一种微纳复合结构光子集成芯片及其制备方法

摘要

本发明公开了一种微纳复合结构光子集成芯片及其制备方法，属于半导体光电子器件与集成技术领域，该芯片利用纳米制备技术得到纳米LED结构，然后利用光刻技术得到LED器件、波导和光电探测器，采用深硅刻蚀技术和氮化物背后刻蚀技术，得到超薄的硅衬底悬空微纳复合结构光子集成芯片。本发明的芯片将纳米结构LED器件、波导和光电探测器集成在同一芯片上，纳米LED器件发出的光，侧向耦合进波导，通过波导传输，在波导另一端被光电探测器检测到，纳米结构可以增强LED的调制带宽和增大LED的发光谱和探测器响应谱的重叠程度，实现高速光子集成芯片，应用于光通信和光传感领域。

说明书

技术领域

本发明属于半导体光电子器件与集成技术领域，具体涉及一种微纳复合结构光子集成芯片及其制备方法。

背景技术

可见光通信是基于发光二极管（LED）高开关响应而发展起来的光通信技术，利用其输出光功率和驱动电流的高速响应特性，以可见光作为信息载体，在空气等传输介质中直接传输光信号的一种通信方式，与传统无线通信相比，具有频谱宽、发射功率高、对人体无害、无电磁干扰、保密性好等优点而备受关注。

随着可见光通信技术的不断发展和应用场前景的日益不断扩大，集成化、微型化、智能化的芯片开发已成为其通讯领域未来的发展的迫切需要趋势。

利用LED本身的外延结构制备制作可见光探测器，可以实现LED器件与光电探测器等不同器件的晶圆级单片集成。通过调制LED器件，改变输出光的强度，实现信号的电光转换，发射光耦合进波导结构，并被另一端的光电探测器吸收感知，实现信号的光电转换，通过后续的信号放大、过滤及复原，完成芯片内的信息传输，光在波导中传播时基本不产生热效应，可用于芯片之间及其与系统之间的数据通信，并能够为解决集成芯片能耗和热效应问题提供一种新的芯片方案。

尽管光子集成芯片已经取得了一些进展，但要实现大规模的商业化，仍然面临着一些挑战性的问题，例如LED同时作为发光器件和探测器器件时，器件性能存在本征的内在矛盾，LED的发射谱和探测器的响应谱交叠程度较小，导致通信速率低等问题。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种微纳复合结构光子集成芯片，通过波导传输，在波导另一端被光电探测器检测到，实现单片光子集成芯片；本发明的另一目的是提供一种微纳复合结构光子集成芯片的制备方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种微纳复合结构光子集成芯片，包括依次叠合设置的硅衬底层、缓冲层、非掺杂GaN层、n型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层和p型GaN层；所述的p型GaN层向下刻蚀至n型GaN层后形成LED器件和光电探测器，在所述的LED器件和光电探测器之间形成波导；所述的LED器件和光电探测器均分别包括p型电极、n型电极和p型GaN层刻蚀后形成的p型区域，在所述的p型区域上设置与p型电极相连的Ni/Au电流扩展层，所述的p型电极设置在二氧化硅层上，所述的n型电极和二氧化硅层均分别设置在n型台面上。所述的LED器件和光电探测器均还包括刻蚀后的InGaN/GaN多量子阱层（5）和n型GaN层（4）。

进一步地，所述的n型台面为两个且均设置在n型GaN层上，在每个所述的p型电极两侧对称设置n型电极。

进一步地，所述的LED器件中，所述的p型区域设置在InGaN/GaN多量子阱层上，在p型区域设有有序的纳米孔阵列，纳米孔阵列的深度从p型区域表面穿过InGaN/GaN多量子阱层，直至n型GaN层内部。

进一步地，所述的光电探测器中，所述的p型区域设置在InGaN/GaN多量子阱层上。

进一步地，在所述的波导、LED器件和光电探测器的下方设有空腔使LED器件、光电探测器和波导悬空，所述的空腔贯穿硅衬底层、缓冲层、非掺杂GaN层至n型GaN层的底面。

