一种基于多波导型定向耦合器的集成式芯片及其制备方法

本发明属于信息材料与技术领域，尤其涉及一种基于多波导型定向耦合器的集成式芯片及其制备方法。

背景技术：

常用的液体折射率测量方法有：掠面入射法、激光照射法、衍射光栅法、光纤杨氏干涉法、ccd测量法等。这些方法分别存在待测液体所需量较大、测量参数多、测量时间长、测量精度较低、需在开放或者半开放状态下测量液体和操作要求高等问题。近几年，在医学、生物化学等领域，常常采用光波导作为传感载体，测定液体样品的折射率、浓度等物理参数。光波导具有结构简单、体积小、耐腐蚀和便于集成等特点，波长较短的可见光信号对液体折射率、特定成分浓度等物理参数变化十分敏感。这些变化对波导中传输的可见光信号可以起到调制作用，通过测量波导中可见光信号的强度和相位等参数的变化，可以监测液体折射率。集成式光波导传感器的优势在于，通过灵活选择光波导材料和优化结构设计可获得更高的测试灵敏度；通过与微机械、微电子技术相结合可产生新的传感应用和集成潜力；利用标准半导体加工工艺可以实现规模化生产，降低成本。光波导型液体传感器技术是在微量采样测试领域具有广阔的应用前景的技术方向之一。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种基于多波导型定向耦合器的集成式芯片及其制备方法。

本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：

一种基于多波导型定向耦合器的集成式芯片，所述芯片以晶圆为载体，所述晶圆上设置有发光二极管器件，所述发光二极管器件的出光端依次设置有调节组件及光电探测器，所述调节组件由多波导型定向耦合器及与置于所述多波导型定向耦合器上方，且与所述多波导型定向耦合器垂直相交的聚二甲基硅氧烷微流体通道构成。

优选地，所述多波导型定向耦合器呈对称式梳齿状结构。

优选地，所述晶圆包括硅衬底及所述硅衬底上方由上而下依次设置的p型氮化镓层、ingan/gan多量子阱层、n型氮化镓层、非掺杂氮化镓层、algan缓冲层，所述p型氮化镓层上设置有正电极，所述n型氮化镓层上设置有负电极。

优选地，所述硅衬底背面中心内凹形成中空，且所述中空内蒸镀设有布拉格反射镜，所述布拉格反射镜设置于所述多波导型定向耦合器下方。

优选地，所述多波导型定向耦合器与所述聚二甲基硅氧烷微流体通道热压键合。

所述发光二极管为微型发光二极管，所述发光二极管的发光区域面积为10*10μm²至100*100μm²。

优选地，所述正电极与所述负电极均为镍/金复合金属电极。

优选地，以上任意一所述的一种基于多波导型定向耦合器的集成式芯片的制备方法，包括如下步骤：

s1、在硅衬底氮化物晶圆的氮化镓外延层上，利用光学光刻技术定义发光二极管的发光区域、光电探测器的探测区域和多波导型定向耦合器结构的图形；

s2、利用三五族材料反应离子刻蚀技术，在晶圆上暴露出用于制备负电极的氮化物层中的n型氮化物材料区域；

s3、利用光学光刻技术定义出发光二极管器件和光电探测器的正、负电极的图形结构，并采用电子束蒸镀技术沉积镍/金复合金属层作为电极材料；

s4、使用有机试剂在超声清洗环境中对蒸镀在光刻胶表面的镍/金复合金属层进行剥离，获得正负电极；所述有机试剂为丙酮。

s5、在硅衬底氮化物晶圆的下表面即硅衬底背面进行光学光刻，定义硅衬底层的悬空区域的图形结构，利用深硅刻蚀技术从背面剥离发光二极管发光区域、光电探测区域和多波导型方向耦合器下方的硅衬底；

s6、从硅衬底氮化物晶圆背面蒸镀针对可见光波段具有高反射率的布拉格反射镜；所述布拉格反射镜（dbr）为二氧化硅/硅多层结构。

s7、制备聚二甲基硅氧烷微流体通道，并将其与s6中制成的硅衬底氮化物光电子芯片中的梳齿状多波导型定向耦合器对准，完成热压键合，即得到所需的基于多波导型定向耦合器的集成式芯片。

优选地，所述s7中聚二甲基硅氧烷微流体通道的制备方法包括如下步骤：

s71、在玻璃基片上旋涂光刻胶，对其进行高温处理，利用光学光刻技术定义出根据微流道图形结构设计的转印模具结构，经过显影得到的光刻胶模具；所述光刻胶为环氧su-8光刻胶；

s72、配置聚二甲基硅氧烷预聚合物，在浇注成型之前，对聚二甲基硅氧烷预聚合物进行脱气处理，防止聚二甲基硅氧烷固化后有气泡渗入微流道结构；

s73、经过脱气处理的聚二甲基硅氧烷预聚合物浇注在s71制备的光刻胶模具上，并将其转入预热的60℃干燥箱中热处理1小时；

s74、当聚二甲基硅氧烷预聚合物充分聚合后，将转印有微流道图形结构的聚二甲基硅氧烷材料从光刻胶胶模具上剥离形成聚二甲基硅氧烷微流体通道。

优选地，所述s72中聚二甲基硅氧烷预聚合物的聚二甲基硅氧烷基质与固化剂的质量比为10:1。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，产生的有益效果为：可以有效且快速的监测出待测液体的折射率等物理参数。

