[发明专利]用于环境感知的硅衬底氮化镓光子集成芯片及其制造方法

说明书

本发明提出了半导体领域内的一种用于环境感知的硅衬底氮化镓光子集成芯片，以硅衬底氮化物晶圆为载体，包括硅衬底层和氮化物外沿层，所述氮化物外延层的顶层设有发射器和接收器，所述发射器和接收器交替排列并且以阵列形式分布，所述发射器为带有亚波长超构表面的微型光源，所述接收器为带有亚波长超构表面的光电探测器，所述氮化物外延层带有连接发射器的正电极和负电极，所述氮化物外延层带有连接接受器的正电极和负电极，所述硅衬底层与电路板进行引线连接并结合构成芯片整体，本发明体积小，具有高度的集成性，检测精度高，可应用于无接触式光学传感器，提升周围复杂环境感知的准确度并促进无人驾驶、移动机器人等场景的发展。

技术领域

本发明涉及一种光子集成芯片，具体的说是一种硅衬底氮化镓光子集成芯片，属于半导体技术领域。

背景技术

环境感知技术是自动驾驶、物联网和智慧城市等自适应智慧运行系统的重要支撑技术之一。对外界环境的感知是人类认识自然和适应自然的基本前提，同样自动感知外界并和外界交互也是人工智能系统必不可少的部分。在所有的感知手段中, 非接触的环境感知能力是极其重要的，非接触传感技术的发展可以进一步扩大环境感知的应用机会。对于自动驾驶、物联网、机器人、家庭自动化、智慧城市等许多应用场景来说，通过视觉、雷达或激光雷达等非接触传感技术进行物体识别和碰撞警告，通过超声波传感器实现短距离接近侦测，基于声学的危险声音检测等技术都已经得到广泛发展。上述技术各有其优点和局限性，因此继续研究准确可靠的非接触式环境感知新技术，如利用可见光信号的环境感知新技术，有很大的价值和潜力。

作为第三代半导体，氮化物材料具有优异的光学、电学、机械和压电性能。通过改变 In、Ga、Al等元素在材料体系中的含量，可以调控氮化物材料的禁带宽度，发射或探测覆盖紫外、可见光及近红外波段的光信号。氮化物多量子阱材料的光电性能相较于体半导体形态的氮化物材料更为优异。由于多量子阱材料的发射谱和探测谱存在重叠，氮化物多量子阱材料制备的光电子器件存在发光探测共存现象。多量子阱光电子器件受到正向偏压作用下，在激发光子的同时，产生的高能光子亦会被施加反向偏压的氮化物多量子阱光电子器件吸收，激发出电子空穴对，能够完成光子集成芯片下电光/光电的双向能量及信息转换。采用多量子阱材料的氮化物多量子阱材料光子集成芯片是实现低成本、低功耗的可见光环境感知系统的一种极具潜力的选择。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于环境感知的硅衬底氮化镓光子集成芯片及其制造方法，实现了可见光波段的微型光源、光电探测器和超构表面的同质集成，利用亚波长超构表面对多量子阱结构发射/接收的光信号进行功能性调制，操控可见光信号的远场分布和近场聚焦位置，具有高集成度、高响应速度、高环境信号灵敏度。

本发明的目的是这样实现的：一种用于环境感知的硅衬底氮化镓光子集成芯片，以硅衬底氮化物晶圆为载体，包括硅衬底层和氮化物外沿层，所述氮化物外延层的顶层设有发射器和接收器，所述发射器和接收器交替排列并且以阵列形式分布，所述发射器为带有亚波长超构表面的微型光源，所述接收器为带有亚波长超构表面的光电探测器，所述氮化物外延层带有连接发射器的正电极和负电极，所述氮化物外延层带有连接接受器的正电极和负电极，所述硅衬底层与电路板进行引线连接并结合构成芯片整体。

作为本发明的进一步限定，所述发射器为带有亚波长超构表面的可见光波段的微型光源，所述接收器为带有亚波长超构表面的可见光波段的光电探测器。

作为本发明的进一步限定，所述正电极和负电极均为镍电极。

作为本发明的进一步限定，所述正电极和负电极均为金电极。

一种用于环境感知的硅衬底氮化镓光子集成芯片的制造方法，包括以下步骤：

步骤（1）选取外延生长氮化物层的硅衬底晶圆，其结构从下至上依次包含硅衬底、缓冲层、氮化物外延层，所述氮化物外延层包括n型GaN层、进行电光/光电转换的多量子阱层、p型GaN层；

步骤（2）在顶层氮化物上表面蒸镀一层金属铬，作为步骤（4）刻蚀亚波长超构表面的硬质掩模层；