波分复用器件及其制备方法。
背景技术
LED即发光二极管，LED作为继白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后的第四代设备，目前在多个行业领域广泛应用。LED技术有效攻克了传统灯具设备能耗高、使用寿命短等问题。LED技术具备较大的产业价值与发展潜力，值得深入研究和推广。LED技术正在不断朝自动化、智能化、节能化方向发展。光栅是由很多等节距的透光缝隙和不透光的刻线均匀相间排列构成的光电器件。按照工作原理，光栅可分为物理光栅和计量光栅，物理光栅基于光栅的衍射现象，常用于光谱分析和光波长等测量；计量光栅是利用光栅的莫尔条纹现象进行测量的器件，常用于位移的精密测量。但是，现有技术的LED的光很难进行波分复用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种电驱动光栅波分复用器件及其制备方法，以解决现有技术中存在的LED的光波分复用较难的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种电驱动光栅波分复用器件，包括二极管结构和刻蚀在二极管结构上的光栅结构；所述光栅结构包括多个平行狭缝。
进一步的，所述狭缝的数量为11个；中间和两侧所述狭缝的直径大于其他狭缝。
进一步的，所述二极管结构包括从下至上依次设置的硅衬底层、氮化铝层、n型氮化镓层、量子阱层和p型氮化镓层；所述光栅结构刻蚀在p型氮化镓层的中部。
进一步的，所述n型氮化镓层的两侧刻蚀有n型电极；所述p型氮化镓层的上侧刻蚀有p型电极。
进一步的，所述n型氮化镓层的外缘处刻蚀有阶梯状台面；所述n型电极刻蚀在阶梯状台面上。
一种电驱动光栅波分复用器件的制备方法，所述方法包括以下步骤：
在二极管结构的上表面旋涂光刻胶；
在所述第一次光刻胶层上定义光栅结构的图形；
根据所述图形在二极管结构的上表面刻蚀，形成光栅结构。
进一步的，所述方法的具体步骤包括：
在P型氮化镓层的上表面旋涂第一次光刻胶；
在所述第一次光刻胶上定义光栅结构的图形；
根据所述图形在P型氮化镓层的中部刻蚀，形成光栅结构；
在刻蚀有光栅结构的P型氮化镓层的上表面旋涂第二次光刻胶；
从所述第二次光刻胶的上表面向下刻蚀至硅衬底层；
在所述P型氮化镓层和硅衬底层的上表面旋涂第三次光刻胶；
在所述第三次光刻胶上定义n型区结构图；
根据所述n型区结构图刻蚀至n型氮化镓层；
在所述硅衬底层、n型氮化镓层和p型氮化镓层的上表面旋涂第四次光刻胶；
在所述第四次光刻胶的上表面定义p型区透明电极图形和n型区透明电极图形；
对所述p型区透明电极图形和n型区透明电极图形进行蒸镀处理，获得p型电极和n型电极。
进一步的，所述p型电极为Ni/Au，所述n型电极为Ti/Au。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明将LED结构和光栅结构集成有源调制器件，此光子器件能够直接将LED的光进行波分复用，实现高密度光电集成；同时有源调制器件嵌入了量子阱这种活性材料，能够增强器件的自发发射率来降低阈值。
附图说明
图1电驱动光栅波分复用器件的侧视图。
图2电驱动光栅波分复用器件的俯视图。
图3电驱动光栅波分复用器件的工艺流程图。
图中有：1-硅衬底层；2-氮化铝层；3-n型氮化镓层；4-量子阱层；4-p型氮化镓层；5-p型电极；6-n型电极。
具体实施方式
为使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
如图1、图2、图3所示，一种电驱动光栅波分复用器件，包括二极管结构和刻蚀在二极管结构上的光栅结构；光栅结构包括多个平行狭缝。二极管结构包括从下至上依次设置的硅衬底层1、氮化铝层2、n型氮化镓层3、量子阱层4和p型氮化镓层5；光栅结构刻蚀在p型氮化镓层5的中部。
所述光栅结构根据需求的不同，刻蚀不同尺寸等高等宽的平行狭缝。p型氮化镓层5光栅结构是根据需求的不同刻蚀的，形成等节距的透光缝隙和不透光的刻线均匀相间排列的光栅结构。硅衬底层1边缘上方的氮化铝层2、n型氮化镓层3、量子阱层4和p型氮化镓层5刻蚀掉，p型电极6是沿p型氮化镓层5上侧面边缘设置的环形电极，形成p型电极。n型氮化镓层3边缘处上方的量子阱层4和p型氮化镓层5刻蚀掉，n型氮化镓层3外边缘处刻蚀有阶梯状台面，所述阶梯状台面的下台面裸露，n型电极7设置在下台面上形成n型环形电极。
