基于懸空p-n結量子阱的光致晶體管及其制備方法
【技術領域】
[0002] 本發明屬于信息材料與器件領域，設及一種懸空p-n結量子阱的光致晶體管及其 制備技術。
[0003]
【背景技術】
[0004] 氮化物材料特別是GaN材料，具有更高的禁帶寬度，更大的電子飽和漂移速度，更 強的臨近擊穿電場，更高的熱導率W及熱穩定性等特性，是制備高頻、高溫、高壓、大功率器 件的理想材料。而基于娃襯底氮化物材料的光致晶體管器件，通過利用各向異性娃刻蝕技 術，剝離去除器件結構下娃襯底層，得到基于懸空氮化物薄膜P-n結量子阱的光致晶體管， 進一步采用氮化物背后減薄刻蝕技術，獲得超薄的懸空器件。該器件一端的L邸光源發出的 光，由另一端的光電探測器感知到，實現器件的光致晶體管特性；該器件作為兩個共地的 L抓光源，獨立地傳輸被調制的光信號，實現可見光無線通信的雙通道發射;該器件作為兩 個共地的光電探測器，獨立地感知空間光信號，實現可見光無線通信的雙通道探測。運為發 展面向可見光無線通信、光傳感的氮化物光子及光學微電子器件提供了新的方向。
[0005]
【發明內容】
[0006] 技術問題:本發明提供一種基于懸空p-n結量子阱的光致晶體管，將該晶體管一端 作為Lm)光源，另一端作為光電探測器、兩個共地的Lm)光源、兩個共地的光電探測器，分別 實現器件的光致晶體管特性、可見光無線通信的雙通道發射和可見光無線通信的雙通道探 測，本發明同時提供一種該晶體管的制備方法。
[0007] 技術方案:本發明的基于懸空p-n結量子阱的光致晶體管，W娃基氮化物晶片為載 體，包括娃襯底層、設置在所述娃襯底層上的外延緩沖層、設置在所述外延緩沖層上的兩個 p-n結量子阱器件;所述p-n結量子阱器件由n-GaN層、InGaN/GaN多量子阱、P-GaN層、P-電極 和n-電極構成，在所述n-GaN層上表面有刻蝕出的階梯狀臺面，所述階梯狀臺面包括下臺面 和位于下臺面上的上臺面，所述InGaN/GaN多量子阱、P-GaN層、P-電極從下至上依次連接設 置在上臺面的上方，所述n-電極設置在下臺面上，為兩個p-n結量子阱器件所共用；在所述 n-GaN層下方設置有貫穿娃襯底層、外延緩沖層至n-GaN層中的空腔，使得p-n結量子阱器件 懸空。
[000引進一步的，本發明的基于懸空p-n結量子阱的光致晶體管中，所述P-電極由依次連 接的懸空P-電極區、P-電極導電區和P-電極引線區組成;所述n-電極由相互連接的n-電極 導電區和n-電極引線區組成，兩個p-n結量子阱器件的懸空P-電極區和部分n-電極導電區、 部分n-電極引線區構成懸空電極區，所述空腔位于懸空電極區的下方。
[0009]進一步的，本發明的基于懸空p-n結量子阱的光致晶體管中，所述p-n結量子阱器 件在娃基氮化物晶片的氮化物層上實現。
[0010] 進一步的，本發明的基于懸空p-n結量子阱的光致晶體管中，所述P-電極和n-電極 均為Ni/Au電極，即沉積的金屬材料為Ni/Au。
[0011] 本發明的制備上述基于懸空p-n結量子阱的光致晶體管的方法，包括W下步驟： 步驟(1)在娃基氮化物晶片背后對娃襯底層進行減薄拋光； 步驟(2)在娃基氮化物晶片上表面均勻涂上一層光刻膠，采用曝光技術在光刻膠層上 定義出n-GaN臺階區域，所述n-GaN臺階區域包括下臺面和上臺面； 步驟(3)采用反應離子束刻蝕n-GaN臺階區域，得到階梯狀臺面； 步驟(4)在娃基氮化物晶片上表面均勻涂上一層光刻膠，光刻定義出位于上臺面的p-n 結量子阱器件的P-電極窗口區域、位于下臺面的P-n結量子阱器件的n-電極窗口區域，然后 在所述P-電極窗口區域與n-電極窗口區域分別蒸鍛Ni/Au，形成歐姆接觸，實現P-電極與n-電極，去除殘余光刻膠后，即得到P-n結量子阱器件； 步驟巧)在娃基氮化物晶片頂層涂膠保護，防止刻蝕過程中損傷表面器件，在娃基氮化 物晶片的娃襯底層下表面旋涂一層光刻膠層，利用背后對準技術，定義出一個對準并覆蓋 p-n結量子阱器件懸空部分的背后刻蝕窗口； 步驟(6)將外延緩沖層作為刻蝕阻擋層，利用背后深娃刻蝕技術，通過背后刻蝕窗口將 所述娃襯底層貫穿刻蝕至外延緩沖層的下表面； 步驟口 )采用氮化物背后減薄刻蝕技術，從下往上對外延緩沖層和n-GaN層進行氮化物 減薄處理，形成一個空腔； 步驟(8)去除殘余光刻膠，獲得基于懸空p-n結量子阱的光致晶體管器件。
