[发明专利]AlGaN基同质集成光电子芯片及其制备方法

说明书

本发明提供一种AlGaN基同质集成光电子芯片的制备方法，包括：选择C面具有斜切角的图形化衬底，所述斜切角的角度大于0.1°且小于90°；在图形化衬底上外延生长AlN模板；在AlN模板上生长AlGaN基器件结构；对图形化衬底上外延生长的AlGaN材料翼区以及台面区进行定位；在相应区域制备光探测器件、发光器件以及光波导结构，得到AlGaN基同质集成光电子芯片。上述方法可以提高电子芯片的工作效率。

技术领域

本发明涉及半导体技术以及通信领域，特别涉及一种AlGaN基同质集成光电子芯片及其制备方法。

背景技术

同质集成光电子芯片是指将发光器件、光波导、光探测器件集成于一体的芯片，其光发射以及光探测器件活性区都为量子阱结构，利用相同工艺制备而成。该种芯片在光通信系统、光互联存储器系统、光电处理器系统等领域具有广泛的应用前景。其工作原理是利用芯片中的光探测器对光信号进行探测，同时对探测信号进行调制，再通过发光器件将信号以光形式输出，以此实现信号的传输。由于光信号沿直线传播，容易屏蔽，且频率远高于现有通讯频段的特点，因此利用同质集成光电子芯片进行信息传输具有传输信息快，保密性强等优势。

同时，由于紫外光具有频率高，不受可见光干扰以及易于隐蔽等优势，利用紫外光电器件作为信号传输单元(同质集成光芯片)具有广大的应用前景。对于紫外同质集成光芯片而言，AlGaN基半导体材料是理想的器件制备材料。因为AlGaN是直接禁带半导体，随Al组分变化，其禁带宽度在3.4～6.2eV之间连续可调,覆盖了大部分紫外波段，而且其具有稳定的物理化学性质，有良好的应用潜力。

然而，目前制约三族氮化物同质集成光电子芯片性能的主要原因之一为光芯片中探测器件与发光器件的响应频段重合度较低，最终影响信号传输速率。该现象产生原因为在平面衬底或者小斜切角衬底上，同质集成光电子芯片发光与探测器量子阱组分一致，在工作前具有相同的有效禁带宽度。然而，由于三族氮化物半导体的极化作用，使器件中量子阱结构能带产生量子限制斯塔克效应(QCSE)，该效应可导致器件响应波段红移。发光器件的正向偏压会增大QCSE效应，使发光器件量子阱有效禁带宽度较工作前降低，发光波段红移；探测器的反向偏压会降低QCSE效应，使探测器件量子阱有效禁带宽度较工作前增大，探测波段蓝移。因此，对于具有相同组分与量子阱结构的AlGaN基同质集成光电子芯片，其探测与发光波段分离现象愈加严重，降低器件工作效率。

为克服该现象，提高AlGaN基同质集成光芯片工作效率，本发明提出一种在大斜切角图形化衬底上外延生长AlGaN基同质集成光电子芯片结构，通过选区制备发光、探测器件以及光波导结构以增大光芯片中发光及探测波段重合度的方法。通过该方法可有效地提高AlGaN基同质集成光电子芯片信号转换效率，增大数据传播速度。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种能提高光电子芯片工作效率的AlGaN基同质集成光电子芯片及其制备方法。

根据本发明的一个目的，提供一种AlGaN基同质集成光电子芯片的制备方法，包括：

选择C面具有斜切角的图形化衬底，所述斜切角的角度大于0.1°且小于90°；

在图形化衬底上外延生长AlN模板；

在AlN模板上生长AlGaN基器件结构；

对图形化衬底上外延生长的AlGaN材料翼区以及台面区进行定位；

在相应区域制备光探测器件、发光器件，得到AlGaN基同质集成光电子芯片。

在其中一个实施例中，所述图形化衬底材料为蓝宝石、硅或碳化硅。

在其中一个实施例中，所述外延生长AlN模板时采用金属有机物化学气相沉积、分子束外延法或氢化物气相外延法。

在其中一个实施例中，所述定位的方法为光学显微镜、电致发光光谱、阴极荧光光谱或扫描电子显微镜法。