技术领域
[0001] 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
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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
[0006] 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。
[0007] 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：
[0008] 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°；
[0009] 在图形化衬底上外延生长AlN模板；
[0010] 在AlN模板上生长AlGaN基器件结构；
[0011] 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；
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015] 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。
[0016] 在其中一个实施例中，所述AlGaN基器件结构包括n-AlGaN、量子阱结构、p-AlGaN以及
电极。
[0017] 在其中一个实施例中，所述外延生长的AlGaN材料翼区以及台面区包括：在AlN模板上外延生长n-AlGaN材料并形成台面区，所述台面区AlGaN材料Al组分较其他部分的Al组分更低；
[0018] 在n-AlGaN材料上外延生长AlGaN量子阱结构作为活性区；
[0019] 在量子阱活性区上沉积p-AlGaN材料。
[0020] 在其中一个实施例中，所述在相应区域制备光探测器件、发光器件为：
[0021] 在台面区制备发光器件，工作时施加正向偏压，使发光器件工作时量子阱有效禁带宽度降低；在翼区制备光探测器件，工作时施加反向偏压，使探测器件工作时量子阱有效禁带宽度增大。
[0022] 在其中一个实施例中，所述在相应区域制备光探测器件、发光器件时，在已经分离的p-AlGaN材料以及对应的n-AlGaN上，利用
电子束蒸发、热蒸发或快速
退火方法分别制备适用于发光器件与探测器件的p型区电极及n型区电极；
[0023] 通过
光刻、
刻蚀将发光器件以及探测器件空间分离，并露出部分n-AlGaN表面以制备电极。
[0024] 根据本发明的另一目的，还提供一种根据上述的制备方法获得的AlGaN基同质集成光电子芯片。
[0025] 本发明的有益效果是：相对于
现有技术，本发明利用Al与Ga
原子迁移率的差异，使C面具有斜切角的图形化衬底上外延生长的AlGaN材料台面区与翼区组分略有差异，令其工作前量子阱活性区的禁带宽度略有不同。通过测试定位，在Al组分较高(禁带宽度略大)的台面区制备发光器件，其工作时施加正向偏压，使发光器件工作时量子阱有效禁带宽度降低；在Al组分较低(禁带宽度略小)的翼区制备光探测器件，其工作时施加反向偏压，使探测器件工作时量子阱有效禁带宽度增大。通过对生长参数如衬底斜切角度以及生长速率的调控，可调控工作前发光与探测器件禁带宽度差异。在器件工作时施加不同方向偏压后，可令发光与探测波段重合度提高，甚至完全重合。因此可以极大提升AlGaN基同质集成光电子芯片数据转换速率，增大数据传输速度，提高其工作效率。
附图说明
[0026] 图1为一实施方式的AlGaN基同质集成光电子芯片的制备方法流程示意图；
[0027] 图2a为一实施方式的AlGaN基同质集成光电子芯片中制备的发光器件及探测器件的正视图；
[0028] 图2b为一实施方式的AlGaN基同质集成光电子芯片中制备的发光器件及探测器件的俯视图；
[0029] 图2c为一实施方式的AlGaN基同质集成光电子芯片中制备的发光器件及探测器件的侧视图；
[0030] 图3a为常规电子芯片的发光器件与探测器件工作前与工作时量子阱活性区能带结构示意图；
[0031] 图3b为一实施方式的AlGaN基同质集成光电子芯片的发光器件与探测器件工作前与工作时量子阱活性区能带结构示意图。
具体实施方式
[0032] 下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。
[0033] 请参阅图1，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：
[0034] S110、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°；
[0035] 具体地，在一实施方式中，所述图形化衬底材料为蓝宝石、硅或碳化硅。
[0036] S120、在图形化衬底上外延生长AlN模板；
