[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

说明书

本发明提供一种硅衬底悬空LED光波导集成光子器件及其制备方法，该器件利用各向异性硅刻蚀技术，剥离去除器件结构下硅衬底层和外延缓冲层，得到悬空氮化物薄膜LED光波导集成光子器件，进一步采用氮化物背后减薄刻蚀技术，获得超薄的硅衬底悬空LED光波导集成光子器件，降低LED器件的内部损耗，提高出光效率。本发明器件将光源和光波导集成在同一片晶圆上，解决了平面光子单片集成的难题，同时可使LED发出的光沿着光波导传输，解决光在光波导内传输的难题，实现光在平面传输的功能。

技术领域

本发明属于信息材料与器件领域，涉及一种硅衬底悬空LED光波导集成光子器件及其制备技术。

背景技术

从材料角度来看，氮化物材料特别是GaN材料，具有较高的折射率(～2.5)，在可见光、近红外波段透明，是一种优异的光学材料。然而，由于SiC和蓝宝石衬底不易加工，而氮化物特别是GaN的加工技术也不成熟，限制了氮化物光子及光学微机电器件的发展。近年来，通过引入AlN/AlGaN或其它独有的缓冲层来弥补晶格失配以及热膨胀不一致引起的残余应力，基于硅衬底的高质量氮化物材料日益成熟，已经逐步走向市场。美国的Nitronex、日本的Sanken等公司已经推出了商用的基于硅衬底氮化物材料。许多学术研究机构孵化出的高科技材料企业也将其特有的材料生长技术向企业界转化，可以根据用户的需求提供4-inch甚至更大尺寸的基于硅衬底的氮化物材料。同时，氮化物材料加工技术的不断突破，这一材料体系可以和目前成熟的硅加工技术结合起来，大规模、低成本制备新颖的氮化物光电器件。基于硅衬底的氮化物材料，利用成熟的硅刻蚀加工技术，可以进行硅衬底剥离，从而可以制备出悬空的氮化物薄膜器件，为发展面向光通信、光传感的氮化物光子及光学微机电器件奠定了基础。

发明内容

技术问题：本发明提供一种有超薄氮化物薄膜，实现了平面光子单片集成和光在平面光波导内传输，提高了LED内部光源利用效率的硅衬底悬空LED光波导集成光子器件，同时提供一种该器件的制备方法。

技术方案：本发明的硅衬底悬空LED光波导集成光子器件，以硅基氮化物晶片为载体，包括硅衬底层，设置在硅衬底层上的外延缓冲层，设置在外延缓冲层上的P-N结，所述P-N结包括从下至上依次连接设置的n-GaN层、InGaN/GaN量子阱和p-GaN层，所述p-GaN层上设置有p-电极，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量子阱的底面连接，所述下台面上设置有n-电极，所述n-GaN层、InGaN/GaN量子阱、p-GaN层、p-电极和n-电极构成LED器件，所述LED器件上集成有光波导，在所述n-GaN层下方设置有与p-电极、n-电极和光波导的位置正对且贯穿硅衬底层、外延缓冲层的空腔，使得LED器件和光波导悬空。

进一步的，本发明的硅衬底悬空LED光波导集成光子器件中，所述p-电极由依次连接的p-电极发光区、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，所述空腔处于p-电极发光区、p-电极导电区、n-电极导电区和光波导的正下方。

进一步的，本发明的硅衬底悬空LED光波导集成光子器件中，所述LED器件和光波导均在硅基氮化物晶片的氮化物层上实现，光波导与n-GaN层、InGaN/GaN量子阱、p-GaN层均连接。

进一步的，本发明的硅衬底悬空LED光波导集成光子器件中，所述LED器件上集成多个光波导。

进一步的，本发明的硅衬底悬空LED光波导集成光子器件中，所述LED器件的p-电极和n-电极均为Ni/Au电极，即沉积的金属材料为Ni/Au。

本发明的制备上述硅衬底悬空LED光波导集成光子器件的方法，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抛光减薄；