进一步地，所述的p型电极由依次连接的悬空p型电极区、p型电极导电区和p型电极引线区组成；所述的n型电极由相互连接的n型电极导电区和n型电极引线区组成，

进一步地，所述的p型电极的窗口区域包括依次连接的悬空p型电极区窗口、p型电极导电区窗口和p型电极引线区窗口，所述的n型电极的窗口区域包括相互连接的n型电极导电区窗口和n型电极引线区窗口。

进一步地，所述的p型电极和n型电极均为金属材料铬/金。

进一步地，所述的一种微纳复合结构光子集成芯片的制备方法，包括如下步骤：

1）叠合设置的硅衬底层、缓冲层、非掺杂GaN层、n型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层和p型GaN层得到InGaN/GaN多量子阱LED外延片，对硅衬底层抛光，在InGaN/GaN多量子阱LED外延片表面生长二氧化硅层；

2）将聚苯乙烯微球转移至InGaN/GaN多量子阱LED外延片表面，刻蚀聚苯乙烯微球；在InGaN/GaN多量子阱LED外延片表面蒸镀一层的镍金属层，去掉聚苯乙烯微球模板，在二氧化硅层表面形成Ni纳米孔金属层；

3）定义出LED器件的p型区域，以暴露出来p型区域中的Ni纳米孔金属层为模板，采用RIE刻蚀二氧化硅层贯穿至p型GaN层，形成二氧化硅层纳米孔；以二氧化硅层纳米孔层为模板，刻蚀LED外延片贯穿至LED的n型GaN层；

4）定义LED器件、光电探测器与波导区域，采用ICP刻蚀LED外延片向下贯穿至n型GaN层，露出n型GaN台面；

5）定义出LED器件和光电探测器的p型区域，利用PVD在暴露出来的p型区域蒸镀Ni/Au电流扩展层；

6）在InGaN/GaN多量子阱LED外延片表面生长二氧化硅层，然后光刻定义二氧化硅层区域作为LED器件和光电探测器的p型电极隔离区，采用RIE刻蚀工艺完成二氧化硅层图形；

7）定义LED器件和光电探测器的p型电极与n型电极区域，利用电子束蒸镀技术蒸镀Cr/Au 层作为p型电极与n型电极，其中p型电极蒸镀在二氧化硅层上，与Ni/Au电流扩展层部分重叠，n型电极蒸镀在n型GaN层的台面上，得到LED器件和光电探测器；

8）定义对准并覆盖波导、LED器件的悬空p型电极区和光电探测器的悬空p型电极区的背后刻蚀窗口，实现芯片悬空，即获得微纳复合结构光子集成芯片。

进一步地，所述的InGaN/GaN多量子阱层为0.15≤In组分≤0.30，多量子阱有源层发光波长在430nm至540nm，多量子阱的周期数5～10个，p型GaN层厚度为100～500nm；纳米孔阵列的周期为100～260nm，深度为300～700nm；LED器件和光电探测器的尺寸为20μm×20μm～150 μm × 150 μm；波导的宽度为20 μm～150 μm，长度为200 μm～1000 μm。

有益效果：与现有技术相比，本发明的一种微纳复合结构光子集成芯片及制备方法，将纳米结构LED器件、波导和光电探测器集成在同一芯片上，实现了纳米制备技术和微米级光刻工艺集成于同一片晶圆上，纳米结构LED器件发出的光，侧向耦合进波导，通过波导传输，在波导另一端被光电探测器检测到，实现单片光子集成芯片。通过制备纳米结构LED，多量子阱中的应力得到部分释放，减弱量子限制斯托克斯效应，增大激子辐射复合速率，提高LED的调制带宽，同时LED的发光谱发生蓝移，这将增大LED的发射谱和探测器的响应谱交叠程度，从而提高光子集成芯片的通信速率。

