基于納米線技術(shù)的新型片上集成光耦的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明屬于微電子集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及一種基于納米線技術(shù)的片上可集成新型光耦。
【背景技術(shù)】
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[0002]片上系統(tǒng)指的是在單個(gè)芯片上集成一個(gè)完整的系統(tǒng)，對所有或部分必要的電子電路進(jìn)行包分組的技術(shù)。所謂完整的系統(tǒng)一般包括中央處理器(CPU)、存儲器、以及外圍電路等。由于空前的高效集成性能，片上系統(tǒng)是替代集成電路的主要解決方案。片上系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)前微電子芯片發(fā)展的必然趨勢。
[0003]光耦合器簡稱光耦。它是以光為媒介來傳輸電信號的器件，通常把發(fā)光器(發(fā)光二極管LED)與受光器(光敏半導(dǎo)體管)封裝在同一管殼內(nèi)。當(dāng)輸入端加電信號時(shí)發(fā)光器發(fā)出光線，受光器接受光線之后就產(chǎn)生光電流，從輸出端流出，從而實(shí)現(xiàn)了 “電一光一電”轉(zhuǎn)換。光耦合器以光為媒介傳輸電信號，對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，在各種電路中得到廣泛的應(yīng)用。光耦是目前種類最多、用途最廣的光電器件之一。
[0004]目前的片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)中在需要對輸入、輸出電信號隔離時(shí)，仍然是通過外部光耦等獨(dú)立器件實(shí)現(xiàn)的，不僅占用了集成芯片的引腳資源，對整體設(shè)計(jì)的集成化、小型化也十分不利。
[0005]利用納米線技術(shù)，在硅片上實(shí)現(xiàn)光耦功能的同時(shí)，將光耦的尺寸縮小到微米級。具有這樣結(jié)構(gòu)的光耦可以被集成到片上系統(tǒng)中，在需要對輸入、輸出信號隔離的應(yīng)用中，這種新型光耦可以極大簡化外圍電路，使系統(tǒng)集成度更高，更加小型化。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是在硅片上制作微型光耦，要求該光耦尺寸不大于100μm，最主要的具有發(fā)光部分、光波導(dǎo)部分和光敏部分。發(fā)光部分在有適當(dāng)外加電壓時(shí)發(fā)光，否則不發(fā)光。發(fā)光部分發(fā)出的光可以很好的透過光波導(dǎo)部分。光敏部分可以探測由發(fā)光部分發(fā)出并通過光波導(dǎo)的光的有無。
[0007]為解決在同一硅片上制作微型光耦的尺寸要求，本發(fā)明通過制作納米線發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)和納米線光敏二極管結(jié)構(gòu)，并通過SiN光波導(dǎo)將它們相連，可以使該光耦的最大尺寸不大于100微米。
[0008]為解決發(fā)光部分反映外加電壓有無的問題，本發(fā)明發(fā)光部分是一個(gè)納米線LED或多個(gè)納米線LED并聯(lián)，其是否發(fā)光完全依賴外加電壓的有無。
[0009]為解決LED發(fā)出的光能夠很好的被探測器接受，光波導(dǎo)部分采用SiNxSS12材料，使得LED發(fā)出的光能夠很好的透過光波導(dǎo)。
[0010]為解決光敏部分可以探測光的有無的問題，本發(fā)明的光敏部分是具有一個(gè)或多個(gè)并聯(lián)光敏二極管結(jié)構(gòu)的納米線，且置于波導(dǎo)之中，可以有效地降低外界環(huán)境對器件性能的影響。[0011 ] LED發(fā)光時(shí)，以SiNx或S12材料作為光波導(dǎo)將納米線LED和納米線光敏二極管相連，可以使LED發(fā)出的光很好的透過光波導(dǎo)部分并被光敏二極管探測到。根據(jù)光敏二極管的響應(yīng)光譜范圍，適當(dāng)調(diào)整LED發(fā)光的中心波長使得兩者光譜匹配，提高光耦響應(yīng)靈敏度。
【附圖說明】
[0012]圖1為常規(guī)制備GaN基納米線LED的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖2為GaN基納米線光敏二極管的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖3為基于納米線技術(shù)的新型片上集成光耦示意圖。
[0015]圖中:1-藍(lán)寶石襯底，2-A1N層，3-SiNx掩膜層，4_n_GaN層，5-量子阱層，6-p-GaN層，7-1nGaN勢阱層，8-硅襯底，9_Si02層，10_n電極，I Ι-p電極，12_SiNx，13_Si02層，14-GaN基納米線LED，15-GaN基納米線光敏二極管。
【具體實(shí)施方式】
[0016]以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明提出的基于納米線技術(shù)的新型片上集成光耦及其制作方法作進(jìn)一步詳細(xì)說明。根據(jù)下面說明和權(quán)利要求書，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征將更清楚。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式且均使用非精準(zhǔn)的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發(fā)明實(shí)施例的目的。
