[发明专利]基于悬空p‑n结量子阱的光致晶体管及其制备方法

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

技术问题：本发明提供一种基于悬空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，本发明同时提供一种该晶体管的制备方法。

技术方案：本发明的基于悬空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，本发明的基于悬空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，本发明的基于悬空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，本发明的基于悬空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。

本发明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，本发明制备方法中，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，本发明制备方式中，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。