基于異質鍵合的微型水下可見光通信雙工器件及制備方法與流程

本發明涉及基于異質鍵合的微型水下可見光通信雙工器件及制備方法，屬于信息材料與器件技術領域。

背景技術：

可見光通信是基于led器件發展起來的無線光通信技術，利用其輸出光功率和驅動電流的高速響應特性，以可見光作為信息載體，實現無線通信。可見光能夠提供超寬光譜頻段，在海洋勘探信息等水下環境中具有較小的信道衰減。可見光的光譜范圍為380nm-760nm，在400nm-500nm的藍光波段下水對可見光的吸收達到極小值，即在此波段下的水下可見光通信的信道衰減達到極小值。

氮化物材料化學性質非常穩定，禁帶寬度大，并且具有優良的光電特性和機械特性。目前，高質量的硅襯底氮化物晶片也日益成熟，已經逐步走向市場。基于硅襯底氮化物晶片led藍光發光器件不僅具有水下信道衰減小的優勢，并且具有較高的通信帶寬，可作為發射端應用于高性能高速度水下可見光通信

硅基光電傳感器件在藍光波段具有較高的靈敏度和響應頻率，適用于水下可見光通信的接收端。利用異質鍵合技術將藍光波段的接收端和發射端進行同軸鍵合獲得可以同時發射和接收信號的雙工終端，是實現高性能高速水下可見光通信的關鍵器件。本發明提出一種基于異質鍵合技術的微型化藍光led水下可見光通信同軸雙工終端器件，降低水下可見光通信的信道衰減，為發展面向高性能高速水下可見光通信的微型化集成雙工器件奠定基礎。

技術實現要素：

技術問題：本發明提供一種能夠實現水下高性能高速雙向可見光通信的基于異質鍵合的微型水下可見光通信雙工器件及制備方法。

技術方案：本發明的基于異質鍵合的微型水下可見光通信雙工器件，包括作為載體的硅襯底氮化物晶片、設置在所述硅襯底氮化物晶片下方的n型摻雜硅晶片，所述硅襯底氮化物晶片包括硅襯底層和位于所述硅襯底層上方的頂層氮化物，所述硅襯底層部分掏空，形成懸空部位，所述頂層氮化物上設置有位于所述懸空部位上方的鎳/金電極，所述懸空部位上方的頂層氮化物和鎳/金電極構成薄膜led藍光發光器件，所述n型摻雜硅晶片頂層設置有適用于藍光波段的光電傳感器件，所述光電傳感器件位于懸空部位下方，包括p型摻雜和鋁電極，所述p型摻雜與n型摻雜硅形成硅基pn結，薄膜led藍光發光器件與光電傳感器件上下正對并通過異質鍵合連接。

進一步的，本發明器件中，n型摻雜硅晶片為摻雜了磷元素的本征硅晶片。

本發明器件在垂直方向上通過異質鍵合技術集成了位于同軸的led藍光發光器件和適用于藍光波段的光電傳感器件。透明的懸空薄膜led藍光發光器件可以透過另一雙工終端器件發射的藍光信號，由鍵合在懸空薄膜led藍光發光器件下方的硅基光電傳感器件接收，實現同時雙工可見光通信。

本發明的基于異質鍵合的微型水下可見光通信雙工器件制備方法，包括如下步驟：

步驟(1)在硅襯底氮化物晶片的頂層氮化物上表面進行光學光刻定義led發光區域，并進行三五族材料反應離子刻蝕，暴露出用于制備負電極的led層中的n型氮化物材料區域；

步驟(2)在硅襯底氮化物晶片頂層氮化物上表面進行光學光刻，定義led器件正負電極的圖形結構；

步驟(3)采用等離子體增強化學氣相沉積技術在所述硅襯底氮化物晶片頂層氮化物上表面沉積二氧化硅層，在二氧化硅層表面進行光學光刻定義出光電傳感器件電極的圖形，并進行氫氟酸濕法刻蝕，將光電傳感器件電極的圖形轉移至二氧化硅層上；

步驟(4)在所述硅襯底氮化物晶片下表面進行光學光刻，定義薄膜led藍光發光器件與光電傳感器件進行異質鍵合的鍵合點；

步驟(5)在所述硅襯底氮化物晶片下表面進行光學光刻，定義硅襯底層的懸空區域的圖形結構，采用深硅反應離子刻蝕技術將該圖形結構區域的硅材料掏空，形成薄膜led藍光發光器件；

