基于悬空p‑n结量子阱的光致晶体管及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种基于悬空p‑n结量子阱的光致晶体管及其制备方法，利用各向异性硅刻蚀技术，剥离去除器件结构下硅衬底层，得到基于悬空氮化物薄膜p‑n结量子阱的光致晶体管，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。本发明专利技术中，晶体管一端作为LED光源，另一端作为光电探测器，由于两个器件之间优异的光谱匹配特性，光电探测器能够感知LED器件发出的光，将光信号转成电信号输出，从而实现器件的光致晶体管特性；该晶体管作为两个共地的LED光源，独立地传输被调制的光信号，实现可见光无线通信的双通道发射；本发明专利技术晶体管可以作为两个共地的光电探测器，独立地感知空间光信号，实现可见光无线通信的双通道探测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于信息材料与器件领域，涉及一种悬空p-n结量子阱的光致晶体管及其制备技术。
技术介绍
氮化物材料特别是GaN材料，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。而基于硅衬底氮化物材料的光致晶体管器件，通过利用各向异性硅刻蚀技术，剥离去除器件结构下硅衬底层，得到基于悬空氮化物薄膜p-n结量子阱的光致晶体管，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。该器件一端的LED光源发出的光，由另一端的光电探测器感知到，实现器件的光致晶体管特性；该器件作为两个共地的LED光源，独立地传输被调制的光信号，实现可见光无线通信的双通道发射；该器件作为两个共地的光电探测器，独立地感知空间光信号，实现可见光无线通信的双通道探测。这为发展面向可见光无线通信、光传感的氮化物光子及光学微电子器件提供了新的方向。
技术实现思路
技术问题：本专利技术提供一种基于悬空p-n结量子阱的光致晶体管，将该晶体管一端作为LED光源，另一端作为光电探测器、两个共地的LED光源、两个共地的光电探测器，分别实现器件的光致晶体管特性、可见光无线通信的双通道发射和可见光无线通信的双通道探测，本专利技术同时提供一种该晶体管的制备方法。技术方案：本专利技术的基于悬空p-n结量子阱的光致晶体管，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两个p-n结量子阱器件；所述p-n结量子阱器件由n-GaN层、InGaN/GaN多量子阱、p-GaN层、p-电极和n-电极构成，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位于下台面上的上台面，所述InGaN/GaN多量子阱、p-GaN层、p-电极从下至上依次连接设置在上台面的上方，所述n-电极设置在下台面上，为两个p-n结量子阱器件所共用；在所述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p-n结量子阱器件悬空。进一步的，本专利技术的基于悬空p-n结量子阱的光致晶体管中，所述p-电极由依次连接的悬空p-电极区、p-电极导电区和p-电极引线区组成；所述n-电极由相互连接的n-电极导电区和n-电极引线区组成，两个p-n结量子阱器件的悬空p-电极区和部分n-电极导电区、部分n-电极引线区构成悬空电极区，所述空腔位于悬空电极区的下方。进一步的，本专利技术的基于悬空p-n结量子阱的光致晶体管中，所述p-n结量子阱器件在硅基氮化物晶片的氮化物层上实现。进一步的，本专利技术的基于悬空p-n结量子阱的光致晶体管中，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。本专利技术的制备上述基于悬空p-n结量子阱的光致晶体管的方法，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结量子阱器件悬空部分的背后刻蚀窗口；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；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和n-GaN层进行氮化物减薄处理，形成一个空腔；步骤（8）去除残余光刻胶，获得基于悬空p-n结量子阱的光致晶体管器件。进一步的，本专利技术制备方法中，所述步骤（4）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，本专利技术制备方式中，步骤（7）中的氮化物背后减薄刻蚀技术为离子束轰击或反应离子束刻蚀技术。进一步的，本专利技术制备方式中，所述步骤（4）中定义的p-电极窗口区域包括依次连接的悬空p-电极区窗口、p-电极导电区窗口和p-电极引线区窗口，所述n-电极窗口区域包括相互连接的n-电极导电区窗口和n-电极引线区窗口。