实施例1：本发明电驱动光栅波分复用器件，以硅基氮化物晶片为载体，从下至上依次为硅衬底层1、氮化铝层2、n型氮化镓层3、量子阱层4、p型氮化镓层5以及设置在p型氮化镓层5上面的p型电极6和设置在n型氮化镓层3的n型电极7。
该器件晶片的边缘刻至硅衬底层1，形成的p型氮化镓层5台阶边缘刻蚀至n型氮化镓层3中部，p型氮化镓层5刻蚀光栅结构。该器件设置了11个从p型氮化镓层5向下至少刻至p型氮化镓层5中部的等宽等高的平行狭缝，这11个等宽等高的平行狭缝其中三个等宽等高的平行狭缝设置在器件中部以及靠近器件边缘处的等宽等高的平行狭缝，其余八个等宽等高的平行狭缝每两个一组分别在中间等宽等高的平行狭缝两侧以及器件最边缘处对称排列。中间和靠近边缘处的等宽等高的平行狭缝的直径为200nm，分列中间等宽等高的平行狭缝两侧的两个等宽等高的平行狭缝，内侧等宽等高的平行狭缝直径小于中间等宽等高的平行狭缝，其直径为100nm。该器件设置在p型氮化镓层5边缘的p型环形电极，其电极宽度为500nm,设置在n型氮化镓层3边缘处的n型环形电极。
实施例2：本发明电驱动光栅波分复用器件，以硅基氮化物晶片为载体，从下至上依次为硅衬底层1、氮化铝层2、n型氮化镓层3、量子阱层4、p型氮化镓层5以及设置在p型氮化镓层5上面的p型环形电极6和设置在n型氮化镓层3边缘的n型环形电极7。该器件晶片的边缘刻至硅衬底层1，形成的p型氮化镓层5台阶边缘刻蚀至n型氮化镓层3中部，p型氮化镓层5刻蚀光栅结构。该器件除了实施例一所述的可以设置十一个从p型氮化镓层5向下至少刻至p型氮化镓层5中部的等宽等高的平行狭缝之外，还可以设置更多个从p型氮化镓层5向下至少刻至p型氮化镓层5中部的等宽等高的平行狭缝，这些平行狭缝其中有三个等宽等高的平行狭缝设置在器件中间部分，其余等宽等高的平行狭缝每两个一组，分别在中间等宽等高的平行狭缝两侧和器件最边缘处对称排列。中间和靠近边缘处等宽等高的平行狭缝的直径为200nm，分列在中间和靠近边缘处等宽等高的平行狭缝两侧的其余等宽等高的平行狭缝，内侧等宽等高的平行狭缝直径小于最中间和靠近边缘处等宽等高的平行狭缝，为100nm。与此同时，该器件设置在p型氮化镓层5边缘的p型环形电极6和设置在n型氮化镓层3的边缘处的n型环形电极7，可以设置其电极宽度均为120nm。
本发明的制备电驱动光栅波分复用器件的方法，以制备电驱动光栅波分复用器件，长度为10微米，宽度为3微米为例，制备过程如下：
第一步：将购买的商用硅衬底氮化镓晶片，经丙酮、无水乙醇和去离子水依次超声清洗后，然后用氮气吹干；使用匀胶机在晶片正面（p型氮化物层5上表面）以4000转/分钟的转速旋涂光刻胶AZ-5214，旋涂时间为40秒（光刻胶厚度为1.5微米）。
采用光学光刻技术，在旋涂的光刻胶层上定义出从上至下刻至p型氮化镓层5中部的对称等宽等高的平行狭缝结构的图形，（对称薄膜微腔图形结构），光刻机型号为MA6。
第二步：采用EBL技术刻蚀至p型氮化镓中部，从而将所述第一步中定义出的图形转移至硅基氮化物晶片的p型氮化镓层5中，得到等宽等高的平行狭缝结构，最后去除残留的光刻胶；
第三步：使用匀胶机在晶片正面（硅衬底层1表面）以4000转/分钟的转速旋涂光刻胶AZ-5214，旋涂时间为40秒（光刻胶厚度为1.5微米）。
采用光学光刻技术，在在旋涂的光刻胶层上定义出硅衬底层1的图形区域，并利用光学光刻技术将定义出的硅衬底层1图形区域转移至晶片的硅衬底层1上，最后清洗残留的光刻胶，光刻机型号为MA6。
第四步：使用匀胶机在晶片正面（硅衬底层1表面）以4000转/分钟的转速旋涂光刻胶AZ-5214，旋涂时间为40秒（光刻胶厚度为1.5微米）。
采用光学光刻技术，在在旋涂的光刻胶层上定义出n型电极6的图形区域；采用ICP刻蚀技术，沿着n型电极区域的图形向下刻蚀P型氮化镓层直至n型氮化镓层中部，从而将n型电极区域的图形转移到n型氮化镓层上，最后去清洗残留的光刻胶；
