一种基于MEMS热电堆的可见光收发集成器件及其制作方法技术

本发明专利技术提供一种基于MEMS热电堆的可见光收发集成器件及其制作方法，该器件包括衬底、缓冲层、多量子阱二极管及热电堆，其中，衬底中设有第一空腔；缓冲层中设有第二空腔；多量子阱二极管的N型GaN结构层的中间区域悬设于第二空腔上方，多量子阱结构层及P型GaN结构层位于N型GaN结构层的中间区域上方；热电堆分布于多量子阱二极管周围，包括多个串联的热电偶，热电偶包括N型GaN半导体臂及金属臂。本发明专利技术可利用一个多量子阱二极管结构同时实现光发射与光探测两种功能，从而提高器件集成度，减小系统的功耗与成本。本发明专利技术采用单片集成化的MEMS热电堆来控制多量子阱二极管的工作温度，与片外封装方案相比减小了体积，并可以实现芯片的局部温度调控。

【技术实现步骤摘要】
一种基于MEMS热电堆的可见光收发集成器件及其制作方法
本专利技术属于光子集成
，涉及一种基于MEMS热电堆的可见光收发集成器件及其制作方法。
技术介绍
光子集成技术（PIC）通过将具有不同功能的光学或光电器件集成在同一基片上，具有体积小、重量轻、能耗成本低、性能优异以及可靠性高等显著优势，能够有效地解决物联网和无线通信网络中通信容量紧张以及能耗激增的问题，目前已成为光通信领域的研究热点和未来战略发展技术方向。光发射器与光接收器是物联网和无线通信网络不可或缺的组件，它们的单片集成是光子集成技术（PIC）需要攻克的难点之一，不仅要解决不同器件结构和工艺技术的兼容性，还要选择满足两种器件性能要求的材料。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于MEMS热电堆的可见光收发集成器件及其制作方法，用于解决现有技术中光发射器与光接收器难以实现良好的单片集成的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种基于MEMS热电堆的可见光收发集成器件，包括：衬底，所述衬底中设有上下贯穿所述衬底的第一空腔；缓冲层，位于所述衬底上，并遮盖所述第一空腔，所述缓冲层中设有上下贯穿所述缓冲层的第二空腔，所述第二空腔与所述第一空腔连通，且所述第二空腔的开口面积小于所述第一空腔的开口面积；多量子阱二极管，位于所述缓冲层上，并遮盖所述第二空腔，所述多量子阱二极管自下而上依次包括N型GaN结构层、多量子阱结构层及P型GaN结构层，其中，所述N型GaN结构层的边缘区域与所述缓冲层连接，所述N型GaN结构层的中间区域悬设于所述第二空腔上方，所述多量子阱结构层及所述P型GaN结构层位于所述N型GaN结构层的中间区域上方，所述P型GaN结构层上设有正电极，所述N型GaN结构层的所述边缘区域上设有负电极；热电堆，位于所述缓冲层上，并分布于所述多量子阱二极管周围，所述热电堆包括依次串联连接的多个热电偶，每一所述热电偶包括一N型GaN半导体臂及一金属臂，同一所述热电偶的所述N型GaN半导体臂及所述金属臂通过热端互连金属连接，相邻两个所述热电偶之间通过冷端互连金属串联，所述冷端互连金属与所述多量子阱二极管之间的距离大于所述热端互连金属与所述多量子阱二极管之间的距离。可选地，所述N型GaN半导体臂及所述金属臂连接于所述热端互连金属的一端悬设于所述第一空腔上方，所述N型GaN半导体臂及所述金属臂连接于所述冷端互连金属的一端朝远离所述多量子阱二极管的方向水平延伸至所述第一空腔外。可选地，所述N型GaN结构层的下表面设有一凹腔，所述凹腔正对所述第二空腔。可选地，所述可见光收发集成器件还包括热沉金属，所述热沉金属位于所述缓冲层上，所述热沉金属与所述多量子阱二极管之间的距离大于所述冷端互连金属与所述多量子阱二极管之间的距离。可选地，所述可见光收发集成器件还包括热电堆正极及热电堆负极，所述热电堆正极与所述热电堆负极位于所述缓冲层上，其中，所述热电堆正极与位于所述热电堆首端的所述热电偶的所述金属臂连接，所述热电堆负极与位于所述热电堆尾端的所述热电偶的所述N型GaN半导体臂连接。可选地，所述热电堆环绕分布于所述多量子阱二极管的周围，且环绕的角度范围大于270°。可选地，所述多量子阱二极管的至少一横截面呈圆形或矩形。可选地，所述多量子阱层包括InGaN/GaN叠层，所述正电极的材料包括Ni/Au叠层、Pt/Au叠层、Ni/Pt/Au叠层及Au/Mg/Au叠层中的任意一种，所述负电极包括Ti/Al叠层、Ti/Al/Ti/Au叠层及Ti/Al/Ni/Au叠层中的任意一种。