[发明专利]硅衬底悬空LED光波导集成光子器件及其制备方法

权利要求书

1.一种硅衬底悬空LED光波导集成光子器件，其特征在于，该光子器件以硅基氮化物晶片为载体，包括硅衬底层(1)，设置在所述硅衬底层(1)上的外延缓冲层(2)，设置在所述外延缓冲层(2)上的P-N结，所述P-N结包括从下至上依次连接设置的n-GaN层(3)、InGaN/GaN量子阱(4)和p-GaN层(5)，所述p-GaN层(5)上设置有p-电极(6)，在所述n-GaN层(3)上表面有刻蚀出的阶梯状台面，所述阶梯状台面包括一个上台面和位于上台面一侧的下台面，所述上台面与InGaN/GaN量子阱(4)的底面连接，所述下台面上设置有n-电极(7)，所述n-GaN层(3)、InGaN/GaN量子阱(4)、p-GaN层(5)、p-电极(6)和n-电极(7)构成LED器件，所述LED器件上集成有光波导(8)，在所述n-GaN层(3)下方设置有与p-电极(6)、n-电极(7)和光波导(8)的位置正对且贯穿硅衬底层(1)、外延缓冲层(2)的空腔，使得LED器件和光波导(8)悬空。

2.根据权利要求1所述的硅衬底悬空LED光波导集成光子器件，其特征在于，所述p-电极(6)由依次连接的p-电极发光区(9)、p-电极导电区(10)和p-电极引线区(11)组成；所述n-电极(7)由相互连接的n-电极导电区(12)和n-电极引线区(13)组成，所述空腔处于p-电极发光区(9)、p-电极导电区(10)、n-电极导电区(12)和光波导(8)的正下方。

3.根据权利要求1所述的硅衬底悬空LED光波导集成光子器件，其特征在于，所述LED器件和光波导(8)均在硅基氮化物晶片的氮化物层上实现，光波导(8)与n-GaN层(3)、InGaN/GaN量子阱(4)、p-GaN层(5)均连接。

4.根据权利要求3所述的硅衬底悬空LED光波导集成光子器件，其特征在于，所述LED器件上集成多个光波导(8)。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的硅衬底悬空LED光波导集成光子器件，其特征在于，所述p-电极(6)和n-电极(7)均为Ni/Au电极，即沉积的金属材料为Ni/Au。

6.一种制备权利要求1、2、3、4或5所述硅衬底悬空LED光波导集成光子器件的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤(1)在硅基氮化物晶片背后对硅衬底层(1)进行抛光减薄；

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光波导区域和n-GaN台阶区域；

步骤(3)采用反应离子束刻蚀n-GaN台阶区域和光波导区域；

步骤(4)去除残余光刻胶，得到阶梯状台面、p-GaN层(5)、InGaN/GaN量子阱(4)和光波导(8)；

步骤(5)在硅基氮化物晶片上表面均匀涂上一层光刻胶，光刻定义p-电极窗口区域与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(6)与n-电极(7)，去除残余光刻胶后，即得到LED器件；

步骤(6)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(1)下表面旋涂一层光刻胶层，利用背后对准技术，定义出一个对准并完全覆盖p-电极区域中的导电区和发光区、n-电极区域中的导电区和光波导区的背后刻蚀窗口；

步骤(7)将外延缓冲层(2)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(1)贯穿刻蚀至外延缓冲层(2)的下表面，形成一个空腔；

步骤(8)采用氮化物背后减薄刻蚀技术，从下往上对外延缓冲层(2)和n-GaN层(3)进行氮化物减薄处理；

步骤(9)去除残余光刻胶，即获得硅衬底悬空LED光波导集成光子器件。

7.根据权利要求6所述的制备硅衬底悬空LED光波导集成光子器件的方法，其特征在于，所述步骤(5)中的蒸镀Ni/Au，采用剥离工艺和温度控制在500±5℃的氮气退火技术实现。

8.根据权利要求6所述的制备硅衬底悬空LED光波导集成光子器件的方法，其特征在于，所述步骤(8)中，所述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。