第五步：在硅衬底层、n型氮化镓层、p型氮化镓层上表面旋涂光刻胶，然后采用光学光刻技术在对称器件结构左右两侧上表面定义出p型区透明电极图形、n型区透明电极图形；
第六步：采用电子束蒸镀技术在p型区透明电极图形上表面上蒸镀正电极，在n型区透明电极图形上表面上蒸镀负电极，使得P型氮化镓层和n型氮化镓层上分别镀上正负电极，最后去除残留的光刻胶，获得p型区电极和n型区电极。
正电极蒸镀的为Ni/Au，负电极蒸镀的为Ti/Au。
本文主要采用光栅结构和谐振器LED结构集成，形成有源调制器件，此器件相对来说优势就很明显了。LED结构具有谐振腔，并且LED具有线宽窄、效率高、亮度强等优点，光栅具有高可靠性、抗干扰能力强等特点，因此由LED结构和光栅结构集成的有源调制器件，此光子器件能够直接将LED的光进行波分复用，实现高密度光电集成。
同时本发明利用光学光刻和EBL刻蚀工艺制备不同尺寸的光栅波分复用器件。提供了一种工艺性好、加工精度高的制备上述电驱动光栅波分复用器件的方法。如本文设计合理的工艺步骤，包括刻蚀模板的形状，获得等宽等高平行狭缝的光栅结构，可以将LED结构和光栅结构有效集成。因此此电驱动波分复用器件可能会用于光电通信中，增强信道带宽。
其次现有的有源调制器件的驱动方式大多采用光驱动方式，而且采用光驱动作为激励方式的结构大部分运用于科研实验方面，实际应用的价值比较低，相对于光驱动来说，一方面，本发明采用的电驱动易于获得，方便控制，且易于和其他微电子器件集成。另一方面，本发明采用的电驱动方式相对于光驱动来说输出效率高且输出稳定，应用前景更好。
另外本发明设计的有源调制器件采用的材料不仅仅是单一的氮化镓材料，在p型氮化镓上还有一层量子阱活性材料，量子阱能够增强器件的自发发射率来降低阈值。所以本发明是基于量子阱发光的。
以上对本申请进行了详细介绍，本发明中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐释，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及核心思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明不应理解为对本申请的限制。
Claims (3)
1.一种电驱动光栅波分复用器件的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
在第一次旋涂后的光刻胶上定义光栅结构的图形；
根据所述图形刻蚀至P型氮化镓层中部，形成光栅结构；
在刻蚀有光栅结构的P型氮化镓层的上表面旋涂第二次光刻胶；
从所述第二次光刻胶的上表面定义的图形向下刻蚀至硅衬底层；
在所述P型氮化镓层和硅衬底层的上表面旋涂第三次光刻胶；
在所述第三次光刻胶上定义n型区结构图；
根据所述n型区结构图刻蚀至n型氮化镓层；
在所述硅衬底层、n型氮化镓层和p型氮化镓层的上表面旋涂第四次光刻胶；
在所述第四次光刻胶的上表面定义p型区透明电极图形和n型区透明电极图形；
对所述p型区透明电极图形和n型区透明电极图形进行蒸镀处理，获得p型电极和n型电极；
所述方法制备的电驱动光栅波分复用器件，包括二极管结构和刻蚀在二极管结构上的光栅结构；所述光栅结构包括多个平行狭缝；
所述二极管结构包括从下至上依次设置的硅衬底层、氮化铝层、n型氮化镓层、量子阱层和p型氮化镓层；所述光栅结构刻蚀在p型氮化镓层；
所述n型氮化镓层的两侧刻蚀有n型电极；所述p型氮化镓层的上侧刻蚀有p型电极；
所述n型氮化镓层的外缘处刻蚀有阶梯状台面；所述n型电极刻蚀在阶梯状台面上。
2.根据权利要求1所述的电驱动光栅波分复用器件的制备方法，其特征在于，所述狭缝的数量为11个；中间和两侧所述狭缝的直径大于其他狭缝。
3.根据权利要求1所述的电驱动光栅波分复用器件的制备方法，其特征在于，所述p型电极为Ni/Au，所述n型电极为Ti/Au。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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