《炬丰科技-半导体工艺》 迈向硅衬底上的紫外光电系统
书籍：《炬丰科技-半导体工艺》
文章：迈向硅衬底上的紫外光电系统
编号：JFKJ-21-1158
作者：华林科纳
硅可以大直径的形式大量生产。硅的另一个优势是与基于主流互补金属氧化物半导体电子器件的智能驱动和信号处理电路的潜在集成。硅上生长的缺点是材料质量较低，降低了器件效率。特别地，外延AlGaN层通常由于晶格常数(19%)和热膨胀(50%)与硅不匹配而应变。通过在原子晶格中产生缺陷和位错结构来减轻应变，这些缺陷和位错结构形成了损耗效率的泄漏路径和非辐射复合中心。在这里，使用硅上第三代半导体技术进行片上光学数据传输、更高效的光检测以及提高紫外线发光二极管材料质量的尝试。
自生光电流与产生光电流的注入电流的变化相反，这表明自吸收可能与高注入条件下发光二极管的效率下降现象有关。”在应用方面，他们认为单片多组件系统具有“多种应用的巨大潜力，如紫外线检测、固化、灭菌和片内电源监控”。
通过使用背面蚀刻局部去除硅衬底来实现波导支撑。如果不去除硅，光将会在硅/氮界面被大量吸收。李思-康的折射率实际上高于ⅲ-N材料的折射率。环形二极管的导通电压为3.0V，发射的辐射主峰约为384纳米(图1)。
图1单片多组件系统的光电性能。测量的电流-电压伏安曲线。(2)环形MQW二极管的电致发光光谱和光谱响应度。©作为环形MQW二极管注入电流的函数的环形MQW二极管的感应光电流示意图。
从二极管下方移除硅衬底会由于材料中的应力变化而改变发射波长。研究人员发现环形(非环形)探测二极管的发射光谱和响应光谱的波长有40纳米的重叠。使用这些设备来实现全双工音频通信——即每个设备同时是发射机和接收机(图2)。
图2。使用单片多组件系统的全双工音频通信。示意图。(b)零偏置圆形MQW二极管接收的音频信号。©偏置电压为4.0V的圆形MQW二极管接收的音频信号；(d)同时发射检测条件下的叠加信号偏置电压为4.0V，并且有额外的驱动电路来实现信号的编码和解码。
还将该技术用于微处理器-存储器通信，光链路使微处理器能够对存储器进行读/写操作(图3)处理器和存储器之间通过单片多组件系统进行光通信的示意图。
将两个ATmega328芯片连接起来，其中一个芯片以1200波特的速率向另一个芯片的2k字节静态随机存取存储器发送读/写指令，使用两个独立的光学链路来实现读和写功能。
该团队还进行了将两条光链路合并为一条的实验(图4)。“发射器”和“接收器”以兆赫的速度进行不同的偏置和调制。该团队计划对不同信号的相位进行编码，双向信号传输:“使用自干扰消除方法，通过从叠加信号中减去发射信号来获得接收信号。”还有一种预期的折衷，即调制率随着电极尺寸的减小而增加。
与大多数报道的基于氮化镓纳米/微米线或薄膜的紫外探测器相比，具有更好的性能。该团队看到了未来光电和片上光电集成系统的应用潜力。硅的(100)取向对于高速和低功率CMOS电子器件是优选的。使用自上而下的技术来创建水平微丝，与自下而上的生长方法相比，自上而下的生长方法应该能够在制造中实现更好的可重复性，自下而上的生长方法受到垂直丝的随机放置以及不均匀的直径或曲率的影响。此外，该技术避免了将结构复杂地剥离和层转移到另一个衬底或增加生产成本的其他复杂工艺的需要。
用气相沉积(PECVD)二氧化硅层，被图案化为由7m硅间隙分隔的3m条纹。氢氧化钾湿法蚀刻硅产生了具有(111)面的梯形沟道呈现出最有利于第三族氮化物生长六边形原子排列。然后用氢氟酸溶液除去天然氧化物。微丝阵列是用低压(100毫巴)金属有机化学气相沉积(MOCVD)300纳米氮化铝绝缘缓冲层，然后无意掺杂氮化镓制成的(图5)。导线与两个图案化的镍/金肖特基接触电极20m分开。
紫外光电探测器在高灵敏度、高响应度和高EQE方面表现出色，远优于大多数报道的基于单根氮化镓纳米线/微线和纳米线阵列的光电探测器。设备在2500W/cm2照明下的开启时间为36.3毫秒，也比大多数报道的GaN基替代品有所改进。在复位期间，有两个指数过程——快速的，随后是更长的9.66秒的衰减。在光源关闭后，陷阱或其他缺陷状态可能与持续的光诱导有关。怀疑氧气是在紫外线照射下从表面解吸出来的。当被重新吸收时，氧气会捕获电子，从而延迟完全恢复到暗电流状态。还在蓝宝石上创建了一个具有3m GaN层的比较器件。这些器件采用镍/金触点。电极光刻法使用了相同的方法。光掩模作为硅上的微丝器件。灵敏度、响应度和EQE分别为2.77×104、0.21A/W和0.80。使用横向外延过度生长方法来提高材料质量。
AlN质量和结构设计的改进使光输出功率在脉冲电流下达到毫瓦范围，超过了以前报道的最大效率。使用金属有机化学气相沉积在(111)硅上生长紫外发射材料。首先，生长120纳米的氮化铝种子层，然后进行横向外延过度生长。
发光二极管的制造始于快速热退火，以激活p型层的镁掺杂。300mx300m器件台面由电子回旋共振(ECR)反应离子蚀刻限定。镍/金和钛/金分别通过电子束蒸发作为p型和n型电极沉积。二氧化硅用于钝化。进一步金属化增加了一层厚的钛/金层，与两种电极接触。
发光二极管芯片被翻转并安装在预先构图的氮化铝底座上，采用金锡共晶结合。使用氢氟酸/硝酸/乙酸混合物去除硅衬底。在湿法蚀刻过程中，器件的侧面用蜡保护。衬底去除至关重要，因为硅与蓝宝石不同，能强烈吸收紫外线。然后用铟将这些器件键合到铜散热器上，最后进行引线键合以实现电连接。对比蓝宝石基发光二极管的制造类似，但没有移除衬底。
该装置在1%占空比脉冲操作(10s周期)中发射336纳米波长附近的窄峰值；生长在蓝宝石上的对比发光二极管在333毫米附近发射。
显微镜下的近场分析显示，与基于蓝宝石的器件不同，生长在硅上的发光二极管中有缺陷的电流扩散。在去除硅衬底的氮化铝表面发现了裂纹。
进一步的研究表明，在生长之后几乎看不到氮化铝裂纹(例如，未结合区域或热裂纹)，在器件加工过程中产生了几个裂纹。此外，在去除衬底的步骤中，酸混合物渗透到裂缝中，轻微腐蚀了发光二极管/硅结构的金属触点和钝化层。”高电流密度的局部区域导致更高电流和占空比下的热点和热不稳定性，从而导致进一步的损坏。这些因素解释了从硅上生长的紫外发光二极管转向连续波工作时峰值功率下降更大的原因。
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