[0012] 進一步的，本發明制備方法中，所述步驟(4)中的蒸鍛Ni/Au，采用剝離工藝和溫度 控制在500? 5°C的氮氣退火技術實現。
[0013] 進一步的，本發明制備方式中，步驟(7)中的氮化物背后減薄刻蝕技術為離子束轟 擊或反應離子束刻蝕技術。
[0014] 進一步的，本發明制備方式中，所述步驟(4)中定義的P-電極窗口區域包括依次連 接的懸空P-電極區窗口、P-電極導電區窗口和P-電極引線區窗口，所述n-電極窗口區域包 括相互連接的n-電極導電區窗口和n-電極引線區窗口。
[0015] 本發明通過曝光技術和氮化物刻蝕工藝，將LED、光電探測器轉移到頂層氮化物器 件層。利用各向異性娃刻蝕技術，剝離去除器件結構下娃襯底層和外延緩沖層，進一步采用 氮化物背后減薄刻蝕技術，獲得超薄的基于懸空P-n結量子阱的光致晶體管。
[0016] 本發明中，晶體管一端作為Lm)光源，另一端作為光電探測器，由于兩個器件之間 優異的光譜匹配特性，光電探測器能夠感知Lm)器件發出的光，將光信號轉成電信號輸出， 從而實現器件的光致晶體管特性。
[0017] 本發明的基于懸空p-n結量子阱的光致晶體管，可W將該晶體管作為兩個共地的 L抓光源，獨立地傳輸被調制的光信號，實現可見光無線通信的雙通道發射。可W將該晶體 管作為兩個共地的光電探測器，獨立地感知空間光信號，實現可見光無線通信的雙通道探 測。本發明器件W光子作為信息傳輸載體，很好地解決了信號傳輸時崎變失真、能量損耗等 問題；同時，本器件既可W作為兩個L邸光源，也可作為兩個光電探測器，實現器件的多功能 應用。
[0018]有益效果:本發明與現有技術相比，具有W下優點： 本發明的基于懸空p-n結量子阱的光致晶體管區別于傳統電致晶體管W電子作為傳輸 載體，采用光子作為信息傳輸的載體，使信息在傳輸中所造成的信息崎變和失真極小，光傳 輸、轉換時能量消耗和散發熱量極低。同時，光致晶體管器件既可作為Lm)光源，也可作為光 電探測器使用；同時，實現晶體管源、漏極的雙向利用。解決了器件的多功能應用問題，功能 更加全面且制作工藝簡潔，為平面光子集成開創了一種新的光致晶體管器件。
[0019]本發明器件將光源、光電探測器集成在同一忍片上，L抓器件發出的光，在另一端 被光電探測器探測到，利用量子阱器件的電光效應和光電效應，實現光致晶體管特性； 本發明器件可作為兩個Lm)光源，采用共地結構，獨立地傳輸被調制的光信號，實現可 見光無線通信的雙通道發射； 本發明器件可作為兩個光電探測器，采用共地結構，獨立地感知空間傳輸的光信號，實 現可見光無線通信的雙通道探測。
[0020] 本發明的基于懸空p-n結量子阱的光致晶體管，其制備技術與娃加工技術兼容，可 實現面向可見光波段光通信、光傳感的平面光子集成器件。
[0021]
【附圖說明】
[0022] 圖1是本發明基于懸空p-n結量子阱的光致晶體管結構示意圖。
[0023] 圖2是本發明基于懸空p-n結量子阱的光致晶體管俯視圖。
[0024] 圖3是本發明基于懸空p-n結量子阱的光致晶體管的制造流程圖。
[0025] 圖中有：1 -娃襯底層;2 -外延緩沖層;3 -n-GaN; 4 - InGaN/GaN多量子阱；5 -P-GaN層;6-p-電極；7-n-電極;8-懸空P-電極區；9-p-電極導電區；10-p-電極引線區； 11-n-電極導電區；12-n-電極引線區；13-懸空電極區。
[0026]
【具體實施方式】
[0027] 下面結合實施例和說明書附圖對本發明作進一步的說明。
[0028] 圖1、圖2給出了本發明的基于懸空p-n結量子阱的光致晶體管的結構示意圖。該器 件W娃基氮化物晶片為載體，包括娃襯底層1、設置在所述娃襯底層1上的外延緩沖層2、設 置在所述外延緩沖層2上的p-n結量