[发明专利]一种微纳复合结构光子集成芯片及其制备方法

说明书

本发明公开了一种微纳复合结构光子集成芯片及其制备方法，属于半导体光电子器件与集成技术领域，该芯片利用纳米制备技术得到纳米LED结构，然后利用光刻技术得到LED器件、波导和光电探测器，采用深硅刻蚀技术和氮化物背后刻蚀技术，得到超薄的硅衬底悬空微纳复合结构光子集成芯片。本发明的芯片将纳米结构LED器件、波导和光电探测器集成在同一芯片上，纳米LED器件发出的光，侧向耦合进波导，通过波导传输，在波导另一端被光电探测器检测到，纳米结构可以增强LED的调制带宽和增大LED的发光谱和探测器响应谱的重叠程度，实现高速光子集成芯片，应用于光通信和光传感领域。

技术领域

本发明属于半导体光电子器件与集成技术领域，具体涉及一种微纳复合结构光子集成芯片及其制备方法。

背景技术

可见光通信是基于发光二极管（LED）高开关响应而发展起来的光通信技术，利用其输出光功率和驱动电流的高速响应特性，以可见光作为信息载体，在空气等传输介质中直接传输光信号的一种通信方式，与传统无线通信相比，具有频谱宽、发射功率高、对人体无害、无电磁干扰、保密性好等优点而备受关注。

随着可见光通信技术的不断发展和应用场前景的日益不断扩大，集成化、微型化、智能化的芯片开发已成为其通讯领域未来的发展的迫切需要趋势。

利用LED本身的外延结构制备制作可见光探测器，可以实现LED器件与光电探测器等不同器件的晶圆级单片集成。通过调制LED器件，改变输出光的强度，实现信号的电光转换，发射光耦合进波导结构，并被另一端的光电探测器吸收感知，实现信号的光电转换，通过后续的信号放大、过滤及复原，完成芯片内的信息传输，光在波导中传播时基本不产生热效应，可用于芯片之间及其与系统之间的数据通信，并能够为解决集成芯片能耗和热效应问题提供一种新的芯片方案。

尽管光子集成芯片已经取得了一些进展，但要实现大规模的商业化，仍然面临着一些挑战性的问题，例如LED同时作为发光器件和探测器器件时，器件性能存在本征的内在矛盾，LED的发射谱和探测器的响应谱交叠程度较小，导致通信速率低等问题。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种微纳复合结构光子集成芯片，通过波导传输，在波导另一端被光电探测器检测到，实现单片光子集成芯片；本发明的另一目的是提供一种微纳复合结构光子集成芯片的制备方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种微纳复合结构光子集成芯片，包括依次叠合设置的硅衬底层、缓冲层、非掺杂GaN层、n型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层和p型GaN层；所述的p型GaN层向下刻蚀至n型GaN层后形成LED器件和光电探测器，在所述的LED器件和光电探测器之间形成波导；所述的LED器件和光电探测器均分别包括p型电极、n型电极和p型GaN层刻蚀后形成的p型区域，在所述的p型区域上设置与p型电极相连的Ni/Au电流扩展层，所述的p型电极设置在二氧化硅层上，所述的n型电极和二氧化硅层均分别设置在n型台面上。所述的LED器件和光电探测器均还包括刻蚀后的InGaN/GaN多量子阱层（5）和n型GaN层（4）。

进一步地，所述的n型台面为两个且均设置在n型GaN层上，在每个所述的p型电极两侧对称设置n型电极。

进一步地，所述的LED器件中，所述的p型区域设置在InGaN/GaN多量子阱层上，在p型区域设有有序的纳米孔阵列，纳米孔阵列的深度从p型区域表面穿过InGaN/GaN多量子阱层，直至n型GaN层内部。

进一步地，所述的光电探测器中，所述的p型区域设置在InGaN/GaN多量子阱层上。

进一步地，在所述的波导、LED器件和光电探测器的下方设有空腔使LED器件、光电探测器和波导悬空，所述的空腔贯穿硅衬底层、缓冲层、非掺杂GaN层至n型GaN层的底面。