附图说明

图1是本发明微纳复合结构光子集成芯片的主视图；

图2是本发明微纳复合结构光子集成芯片的俯视截面局部放大图；

图3是实施例步骤（1）所得的微纳复合结构光子集成芯片结构示意图；

图4是实施例步骤（2）所得的微纳复合结构光子集成芯片结构示意图；

图5是实施例步骤（3）所得的微纳复合结构光子集成芯片结构示意图；

图6是实施例步骤（4）所得的微纳复合结构光子集成芯片结构示意图；

图7是实施例步骤（5）所得的微纳复合结构光子集成芯片结构示意图；

图8是实施例步骤（6）所得的微纳复合结构光子集成芯片结构示意图；

图9是实施例步骤（7）所得的微纳复合结构光子集成芯片结构示意图；

图10是实施例步骤（8）所得的微纳复合结构光子集成芯片结构示意图；

图11是实施例步骤（9）所得的微纳复合结构光子集成芯片结构示意图；

图12是实施例步骤（10）所得的微纳复合结构光子集成芯片结构示意图；

图13是实施例步骤（11）所得的微纳复合结构光子集成芯片结构示意图；

图14是实施例步骤（12）所得的微纳复合结构光子集成芯片结构示意图；

附图标记：1-硅衬底层；2-缓冲层；3-非掺杂GaN层；4-n型GaN层；5-InGaN/GaN多量子阱层；6-p型GaN层；7-Ni/Au电流扩展层；8-二氧化硅层；9-Cr/Au 层；10-聚苯乙烯微球；11-Ni纳米孔金属层；12-空腔。

具体实施方式

为了更好地理解本发明专利的内容，下面结合附图和具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。

一种微纳复合结构光子集成芯片，以InGaN/GaN多量子阱LED外延片为载体，包括硅衬底层1、设置在硅衬底层1上的缓冲层2、设置在缓冲层2上的非掺杂GaN层3，设置在非掺杂GaN层3上的n型GaN层4，设置在n型GaN层4的InGaN/GaN多量子阱层5，设置在InGaN/GaN多量子阱层5上的p型GaN层6；设置在InGaN/GaN多量子阱LED外延片上的LED器件和光电探测器，LED器件和光电探测器之间通过波导相连。

LED器件和光电探测器均包括p-n结、p型电极和n型电极。

LED器件的p-n结包括从下至上依次连接设置的n型GaN层4、InGaN/GaN多量子阱层5和p型GaN层6，LED器件在p型区域设有有序的纳米孔阵列，纳米孔阵列的深度从器件p型GaN层6表面穿过InGaN/GaN多量子阱层5，直至n型GaN层4内部。

光电探测器的p-n结包括从下至上依次连接设置的n型GaN层4、InGaN/GaN多量子阱层5和p型GaN层6。

在n型GaN层4上设有刻蚀出的n型台面，在n型台面上设置有二氧化硅层8，在LED器件和光电探测器的p型区域设置有Ni/Au电流扩展层，p型电极设置在二氧化硅层8上并与Ni/Au电流扩展层相连，n型电极设置在n型台面上。

在n型GaN层4下方设置有与p型电极、n型电极和波导的位置正对且贯穿硅衬底层1、缓冲层2、非掺杂GaN层3至n型GaN层4底面的空腔，使得LED器件、光电探测器和波导悬空。

微纳复合结构光子集成芯片中，p型电极由依次连接的悬空p型电极区、p型电极导电区和p型电极引线区组成；n型电极由相互连接的n型电极导电区和n型电极引线区组成，空腔处于波导和LED器件和光电探测器的下方。

LED器件、波导和光电探测器均在InGaN/GaN多量子阱LED外延片上实现。

波导是从p型GaN层6向下刻蚀至n型GaN层4形成的。

p型电极和n型电极均为金属材料铬/金（Cr/Au）。

InGaN/GaN多量子阱层5为0.15≤In组分≤0.30，多量子阱有源层发光波长在430nm至540nm，多量子阱的周期数5～10个，p型GaN层6厚度为100～500nm。

纳米孔阵列的周期为100～260nm，深度为300～700nm。

LED器件和光电探测器的尺寸为20μm× 20μm～150 μm × 150 μm。

波导的宽度为20 μm～150 μm，长度为200 μm～1000 μm。

p型电极以及n型电极的电极材料为铬/金(Cr/Au)，p型电极窗口区域包括依次连接的悬空p型电极区窗口、p型电极导电区窗口和p型电极引线区窗口，n型电极窗口区域包括相互连接的n型电极导电区窗口和n型电极引线区窗口。

实施例1

一种微纳复合结构光子集成芯片的制备方法，其步骤包括：

（1）在硅衬底层1上依次生长缓冲层2、非掺杂GaN层3、n型GaN层4、InGaN/GaN多量子阱层5、p型GaN层6，制备InGaN/GaN多量子阱LED外延片；InGaN/GaN多量子阱LED外延片中In组分为0.2，发光波长为450nm，InGaN/GaN多量子阱层5的周期数为5，InGaN阱层的厚度为3 nm，GaN垒层的厚度为10 nm；p型GaN层6的厚度为200 nm；