[0017]圖1為常規(guī)制備GaN基納米線LED的結(jié)構(gòu)示意圖，所述結(jié)構(gòu)包括襯底，優(yōu)選的，藍(lán)寶石襯底I，AlN層2，SiNx掩膜層3，n-GaN層4，量子阱層5，p-GaN層6，標(biāo)記GaN基納米線LED為15，其發(fā)光光譜范圍在400到800nm之間。
[0018]圖2為GaN基納米線光敏二極管的結(jié)構(gòu)示意圖，所述結(jié)構(gòu)包括襯底，優(yōu)選的，藍(lán)寶石襯底I，A1N層2，SiNx掩膜層3，n-GaN層4，InGaN勢阱層7，p_GaN層6，標(biāo)記GaN基納米線光敏二極管為16，其光譜響應(yīng)范圍在400到800nm之間。
[0019]制備集成光耦的步驟包括以下:
[0020]1、具體的，如圖3所示，提供襯底8，優(yōu)選的，所述襯底8為硅襯底。
[0021]2、在硅襯底制備一層厚約200?300nm S12層9。
[0022]3、在無水乙醇溶液中，通過超聲處理將GaN基納米線LED和探測器分別從藍(lán)寶石襯底上剝離出來，使用光鑷或其它方法將納米線移至S12層9上，并用光學(xué)顯微鏡對這兩種納米線結(jié)構(gòu)經(jīng)行標(biāo)記和分離。
[0023]4、使用hydrogen sylesqu1xane對納米線進(jìn)行封裝，然后熱退火使之固定，使用稀釋的氫氟酸對多余的hydrogen sylesqu1xane進(jìn)行清洗，使得納米線裸露出來但不脫離S12層9。
[0024]5、使用刻蝕工藝對GaN基納米線LED和光敏二極管進(jìn)行光刻工藝，使得n-GaN層暴露出來。
[0025 ] 6、分別在暴露的n-GaN層和p-GaN層上制作η型電極1和p型電極11。
[0026]7、在上述襯底上使用PECVD等方法制備一層厚約500?600nm光波導(dǎo)層12，優(yōu)選的，所述光波導(dǎo)層12為SiNx薄膜。
[0027]8、最后再制備一層厚約100?200nm鈍化層13，優(yōu)選的，所述鈍化層13為S12層。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于納米線技術(shù)的新型片上集成光耦，其特征在于:由一個(gè)或多個(gè)納米線結(jié)構(gòu)的LED光耦組成的發(fā)光部分和一個(gè)或多個(gè)納米線結(jié)構(gòu)的光敏二極管組成的光敏部分以及光波導(dǎo)部分組成;其最大尺寸不大于ΙΟΟμπι。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于納米線技術(shù)的新型片上集成光耦，其特征在于:所述光耦的襯底選自藍(lán)寶石、硅、氮化鎵、砷化鎵、氮化鋁和尖晶石中的一種。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于納米線技術(shù)的新型片上集成光耦，其特征在于:所述光波導(dǎo)部分的材料采用SiNx或S12中的一種。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于納米線技術(shù)的新型片上集成光耦，其特征在于:所述光耦的發(fā)光LED波長和光敏二極管的光譜波段范圍區(qū)間為400nm?800nmo5.—種如權(quán)利要求1-4所述的基于納米線技術(shù)的新型片上集成光耦的制作方法，其特征在于，其操作步驟包括: a)、在襯底上依次制作AlN層，SiNx掩膜層，n-GaN層，量子阱層和p-GaN層組成納米線結(jié)構(gòu) LED ο b)、在襯底上依次制作AlN層，SiNx掩膜層，n-GaN層，InGaN勢阱層和p-GaN層組成納米線結(jié)構(gòu)光敏二極管。 c)、在襯底上制備一層厚約200?300nmSi02層。 d)、將上述步驟a)和b)得到的納米線結(jié)構(gòu)LED和光敏二極管移至上述步驟c)得到的S12層上。 e)、分別對所述的納米線結(jié)構(gòu)LED和光敏二極管進(jìn)行光刻工藝，使得n-GaN層暴露出來。 f)、分別在所述的n-GaN層和p-GaN層上制作η型電極和P型電極。 g)、在所述S12層上制備光波導(dǎo)層，該光波導(dǎo)層作為LED光傳輸至光敏二極管的通道，所述光波導(dǎo)層位于LED與光敏二極管之間。 h)、在所述光波導(dǎo)層上制備鈍化層。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于納米線技術(shù)的新型片上集成光耦，可以實(shí)現(xiàn)光耦在片上系統(tǒng)的集成。本發(fā)明主要結(jié)構(gòu)分為發(fā)光部分、光波導(dǎo)部分和光敏部分，其特點(diǎn)是發(fā)光部分和光敏部分采用納米線結(jié)構(gòu)的LED和光敏二極管。發(fā)光部分的納米線結(jié)構(gòu)LED在外加電壓下可以發(fā)光，光敏部分的納米線結(jié)構(gòu)光敏二極管可以探測到發(fā)光部分LED發(fā)光的有無，并轉(zhuǎn)化為電流信號，光波導(dǎo)部分對發(fā)光部分LED發(fā)出的光具有較高透過率。該新型光耦可以通過微納工藝制備，尺寸不大于100μm，使其具有可集成到片上系統(tǒng)的特點(diǎn)。
【IPC分類】H01L31/14, H01L31/153, H01L31/18, H01L31/0232
【公開號】CN105679853
【申請?zhí)枴緾N201610059114
【發(fā)明人】楊國鋒, 張卿, 汪金, 錢維瑩, 陳國慶, 陳健
【申請人】江南大學(xué)
【公開日】2016年6月15日
【申請日】2016年1月28日