本专利技术还提供一种基于MEMS热电堆的可见光收发集成器件的制作方法，包括以下步骤：提供一衬底，所述衬底上表面自下而上依次设有缓冲层、N型GaN层、多量子阱层及P型GaN层；图形化所述P型GaN层及所述多量子阱层，得到多量子阱结构层及P型GaN结构层；图形化所述N型GaN层，得到N型GaN结构层及多个N型GaN半导体臂；形成正电极于所述P型GaN结构层上；形成负电极、多个金属臂、多个热端互连金属及多个冷端互连金属；形成第一空腔于所述衬底中，所述第一空腔上下贯穿所述衬底；形成第二空腔于所述缓冲层中，所述第二空腔上下贯穿所述缓冲层，并与所述第一空腔连通，且所述第二空腔的开口面积小于所述第一空腔的开口面积；其中：所述N型GaN结构层、所述多量子阱结构层及所述P型GaN结构层作为一多量子阱二极管的组成部分，所述N型GaN结构层的边缘区域与所述缓冲层连接，所述N型GaN结构层的中间区域悬设于所述第二空腔上方，所述多量子阱结构层及所述P型GaN结构层位于所述N型GaN结构层的中间区域上方，所述负电极位于所述N型GaN结构层的所述边缘区域上；多个所述N型GaN半导体臂及多个所述金属臂作为一热电堆的组成部分，所述热电堆位于所述缓冲层上，并分布于所述多量子阱二极管周围，所述热电堆包括依次串联连接的多个热电偶，所述每一热电偶包括一N型GaN半导体臂及一金属臂，同一所述热电偶的所述N型GaN半导体臂及所述金属臂通过所述热端互连金属连接，相邻两个所述热电偶之间通过所述冷端互连金属串联，所述冷端互连金属与所述多量子阱二极管之间的距离大于所述热端互连金属与所述多量子阱二极管之间的距离。可选地，所述N型GaN半导体臂及所述金属臂连接于所述热端互连金属的一端悬设于所述第一空腔上方，所述N型GaN半导体臂及所述金属臂连接于所述冷端互连金属的一端朝远离所述多量子阱二极管的方向水平延伸至所述第一空腔外。可选地，还包括形成一凹腔于所述N型GaN结构层的下表面的步骤，所述凹腔正对所述第二空腔。可选地，形成所述正电极的同时，还形成热沉金属于所述缓冲层上，所述热沉金属与所述多量子阱二极管之间的距离大于所述冷端互连金属与所述多量子阱二极管之间的距离。可选地，形成所述金属臂的同时，还形成热电堆正极及热电堆负极于所述缓冲层上，其中，所述热电堆正极与位于所述热电堆首端的所述热电偶的所述金属臂连接，所述热电堆负极与位于所述热电堆尾端的所述热电偶的所述N型GaN半导体臂连接。可选地，所述热电堆环绕分布于所述多量子阱二极管的周围，且环绕的角度范围大于270°。可选地，所述多量子阱二极管的至少一横截面呈圆形或矩形。可选地，所述多量子阱层包括InGaN/GaN叠层，所述正电极的材料包括Ni/Au叠层、Pt/Au叠层、Ni/Pt/Au叠层及Au/Mg/Au叠层中的任意一种，所述负电极包括Ti/Al叠层、Ti/Al/Ti/Au叠层及Ti/Al/Ni/Au叠层中的任意一种。如上所述，本专利技术的基于MEMS热电堆的可见光收发集成器件及其制作方法利用一个多量子阱二极管结构同时实现了光发射与光探测两种功能，极大地提高了光子器件的集成度，有利于减小系统的功耗与成本。本专利技术采用单片集成化的MEMS热电堆来控制多量子阱二极管的工作温度，与片外封装方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于MEMS热电堆的可见光收发集成器件，其特征在于，包括：/n衬底，所述衬底中设有上下贯穿所述衬底的第一空腔；/n缓冲层，位于所述衬底上，并遮盖所述第一空腔，所述缓冲层中设有上下贯穿所述缓冲层的第二空腔，所述第二空腔与所述第一空腔连通，且所述第二空腔的开口面积小于所述第一空腔的开口面积；/n多量子阱二极管，位于所述缓冲层上，并遮盖所述第二空腔，所述多量子阱二极管自下而上依次包括N型GaN结构层、多量子阱结构层及P型GaN结构层，其中，所述N型GaN结构层的边缘区域与所述缓冲层连接，所述N型GaN结构层的中间区域悬设于所述第二空腔上方，所述多量子阱结构层及所述P型GaN结构层位于所述N型GaN结构层的中间区域上方，所述P型GaN结构层上设有正电极，所述N型GaN结构层的所述边缘区域上设有负电极；/n热电堆，位于所述缓冲层上，并分布于所述多量子阱二极管周围，所述热电堆包括依次串联连接的多个热电偶，每一所述热电偶包括一N型GaN半导体臂及一金属臂，同一所述热电偶的所述N型GaN半导体臂及所述金属臂通过热端互连金属连接，相邻两个所述热电偶之间通过冷端互连金属串联，所述冷端互连金属与所述多量子阱二极管之间的距离大于所述热端互连金属与所述多量子阱二极管之间的距离。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于MEMS热电堆的可见光收发集成器件，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底中设有上下贯穿所述衬底的第一空腔；
缓冲层，位于所述衬底上，并遮盖所述第一空腔，所述缓冲层中设有上下贯穿所述缓冲层的第二空腔，所述第二空腔与所述第一空腔连通，且所述第二空腔的开口面积小于所述第一空腔的开口面积；
多量子阱二极管，位于所述缓冲层上，并遮盖所述第二空腔，所述多量子阱二极管自下而上依次包括N型GaN结构层、多量子阱结构层及P型GaN结构层，其中，所述N型GaN结构层的边缘区域与所述缓冲层连接，所述N型GaN结构层的中间区域悬设于所述第二空腔上方，所述多量子阱结构层及所述P型GaN结构层位于所述N型GaN结构层的中间区域上方，所述P型GaN结构层上设有正电极，所述N型GaN结构层的所述边缘区域上设有负电极；
热电堆，位于所述缓冲层上，并分布于所述多量子阱二极管周围，所述热电堆包括依次串联连接的多个热电偶，每一所述热电偶包括一N型GaN半导体臂及一金属臂，同一所述热电偶的所述N型GaN半导体臂及所述金属臂通过热端互连金属连接，相邻两个所述热电偶之间通过冷端互连金属串联，所述冷端互连金属与所述多量子阱二极管之间的距离大于所述热端互连金属与所述多量子阱二极管之间的距离。


