本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電傳感器，具體為集成導(dǎo)模諧振光柵的gan基光電折射率傳感器及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、近年來，隨著生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域?qū)Ω哽`敏度、實(shí)時(shí)和便攜式傳感器需求的不斷增加，基于折射率變化的光學(xué)傳感器技術(shù)得到了廣泛關(guān)注。這類傳感器通過檢測(cè)樣品環(huán)境中光的折射率變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)成分、濃度或物理參數(shù)的測(cè)量和分析，具有非接觸、響應(yīng)快速、高靈敏度等顯著優(yōu)勢(shì)，在這一背景下，氮化鎵基led單片集成折射率傳感器的研究和開發(fā)變得尤為重要和必要。

2、將氮化鎵基led的光發(fā)射與探測(cè)功能集成于單個(gè)芯片中，應(yīng)用于折射率傳感器，通過利用led光源的可調(diào)諧性和高靈敏度的光電響應(yīng)特性，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)環(huán)境中微小的折射率變化。這種單片集成設(shè)計(jì)不僅降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性和封裝成本，還提升了傳感器的信號(hào)穩(wěn)定性和檢測(cè)精度，從而具有更廣泛的應(yīng)用前景，然而目前的折射率傳感器技術(shù)仍面臨一些亟待解決的問題，如與傳統(tǒng)分立器件相比靈敏度不足、體積較大以及系統(tǒng)集成度有限等，這些問題制約了其在實(shí)際應(yīng)用中的推廣，為此，我們提出集成導(dǎo)模諧振光柵的gan基光電折射率傳感器及其制備方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供集成導(dǎo)模諧振光柵的gan基光電折射率傳感器及其制備方法，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

2、根據(jù)本發(fā)明的第一方面，為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：集成導(dǎo)模諧振光柵的gan基光電折射率傳感器，包括鍵合藍(lán)寶石襯底層，所述鍵合藍(lán)寶石襯底層的上方形成有二氧化硅鍵合層，所述二氧化硅鍵合層的上方分別形成有l(wèi)ed結(jié)構(gòu)和光探測(cè)器結(jié)構(gòu)，且led結(jié)構(gòu)與光探測(cè)器結(jié)構(gòu)之間設(shè)置有電隔離區(qū)域；

3、所述led結(jié)構(gòu)與光探測(cè)器結(jié)構(gòu)均包括形成在二氧化硅鍵合層上方的p型氮化鎵層，所述p型氮化鎵層的上方形成有多量子阱層，所述多量子阱層的上方形成有n型氮化鎵層，在n型氮化鎵層和p型氮化鎵層分別沉積有n型歐姆接觸電極和p型歐姆接觸電極；

4、所述led結(jié)構(gòu)中的n型氮化鎵層上表面刻蝕有光柵區(qū)域，形成n型氮化鎵光柵層。

5、進(jìn)一步地，所述鍵合藍(lán)寶石襯底層的厚度設(shè)置為500-1500?μm。

6、進(jìn)一步地，所述二氧化硅鍵合層厚度為1.5-2.5?μm?；p型氮化鎵層厚度為0.1-0.15?μm。

7、進(jìn)一步地，所述多量子阱層厚度為50-100?nm；n型氮化鎵層厚度為0.3-0.4?μm。

8、進(jìn)一步地，所述p型歐姆接觸電極和n型歐姆接觸電極厚度均為0.1?μm。

9、根據(jù)本發(fā)明的第二方面，本發(fā)明提供一種集成導(dǎo)模諧振光柵的gan基光電折射率傳感器的制備方法，具體包括以下步驟：

10、s1.在原始藍(lán)寶石襯底層上依次生長氮化鎵緩沖層、未摻雜氮化鎵層、n型氮化鎵層、多量子阱層和p型氮化鎵層，得到led外延層；

11、s2.將led外延層p型氮化鎵層鍵合到鍵合藍(lán)寶石襯底層上；

12、s3.激光剝離原始藍(lán)寶石襯底層；

13、s4.對(duì)鍵合后的led外延層器件進(jìn)行刻蝕處理，去除氮化鎵緩沖層和未摻雜氮化鎵層，并進(jìn)一步減薄n型氮化鎵層；

14、s5.在減薄后裸露的n型氮化鎵層表面圖案化光柵區(qū)域、電隔離區(qū)域、p型歐姆接觸電極區(qū)域，并刻蝕出形狀；

15、s6.在n型氮化鎵層和p型氮化鎵層分別沉積n型歐姆接觸電極和p型歐姆接觸電極。

16、進(jìn)一步地，所述s1中l(wèi)ed外延層采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積方法生長形成，且原始藍(lán)寶石襯底層厚度設(shè)置為500-1500?μm，氮化鎵緩沖層厚度設(shè)置為0.6-0.8?μm，未摻雜氮化鎵層厚度設(shè)置為0.7-0.9?μm，n型氮化鎵層厚度設(shè)置為2.5-3?μm，多量子阱層厚度設(shè)置為50-100?nm，p型氮化鎵層厚度設(shè)置為0.1-0.15?μm。