步驟(6)采用離子注入技術在n型摻雜硅晶片上表面用于探測藍光的區域注入硼元素，形成p型摻雜，制成硅基pn結；

步驟(7)在所述n型摻雜硅晶片上表面進行光學光刻，定義光電傳感器件正負電極的圖形結構；

步驟(8)采用金硅鍵合技術形成金硅互熔混合物，實現薄膜led藍光發光器件與光電傳感器件之間的異質鍵合；

步驟(9)采用三五族材料反應離子刻蝕技術，去除所述硅襯底氮化物晶片上光電傳感器件電極的區域的氮化物層；

步驟(10)采用深硅反應離子刻蝕技術，去除所述硅襯底氮化物晶片上光電傳感器件電極的區域的硅襯底；

步驟(11)采用二氧化硅反應離子刻蝕技術，去除在所述步驟(10)深硅反應離子刻蝕中用于保護硅基光電傳感器件區域的二氧化硅層。

進一步的，本發明方法中，步驟(1)中定義的led發光區域為p型氮化物材料區域，所述步驟(2)中通過如下方式定義led器件正負電極的圖形結構：采用電子束蒸鍍技術沉積鎳/金復合金屬層，并使用有機試劑丙酮在超聲清洗環境中進行剝離，獲得led器件正負電極。

進一步的，本發明方法中，步驟(4)中通過如下方式定義鍵合點：采用電子束蒸鍍技術沉積銅/金復合金屬層，并使用有機試劑丙酮在超聲清洗環境中進行剝離，獲得鍵合點圖形結構。

進一步的，本發明方法中，步驟(7)中通過如下方式定義光電傳感器件正負電極：采用電子束蒸鍍技術沉積鋁金屬層，并使用有機試劑丙酮在超聲清洗環境中進行剝離，獲得光電傳感器件正負電極。

有益效果：本發明與現有技術相比，具有以下優點：

目前主流的水下通信技術，如長波電磁波通信，受水下設備電磁干擾較大，且在水下衰減率較高；超聲波通信的傳輸速度較慢，通信速率低，設備體積大，費用高。本發明所設計的基于異質鍵合的微型水下可見光通信雙工器件的藍光信號相比一般電磁波信號和其他波段的可將光信號，在水下衰減率極低，傳播距離長，效率高。并且可見光具有較高的通信帶寬，可以進行高速傳輸，發展具有高性能高速的水下可見光通信集成系統；

可見光通信系統的信號發射端多使用商用白光led，信號接收端多使用商用pin光電二極管，兩個獨立器件分別進行信號收發，設備體積較大，可達數厘米至數十厘米。本發明所設計的基于異質鍵合的微型水下可見光通信雙工器件利用金硅異質鍵合技術將信號發射端和接收端在垂直方向上進行單片集成，實現微型化水下可見光通信雙工終端，尺寸可小至幾百微米。

對于獨立安裝，不在同一個位置上的可見光信號發射端和接收端，無法同時進行可見光信號的雙工通信，需要在不同時間收發可見光信號，并進行光路校準。本發明所設計的基于異質鍵合的微型水下可見光通信雙工器件的發射端為透明的薄膜led藍光發光器件，通過異質鍵合在垂直方向上將作為接收端的硅基光電傳感器件置于led器件下方，其他雙工終端器件發射的可見光信號可以穿過薄膜led藍光發光器件，在同一時間由硅基光電傳感器件接收，實現同時雙工水下可見光通信。

附圖說明

圖1為基于異質鍵合的微型水下可見光通信雙工器件的示意圖；

圖2為基于異質鍵合的微型水下可見光通信雙工器件的制備工藝流程；

圖3為基于異質鍵合的微型水下可見光通信雙工器件的測試系統示意圖；

圖4為led藍光發光器件的電致發光光譜；

圖5為不同波長的電磁波在水中的吸收率；

圖6為本發明器件中n型摻雜硅晶片俯視圖；

圖7為本發明器件整體俯視圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的技術方案做進一步的詳細說明：

如圖1所示，本發明設計了基于異質鍵合的微型水下可見光通信雙工器件，實現載體為硅襯底氮化物晶片和n型摻雜硅晶片，所述硅襯底氮化物晶片包括頂層氮化物和位于頂層氮化物下部的硅襯底層，所述n型摻雜硅晶片為本征硅晶片摻雜了磷元素。其特征在于：