附图说明

图1：本发明的集成式芯片的俯视示意图。

图2：本发明的集成式芯片的横截面示意图。

图3：本发明的集成式芯片的制备工艺流程图。

具体实施方式

本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

本发明揭示了一种如图1所示的一种基于多波导型定向耦合器的集成式芯片的俯视图，图中以剖面形式分别展示测量芯片上的多波导型定向耦合器5结构（剖面线左侧）和微流道结构（剖面线右侧）。发光二极管器件1和光电探测器2均有正电极3和负电极4，正负电极均为镍/金复合金属电极，中间部分为多波导型定向耦合器5，在其上方是pdms微流体通道6。在传输可见光信号过程中，多波导型定向耦合器5中的可见光信号的倏逝场受到微流体通道6中待测液体的影响，可见光信号的光强、相位等参数发生变化，经过调制的可见光信号耦合进入光电探测器2，光电探测器2输出的光电流也受到调制，通过监测光电流信号的变化就可以得到待测液体的折射率等物理参数。其具体的监测计算方法不属于本发明的保护范围故在此不再赘述。本发明中的发光二极管器件1为微型发光二极管器件。

结合如图2所示一种基于多波导型定向耦合器的集成式芯片的横截面示意图，实现载体为硅衬底氮化镓晶圆，生长在硅衬底7上的氮化镓外延层8包括由上而下设置的p型氮化镓层、ingan/gan多量子阱层、n型氮化镓层、非掺杂氮化镓层、algan缓冲层。正电极3设置在p型氮化镓层上表面，负电极4设置在n型氮化镓层上表面。氮化物材料化学性质稳定，禁带宽度大，具有优良的光电特性和机械特性。氮化镓是第三代半导体材料的代表。氮化镓材料的禁带宽度为3.4ev，可以和氮化铟(禁带宽度为1.9ev)氮化铝(禁带宽度为6.2ev)组成三元或四元固溶体合金体系，其对应的直接带隙波长覆盖了从红光到紫外的区域，可作为发光器件、光波导、新型探测器、光电传感器等光电子器件的主要材料。

多波导型定向耦合器5下方的硅衬底7被掏空，形成悬空部分，并从芯片背面蒸镀针对可见光波段具有高反射率的布拉格反射镜（dbr）9，以提高多波导型方向耦合器内部对可见光信号的光限制作用。当微量液体通过pdms微流体通道6时，多波导型定向耦合器内部可见光信号的倏逝场会与微流道内的液体发生作用，影响可见光信号的光强、相位等参数。

如图3所示的是一种基于多波导型定向耦合器的集成式芯片的制备工艺流程，包括如下具体步骤：

步骤（1）在硅衬底氮化物晶圆的氮化镓外延层8上，利用光学光刻技术定义包括微型发光二极管1的发光区域、光电探测器2的探测区域和多波导型方向耦合器5结构的图形；

步骤（2）利用三五族材料反应离子刻蚀技术，暴露出用于制备负电极4的氮化物层中的n型氮化物材料区域；

步骤（3）利用光学光刻技术定义出微型发光二极管器件1和光电探测器2的正负电极的图形结构，并采用电子束蒸镀技术沉积镍/金复合金属层作为电极材料；

步骤（4）使用有机试剂丙酮在超声清洗环境中对蒸镀在光刻胶表面的镍/金复合金属层进行剥离，获得正负电极3和4；

步骤（5）在硅衬底氮化物晶圆的下表面即硅衬底面进行光学光刻，定义硅衬底层的悬空区域的图形结构，利用深硅刻蚀技术从背面剥离微型发光二极管发光区域、光电探测区域和多波导型方向耦合器下方的硅衬底；

步骤（6）从硅衬底氮化物晶圆背后蒸镀针对可见光波段具有高反射率的布拉格反射镜（dbr）9为二氧化硅/硅多层结构。

pdms微流体通道6的制作主要包括两部分：su-8光刻胶模具的制作和pdms微流道的浇注成型。

步骤（7）在玻璃基片上旋涂50微米厚的su-8光刻胶，对其进行高温处理，利用光学光刻技术定义出根据微流道图形结构设计的转印模具结构，经过显影得到的即为su-8光刻胶模具；

步骤（8）配置pdms预聚合物，pdms基质/固化剂的质量比为10:1，在浇注成型之前，对pdms预聚合物进行10分钟脱气处理，防止pdms固化后有气泡渗入微流道结构；

步骤（9）经过脱气处理的pdms预聚合物浇注在步骤（7）制备的su-8光刻胶模具上，并将其转入60℃的干燥箱中热处理1小时；

步骤（10）当pdms预聚合物充分聚合后，将转印有微流道图形结构的pdms材料从su-8胶模具上剥离；

步骤（11）将pdms微流道6和步骤（6）制成的硅衬底氮化物光电子芯片经过洁净处理后，利用键合机将pdms微流体通道6与步骤（6）制成的硅衬底氮化物光电子芯片中的梳齿状多波导型定向耦合器5的区域进行对准，完成热压键合，即可得到封装为一体的多波导型方向耦合器的集成式微量液体折射率测量芯片。

本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。