17、進(jìn)一步地，所述s2中采用二氧化硅作為鍵合層將led外延層p型氮化鎵層鍵合到鍵合藍(lán)寶石襯底層上。

18、進(jìn)一步地，所述s4中采用電感耦合等離子技術(shù)去除氮化鎵緩沖層和未摻雜氮化鎵層，并進(jìn)一步減薄n型氮化鎵層。

19、進(jìn)一步地，所述s5中采用光刻技術(shù)分別對(duì)光柵區(qū)域、電隔離區(qū)域、p型歐姆接觸電極區(qū)域圖案化，采用電感耦合等離子技術(shù)進(jìn)行刻蝕，其中光柵區(qū)域形狀設(shè)置為矩形，光柵周期為2.4?μm，光柵寬度為1.2?μm，光柵刻蝕深度為0.2?μm；電隔離區(qū)域?yàn)閘ed結(jié)構(gòu)與光探測(cè)器結(jié)構(gòu)中間長條形區(qū)域，電隔離區(qū)域刻蝕深度為0.5-0.6?μm；p型歐姆接觸電極區(qū)域形狀為長條形，刻蝕深度為0.3-0.4?μm；

20、s6中n型歐姆接觸電極和p型歐姆接觸電極采用濺射沉積，n型歐姆接觸電極為20/80?nm?ti/al，p型歐姆接觸電極為20/80?nm?ni/au，電極形狀為矩形。

21、本發(fā)明至少具備以下有益效果：

22、1.本發(fā)明與傳統(tǒng)傳感器相比，通過在n型氮化鎵層表面集成光柵結(jié)構(gòu)，當(dāng)待測(cè)介質(zhì)的折射率發(fā)生變化時(shí)，光柵衍射行為隨之發(fā)生改變，進(jìn)而影響led內(nèi)的光場(chǎng)分布和強(qiáng)度，因此增強(qiáng)了光與待檢測(cè)介質(zhì)的耦合作用，通過調(diào)節(jié)光柵的周期、寬度和深度，可精確控制光的傳播，確保大部分入射光與檢測(cè)介質(zhì)有效耦合，從而減少光能損失并提高信號(hào)強(qiáng)度和檢測(cè)精度。

23、2、本發(fā)明通過將led的光發(fā)射和光探測(cè)功能集成在單片芯片內(nèi)，極大地提高了系統(tǒng)的集成度，相較于傳統(tǒng)折射率傳感器需要單獨(dú)的光源和檢測(cè)器，本發(fā)明不僅簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，還使得整個(gè)裝置更加緊湊和輕便，降低了制造成本和系統(tǒng)復(fù)雜性，并且本發(fā)明通過將發(fā)射和檢測(cè)功能集成在單片中，還使得傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)快速響應(yīng)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，滿足了高精度和高時(shí)效性的應(yīng)用需求。

24、3、本發(fā)明采用垂直結(jié)構(gòu)led，并去除了氮化鎵緩沖層和未摻雜氮化鎵層，同時(shí)減薄了n型氮化鎵層，該制備工藝有效減少了光在這些層中的散射和吸收損耗，進(jìn)一步提升了光提取效率，并加強(qiáng)了光與外界環(huán)境的耦合，從而更敏感地感知外部環(huán)境折射率的變化，提升了傳感器的靈敏度，此外，n型氮化鎵層的減薄縮短了載流子擴(kuò)散路徑，降低了寄生電阻和功耗，同時(shí)，減薄后的n型氮化鎵層去除了不必要的結(jié)構(gòu)，減小了器件的整體厚度，使其在微型化和高密度集成的傳感器設(shè)計(jì)中具有明顯優(yōu)勢(shì)。

25、當(dāng)然，實(shí)施本發(fā)明的任一產(chǎn)品并不一定需要同時(shí)達(dá)到以上所述的所有優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)特征：