所述硅襯底氮化物晶片和n型摻雜硅晶片通過金硅異質鍵合技術鍵合連接；

所述硅襯底氮化物晶片硅襯底層部分掏空，硅襯底氮化物晶片頂層具有懸空薄膜led藍光發光器件；

所述n型摻雜硅晶片頂層具有適用于藍光波段的光電傳感器件；

所述n型摻雜硅晶片頂層具有適用于藍光波段的光電傳感器件，在鍵合后在垂直方向上位于硅襯底氮化物晶片頂層的懸空薄膜led藍光發光器件下方。

在具體應用場景中，利用led藍光發光器件在水下吸收率低的優勢，實現極低的水下可見光通信信道衰減，獲得高性能水下可見光通信發射端。利用硅基光電傳感器件在藍光波段的高靈敏度，實現對發射端信號的高效率接收，獲得高性能水下可見光通信接收端。

作為本發明的一種優化結構：所述基于異質鍵合的微型水下可見光通信雙工器件的發射端為懸空薄膜藍光led器件，并通過異質鍵合技術在垂直方向上安放在接收端硅基光電傳感器件上方。

本發明所設計的基于異質鍵合的微型水下可見光通信雙工器件應用范圍，例如：

利用器件在水下環境中的低衰減率和高速高性能，可以用于實現水下影像信號的傳輸，固定在海底的環境傳感器數據的快速無線采集和傳輸，潛艇和潛艇之間的加密海底通信等；

本發明還設計了一種基于異質鍵合的微型水下可見光通信雙工器件的制備方法，其特征在于，包括如下具體步驟：

步驟(1)在硅襯底氮化物晶片上表面進行光學光刻定義led發光區域，并進行三五族材料反應離子刻蝕，暴露出用于制備負電極的led層中的n型氮化物材料區域；

步驟(2)在硅襯底氮化物晶片上表面進行光學光刻，定義led器件正負電極的圖形結構；

步驟(3)采用等離子體增強化學氣相沉積技術在所述硅襯底氮化物晶片上表面沉積二氧化硅層，在二氧化硅層表面進行光學光刻定義出完成步驟(10)和步驟(11)所需的用于暴露出光電傳感器件電極的圖形，并進行氫氟酸濕法刻蝕，將用于暴露出光電傳感器件電極的圖形轉移至二氧化硅層上；

步驟(4)在所述硅襯底氮化物晶片下表面進行光學光刻，定義硅襯底氮化物晶片和n型摻雜硅晶片進行異質鍵合的鍵合點。采用電子束蒸鍍技術沉積銅/金復合金屬層，并使用有機試劑丙酮在超聲清洗環境中進行剝離，獲得鍵合點圖形結構；

步驟(5)在所述硅襯底氮化物晶片下表面進行光學光刻，定義薄膜led藍光發光器件的懸空區域的圖形結構，采用深硅反應離子刻蝕技術將該圖形結構區域的硅材料掏空，形成薄膜led藍光發光器件；

步驟(6)采用離子注入技術在所述n型摻雜硅晶片上表面用于探測藍光的區域注入硼元素，在用于探測藍光的區域形成p型摻雜，制成硅基pn結用于光電探測；

步驟(7)在所述n型摻雜硅晶片上表面進行光學光刻，定義光電傳感器件件正負電極的圖形結構。采用電子束蒸鍍技術沉積鋁金屬層，并使用有機試劑丙酮在超聲清洗環境中進行剝離，獲得光電傳感器件件正負電極；

步驟(8)采用金硅鍵合技術，在400攝氏度高溫下利用金硅互熔點低的特點，形成金硅互熔混合物，冷卻以后就形成了良好的鍵合。利用這種技術實現硅襯底氮化物led和光電傳感器件之間的異質鍵合；

步驟(9)采用三五族材料反應離子刻蝕技術，去除所述硅襯底氮化物晶片上應暴露出光電傳感器件電極的區域的氮化物層；

步驟(10)采用深硅反應離子刻蝕技術，去除所述硅襯底氮化物晶片上應暴露出光電傳感器件電極的區域的硅襯底；

步驟(11)：采用二氧化硅反應離子刻蝕技術，去除在步驟(10)深硅反應離子刻蝕中用于保護硅基光電傳感器件區域的二氧化硅層。

上述實施例僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和等同替換，這些對本發明權利要求進行改進和等同替換后的技術方案，均落入本發明的保護范圍。