[0037] 外延生长AlN模板材料手段包括但不限于金属有机物化学气相沉积(MOCVD)，分子束外延(MBE)，氢化物气相外延(HVPE)等外延生长技术；光电子芯片结构活性区主要为量子阱结构；
[0038] S130、在AlN模板上生长AlGaN基器件结构；
[0039] 具体地，在一实施方式中，AlGaN基器件结构包括n-AlGaN、量子阱结构、p-AlGaN以及电极。
[0040] S140、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；
[0041] 具体地，在一实施方式中，采用MOCVD方法在图形化衬底上外延生长AlGaN材料器件结构过程中，由于Al与Ga原子的迁移率差异，会导致AlGaN材料在侧向外延生长图形台面区域组分较翼区组分稍高。
[0042] 具体地，在一实施方式中，定位的方法为采用
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。
[0043] 具体地，在一实施方式中，所述外延生长的AlGaN材料翼区以及台面区包括：在AlN模板上外延生长n-AlGaN材料并形成台面区，所述台面区AlGaN材料Al组分较其他部分的Al组分更低；
[0044] 在n-AlGaN材料上外延生长AlGaN量子阱结构作为活性区；
[0045] 在量子阱活性区上沉积p-AlGaN材料。
[0046] S150、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。
[0047] 具体地，在一实施方式中，所述在相应区域制备光探测器件、发光器件为：在台面区制备发光器件，工作时施加正向偏压，使发光器件工作时量子阱有效禁带宽度降低；在翼区制备光探测器件，工作时施加反向偏压，使探测器件工作时量子阱有效禁带宽度增大。
[0048] 具体地，在一实施方式中，所述在相应区域制备光探测器件、发光器件时，在已经分离的p-AlGaN材料以及对应的n-AlGaN上，利用
电子束蒸发、热蒸发或快速退火方法分别制备适用于发光器件与探测器件的p型区电极及n型区电极；
[0049] 通过光刻、刻蚀将发光器件以及探测器件空间分离，并露出部分n-AlGaN表面以制备电极。
[0050] 实施例1
[0051] 参照图2a-2c，本实施例所提供的器件结构三视图，本实施例中，本发明提供的AlGaN基同质集成光电子芯片的制备方法包括以下步骤：
[0052] 选择外延AlGaN材料的所需图形化衬底21，C面(即(0001)面)蓝宝石图形化衬底，斜切角为向沿m面方向倾斜0.2°。
[0053] 利用两步生长法，外延生长AlN材料作为模板22。
[0054] 在AlN模板上外延生长n-AlGaN材料23，形成AlGaN材料翼区以及台面区，由于Ga原子迁移率大于Al原子，更有利于移动到台面区成核生长，因此台面区AlGaN材料Al组分较低。
[0055] 在n-AlGaN材料上外延生长AlGaN量子阱结构24作为活性区。
[0056] 在量子阱活性区上沉积p-AlGaN材料25。
[0057] 在已经分离的p-AlGaN材料以及对应的n-AlGaN上，利用电子束蒸发或者热蒸发以及快速退火等方法分别制备适用于发光器件与探测器件的p型区电极26及n型区电极27。
[0058] 通过光刻、刻蚀等技术将发光器件以及探测器件空间分离，并露出部分n-AlGaN表面以制备电极，其中，28为刻蚀
沟道以分离发光、探测器件。
[0059] 参见图3a和图3b，图3a为常规电子芯片的发光器件与探测器件工作前与工作时量子阱活性区能带结构示意图；图3b为一实施方式的AlGaN基同质集成光电子芯片的发光器件与探测器件工作前与工作时量子阱活性区能带结构示意图。
[0060] 结合具体实施例可知，本发明利用Al与Ga原子迁移率的差异，使C面具有斜切角的图形化衬底上外延生长的AlGaN材料台面区与翼区组分略有差异，令其工作前量子阱活性区的禁带宽度略有不同。通过测试定位，在Al组分较高(禁带宽度略大)的台面区制备发光器件，其工作时施加正向偏压，使发光器件工作时量子阱有效禁带宽度降低；在Al组分较低(禁带宽度略小)的翼区制备光探测器件，其工作时施加反向偏压，使探测器件工作时量子阱有效禁带宽度增大。通过对生长参数如衬底斜切角度以及生长速率的调控，可调控工作前发光与探测器件禁带宽度差异。在器件工作时施加不同方向偏压后，可令发光与探测波段重合度提高，甚至完全重合。因此可以极大提升AlGaN基同质集成光电子芯片数据转换速率，增大数据传输速度，提高其工作效率。
[0061] 以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的
专利范围，凡是利用本发明
说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