本专利技术通过曝光技术和氮化物刻蚀工艺，将LED、光电探测器转移到顶层氮化物器件层。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，获得超薄的基于悬空p-n结量子阱的光致晶体管。本专利技术中，晶体管一端作为LED光源，另一端作为光电探测器，由于两个器件之间优异的光谱匹配特性，光电探测器能够感知LED器件发出的光，将光信号转成电信号输出，从而实现器件的光致晶体管特性。本专利技术的基于悬空p-n结量子阱的光致晶体管，可以将该晶体管作为两个共地的LED光源，独立地传输被调制的光信号，实现可见光无线通信的双通道发射。可以将该晶体管作为两个共地的光电探测器，独立地感知空间光信号，实现可见光无线通信的双通道探测。本专利技术器件以光子作为信息传输载体，很好地解决了信号传输时畸变失真、能量损耗等问题；同时，本器件既可以作为两个LED光源，也可作为两个光电探测器，实现器件的多功能应用。有益效果：本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：本专利技术的基于悬空p-n结量子阱的光致晶体管区别于传统电致晶体管以电子作为传输载体，采用光子作为信息传输的载体，使信息在传输中所造成的信息畸变和失真极小，光传输、转换时能量消耗和散发热量极低。同时，光致晶体管器件既可作为LED光源，也可作为光电探测器使用；同时，实现晶体管源、漏极的双向利用。解决了器件的多功能应用问题，功能更加全面且制作工艺简洁，为平面光子集成开创了一种新的光致晶体管器件。本专利技术器件将光源、光电探测器集成在同一芯片上，LED器件发出的光，在另一端被光电探测器探测到，利用量子阱器件的电光效应和光电效应，实现光致晶体管特性；本专利技术器件可作为两个LED光源，采用共地结构，独立地传输被调制的光信号，实现可见光无线通信的双通道发射；本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于悬空p‑n结量子阱的光致晶体管，其特征在于，该晶体管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）上的两个p‑n结量子阱器件；所述p‑n结量子阱器件由n‑GaN层（3）、InGaN/GaN多量子阱（4）、p‑GaN层（5）、p‑电极（6）和n‑电极（7）构成，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（4）、p‑GaN层（5）、p‑电极（6）从下至上依次连接设置在上台面的上方，所述n‑电极（7）设置在下台面上，为两个p‑n结量子阱器件所共用；在所述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。

【技术特征摘要】
1.一种基于悬空p-n结量子阱的光致晶体管，其特征在于，该晶体管以硅基氮化物晶片
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）上的两个p-n结量子阱器件；所述p-n结量子阱器件由n-GaN层（3）、InGaN/GaN多
量子阱（4）、p-GaN层（5）、p-电极（6）和n-电极（7）构成，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（4）、p-GaN层（5）、p-电极（6）从下至上依次连接设置在上台面的上方，所述n-电极（7）
设置在下台面上，为两个p-n结量子阱器件所共用；在所述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。
2.根据权利要求1所述的基于悬空p-n结量子阱的光致晶体管，其特征在于，所述p-电
极（6）由依次连接的悬空p-电极区（8）、p-电极导电区（9）和p-电极引线区（10）组成；所述n-
电极（7）由相互连接的n-电极导电区（11）和n-电极引线区（12）组成；两个p-n结量子阱器件
的悬空p-电极区（8）和部分n-电极导电区（11）、部分n-电极引线区（12）构成悬空电极区
（13），所述空腔位于悬空电极区（13）的下方。
3.根据权利要求1所述的基于悬空p-n结量子阱的光致晶体管，其特征在于，所述p-n结
量子阱器件在硅基氮化物晶片的氮化物层上实现。
4.根据权利要求1、2、3所述的基于悬空p-n结量子阱的光致晶体管，其特征在于，所述
p-电极（6）和n-电极（7）均为Ni/Au电极，即沉积的金属材料为Ni/Au。
5.一种制备权利要求1、2、3或4所述基于悬空p-n结量子阱的光致晶体管的方法，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：王永进，袁威，高绪敏，蔡玮，白丹，许银，朱桂遐，袁炜，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32