（2）在InGaN/GaN多量子阱LED外延片对硅衬底层1背后进行减薄抛光，利用等离子体增强化学汽相沉积（PECVD）在InGaN/GaN多量子阱LED外延片表面生长一层二氧化硅层8，对InGaN/GaN多量子阱LED外延片表面进行亲水性处理；

（3）将聚苯乙烯微球10与无水乙醇按照一定比例（20mg/ml～30mg/ml）使其混合均匀，聚苯乙烯微球10的直径为400 nm，同时配置十二烷基硫酸钠（SDS）溶液（浓度为4mg/ml）作为活性剂；用移液管取配置好的聚苯乙烯微球10溶液，沿载玻片与液面交界处滴入载玻片上，待液面稳定后用镊子夹取LED外延片将单层聚苯乙烯微球10转移至InGaN/GaN多量子阱LED外延片表面；

（4）利用反应离子刻蚀（RIE）刻蚀聚苯乙烯微球10，通过控制刻蚀条件，控制聚苯乙烯微球10直径的变化，直径减小至250nm；

（5）采用电子束蒸发系统（PVD）在InGaN/GaN多量子阱LED外延片表面蒸镀一层的镍（Ni）金属层，然后用甲苯去掉样片表面的聚苯乙烯微球10模板，在二氧化硅层8表面形成Ni纳米孔金属层11，Ni纳米孔周期为400 nm，占空比0.625；

（6）在InGaN/GaN多量子阱LED外延片上表面均匀涂上一层光刻胶，利用光刻技术定义出LED器件的p型区域，边长为60μm，以暴露出来p型区域中的Ni纳米孔金属层11为模板，采用RIE刻蚀二氧化硅层8贯穿至p型GaN层6，形成二氧化硅层8纳米孔，去除光刻胶；

（7）将InGaN/GaN多量子阱LED外延片在硝酸中浸泡，去掉剩余的Ni纳米孔金属层；以二氧化硅层8纳米孔层为模板，采用电感耦合等离子体刻蚀（ICP）技术刻蚀LED外延片贯穿至n型GaN层4，刻蚀深度为400 nm；

（8）采用光刻对准技术定义LED器件、光电探测器与波导区域，采用ICP刻蚀LED外延片向下贯穿至n型GaN层4，露出n型GaN台面，刻蚀深度为800nm；

（9）采用光刻对准技术在LED外延片上定义出LED器件和光电探测器的p型区域，利用PVD在暴露出来的p型区域蒸镀Ni/Au电流扩展层7（5/5 nm），去除光刻胶，然后在空气氛围550℃快速退火完成欧姆接触；采用剥离工艺和温度控制在550℃的空气氛围快速退火技术实现；

（10）采用PECVD在InGaN/GaN多量子阱LED外延片表面生长二氧化硅层8，然后光刻定义二氧化硅层8区域，采用RIE刻蚀工艺完成二氧化硅层8图形；

（11）光刻定义p型电极与n型电极，利用电子束蒸镀技术蒸镀Cr/Au 层9（50/200nm）作为p型电极与n型电极，其中p型电极蒸镀在二氧化硅层8上，与Ni/Au电流扩展层7部分重叠，n型电极蒸镀在n型GaN层4的台面上，得到LED器件和光电探测器；

（12）在硅衬底InGaN/GaN多量子阱LED外延片顶层涂胶保护，防止刻蚀过程中损伤表面器件，在硅衬底InGaN/GaN多量子阱LED外延片的硅衬底层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波导、LED器件的悬空p型电极区和光电探测器的悬空p型电极区的背后刻蚀窗口；采用深硅刻蚀技术和氮化物背后减薄刻蚀技术实现芯片悬空，悬空厚的器件厚度为2～4μm；将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硅衬底层1贯穿刻蚀至缓冲层的下表面，形成一个空腔；采用ICP刻蚀技术，从下往上对缓冲层、非掺杂GaN层3、n型GaN层4进行氮化物减薄处理，剩余的氮化物厚度为3μm；去除残余光刻胶，即获得微纳复合结构光子集成芯片。

以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。