1.集成導(dǎo)模諧振光柵的gan基光電折射率傳感器，包括鍵合藍(lán)寶石襯底層(8)，其特征在于，所述鍵合藍(lán)寶石襯底層(8)的上方形成有二氧化硅鍵合層(7)，所述二氧化硅鍵合層(7)的上方分別形成有l(wèi)ed結(jié)構(gòu)(11)和光探測(cè)器結(jié)構(gòu)(12)，且led結(jié)構(gòu)(11)與光探測(cè)器結(jié)構(gòu)(12)之間設(shè)置有電隔離區(qū)域；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成導(dǎo)模諧振光柵的gan基光電折射率傳感器，其特征在于：所述鍵合藍(lán)寶石襯底層(8)的厚度設(shè)置為500-1500?μm。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的集成導(dǎo)模諧振光柵的gan基光電折射率傳感器，其特征在于：所述二氧化硅鍵合層(7)厚度為1.5-2.5μm；p型氮化鎵層(6)厚度為0.1-0.15?μm。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的集成導(dǎo)模諧振光柵的gan基光電折射率傳感器，其特征在于：所述多量子阱層(5)厚度為50-100?nm；n型氮化鎵層(4)厚度為0.3-0.4?μm。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的集成導(dǎo)模諧振光柵的gan基光電折射率傳感器，其特征在于：所述p型歐姆接觸電極(9)和n型歐姆接觸電極(10)厚度均為0.1?μm。

6.一種集成導(dǎo)模諧振光柵的gan基光電折射率傳感器的制備方法，其特征在于，具體包括以下步驟：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種集成導(dǎo)模諧振光柵的gan基光電折射率傳感器的制備方法，其特征在于：所述s1中l(wèi)ed外延層采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積方法生長形成，且原始藍(lán)寶石襯底層(1)厚度設(shè)置為500-1500?μm，氮化鎵緩沖層(2)厚度設(shè)置為0.6-0.8?μm，未摻雜氮化鎵層(3)厚度設(shè)置為0.7-0.9?μm，n型氮化鎵層(4)厚度設(shè)置為2.5-3?μm，多量子阱層(5)厚度設(shè)置為50-100?nm，p型氮化鎵層(6)厚度設(shè)置為0.1-0.15?μm。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種集成導(dǎo)模諧振光柵的gan基光電折射率傳感器的制備方法，其特征在于：所述s2中采用二氧化硅作為鍵合層將led外延層的p型氮化鎵層(6)鍵合到鍵合藍(lán)寶石襯底層(8)上。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種集成導(dǎo)模諧振光柵的gan基光電折射率傳感器的制備方法，其特征在于：所述s4中采用電感耦合等離子技術(shù)去除氮化鎵緩沖層(2)和未摻雜氮化鎵層(3)，并進(jìn)一步減薄n型氮化鎵層(4)。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種集成導(dǎo)模諧振光柵的gan基光電折射率傳感器的制備方法，其特征在于：所述s5中采用光刻技術(shù)分別對(duì)光柵區(qū)域、電隔離區(qū)域、p型歐姆接觸電極區(qū)域圖案化，采用電感耦合等離子技術(shù)進(jìn)行刻蝕，其中光柵區(qū)域形狀設(shè)置為矩形，光柵周期為2.4?μm，光柵寬度為1.2?μm，光柵刻蝕深度為0.2?μm；電隔離區(qū)域?yàn)閘ed結(jié)構(gòu)(11)與光探測(cè)器結(jié)構(gòu)(12)中間長條形區(qū)域，電隔離區(qū)域刻蝕深度為0.5-0.6?μm；p型歐姆接觸電極區(qū)域形狀為長條形，刻蝕深度為0.3-0.4?μm；

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了集成導(dǎo)模諧振光柵的GaN基光電折射率傳感器及其制備方法，涉及半導(dǎo)體光電傳感器技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明包括襯底層，所述襯底層的上方形成有二氧化硅鍵合層，所述二氧化硅層上部分別形成LED結(jié)構(gòu)和光探測(cè)器結(jié)構(gòu)，兩者之間設(shè)有電隔離區(qū)域。本發(fā)明采用電感耦合等離子刻蝕技術(shù)去除了氮化鎵緩沖層和未摻雜氮化鎵層，并進(jìn)一步刻蝕減薄n型氮化鎵層，最后刻蝕形成光柵結(jié)構(gòu)，減薄工藝和光柵的集成優(yōu)化了光傳播路徑，提高了光提取效率，增強(qiáng)了光與待檢測(cè)介質(zhì)之間的耦合作用，從而提升了傳感器的靈敏度，并且本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了光發(fā)射和光探測(cè)功能單片集成，結(jié)合驅(qū)動(dòng)電路與信號(hào)處理電路可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的傳感器芯片，提高了系統(tǒng)的集成度。

技術(shù)研發(fā)人員：高緒敏,余雪慧,施政
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京郵電大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30