2.根据权利要求1所述的基于MEMS热电堆的可见光收发集成器件，其特征在于：所述N型GaN半导体臂及所述金属臂连接于所述热端互连金属的一端悬设于所述第一空腔上方，所述N型GaN半导体臂及所述金属臂连接于所述冷端互连金属的一端朝远离所述多量子阱二极管的方向水平延伸至所述第一空腔外。


3.根据权利要求1所述的基于MEMS热电堆的可见光收发集成器件，其特征在于：所述N型GaN结构层的下表面设有一凹腔，所述凹腔正对所述第二空腔。


4.根据权利要求1所述的基于MEMS热电堆的可见光收发集成器件，其特征在于：所述可见光收发集成器件还包括热沉金属，所述热沉金属位于所述缓冲层上，所述热沉金属与所述多量子阱二极管之间的距离大于所述冷端互连金属与所述多量子阱二极管之间的距离。


5.根据权利要求1所述的基于MEMS热电堆的可见光收发集成器件，其特征在于：所述可见光收发集成器件还包括热电堆正极及热电堆负极，所述热电堆正极与所述热电堆负极位于所述缓冲层上，其中，所述热电堆正极与位于所述热电堆首端的所述热电偶的所述金属臂连接，所述热电堆负极与位于所述热电堆尾端的所述热电偶的所述N型GaN半导体臂连接。


6.根据权利要求1所述的基于MEMS热电堆的可见光收发集成器件，其特征在于：所述热电堆环绕分布于所述多量子阱二极管的周围，且环绕的角度范围大于270°。


7.根据权利要求1所述的基于MEMS热电堆的可见光收发集成器件，其特征在于：所述多量子阱二极管的至少一横截面呈圆形或矩形。


8.根据权利要求1所述的基于MEMS热电堆的可见光收发集成器件，其特征在于：所述多量子阱层包括InGaN/GaN叠层，所述正电极的材料包括Ni/Au叠层、Pt/Au叠层、Ni/Pt/Au叠层及Au/Mg/Au叠层中的任意一种，所述负电极包括Ti/Al叠层、Ti/Al/Ti/Au叠层及Ti/Al/Ni/Au叠层中的任意一种。


9.一种基于MEMS热电堆的可见光收发集成器件的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一衬底，所述衬底上表面自下而上依次设有缓冲层、N型GaN层、多量子阱层及P型GaN层；
图形化...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘桂芝，何云，王冬峰，
申请(专利权)人：上海南麟集成电路有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31