一种Micro-LED光信息传感与存储单元、光子集成芯片、阵列及制备方法

一种micro
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led光信息传感与存储单元、光子集成芯片、阵列及制备方法
技术领域
1.本发明属于光电子器件与集成技术领域，具体涉及一种micro
‑
led光信息传感与存储单元、光子集成芯片、阵列及制备方法。


背景技术：

2.光子集成芯片以光子作为载体实现信息的传播与处理，相比于目前的集成电路以电子作为传输信号，光子可提高信号传播速度，同时减少互连铜线的使用，从而降低功耗，是未来信息技术发展的主流方向。光子集成芯片由多个光学相关的功能单元和器件组成，片上光源、光波导、光调制器、光探测器、存储单元、计算单元等，主要实现光子在片上传播，以及光电信号的转换、存储和运算。其中光电信号转换和存储是重要环节，目前光子集成芯片中对光信号转换成电信号主要由基于硅材料的光电探测器(cmos image sensors)完成，对电信号的存储则由另一种基于硅材料的存储器(memory)完成，依据对信号的提取速度的存储时长选择不同的存储器(flash，rram等)，在片上在不同区域制备好功能单元后，最后由信号总线将各单元互连。
3.硅材料为间接带隙，发光效率低，在光子集成芯片中作为信号源会影响整体能效。现有技术中光电传感器和存储器由铜线连接，信号传输受到带宽限制，在未来大数据和远距离实时图像显示方面应用受限。此外，目前的光子芯片对于传感单元和存储单元的数量和性能要求很高，现有技术从物理层面上将各个单元分离，不但集成度低、集成工艺复杂，而且数据传输上造成的能量和效率损失巨大，在应用场合和成本上受限。


技术实现要素：

4.本发明提供一种光子集成芯片的信息传感与存储单元、光子集成芯片、阵列及制备方法，可以实现对光信息同步传感与存储，提高信号处理效率，简化电路结构，在未来光子芯片和图像识别领域具有重要的应用前景。
5.为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种光子集成芯片的信息传感与存储单元，包括从下至上依次对准叠合设置的micro
‑
led、平滑层、铁电半导体、介质层和钝化层，还包括源极、漏极和栅极，所述源极和漏极分别嵌入在介质层的底部两侧并与铁电半导体接触，所述栅极嵌入在钝化层的底部并位于介质层的上方中间位置。
7.在更优的光子集成芯片的信息传感与存储单元技术方案中，所述micro
‑
led的外延层从上到下依次包括：p型半导体、量子阱、n型半导体以及与衬底间的缓冲层半导体材料，该半导体材料采用三五族材料的化合物。
8.在更优的光子集成芯片的信息传感与存储单元技术方案中，所述平滑层的材料可以是sio
x
、sin
x
或者alo
x
，所述钝化层的材料可以是sin
x
、sio
x
或者hfo
x
，所述介质层的材料可以是hfo
x
或者alo
x
，所述源极、漏极和栅极的材料可以是au、ag、cu或者ito。
9.一种光子集成芯片，包括由若干个如上述任一所述光子集成芯片的信息传感与存储单元所构成的阵列。
10.一种上述任一项所述光子集成芯片的信息传感与存储单元的制备方法，包括以下步骤：
11.步骤a1，获取位于基底上的micro
‑
led；
12.步骤a2，在micro
‑
led上沉积平滑层，并对平滑层的顶面进行平滑处理；
13.步骤a3，将铁电半导体从制备其的生长衬底上解离到转移衬底上，通过转移衬底将铁电半导体对准转移到micro
‑
led的上方；
14.步骤a4，利用光刻在铁电半导体的顶面左右两侧分别定义出源极区和漏极区，并在源极区和漏极区分别蒸镀电极材料得到源极和漏极；
15.步骤a5，在对准铁电半导体的上方制备介质层；
16.步骤a6，在介质层的顶面通过光刻定义出栅极区，并在栅极区蒸镀电极材料得到栅极；所述栅极区在介质层顶面的投影区域，位于源极区与漏极区在介质层顶面的投影区域之间；
17.步骤a7，在对准介质层的上方沉积钝化层。
18.在更优的光子集成芯片的信息传感与存储单元的制备方法技术方案中，步骤a3中将铁电半导体从生长衬底上解离的方式，可选为通过酸碱腐蚀生长衬底，或者利用有机物胶将铁电半导体从生长衬底上机械剥离。
19.在更优的光子集成芯片的信息传感与存储单元的制备方法技术方案中，步骤a6中制备介质层的工艺可采用化学气相沉积、物理气相沉积、原子层沉积、磁控溅射等。
20.一种光子集成芯片的信息传感与存储阵列的制备方法，所述光子集成芯片的信息传感与存储阵列，由若干个上述任一所述光子集成芯片的信息传感与存储单元通过电极互连排列构成，所述光子集成芯片的信息传感与存储阵列的制备方法包括以下步骤：
21.步骤b1，获取位于硅片基底上的micro
‑
led阵列；
22.步骤b2，在micro
‑
led阵列上沉积平滑层，并对平滑层的顶面进行平滑处理；
23.步骤b3，将铁电半导体从制备其的生长衬底上解离到转移衬底上，通过转移衬底将铁电半导体对准转移到覆盖micro
‑
led阵列的上方；
24.步骤b4，利用光刻在铁电半导体上定义出隔离区，显影后通过刻蚀将隔离区的铁电半导体去除，得到若干相互隔离的铁电半导体单体，且每个micro
‑
led的正上方均对应一个铁电半导体单体；
25.步骤b5，利用光刻在每个铁电半导体单体的顶面左右两侧分别定义出源极区和漏极区，并在源极区和漏极区分别蒸镀电极材料得到源极和漏极；
26.步骤b6，在对准每个铁电半导体单体的上方均制备介质层；
27.步骤b7，在介质层的顶面通过光刻定义出栅极区，并在栅极区蒸镀电极材料得到栅极；所述栅极区在投影区域，位于源极区与漏极区在介质层顶面的投影区域之间；
28.步骤b8，在当前结构的上方沉积钝化层；
29.步骤b9，利用光刻在钝化层上定义出源极互连区、漏极互连区和栅极互连区，利用刻蚀将源极互连区、漏极互连区和栅极互连区分别开窗至源极、漏极和栅极，并蒸镀金属材料最终形成传感和存储阵列。
30.在更优的光子集成芯片的信息传感与存储阵列的制备方法技术方案中，步骤b3中将铁电半导体从生长衬底上解离的方式，可选为通过酸碱腐蚀生长衬底或者利用有机物胶将铁电半导体从生长衬底上机械剥离。
31.在更优的光子集成芯片的信息传感与存储阵列的制备方法技术方案中，步骤b6中制备介质层的工艺可采用化学气相沉积、物理气相沉积、原子层沉积、磁控溅射等。
32.有益效果
33.本发明通过将microled与铁电半导体场效应晶体管垂直集成得到光子集成芯片的信息传感与存储单元，将microled阵列与铁电半导体场效应晶体管阵列垂直集成得到光子集成芯片的信息传感与存储阵列，利用micro
‑
led实现片上光信息的编程发射，铁电半导体材料对特定波长的光进行感应探测，结合它自身的铁电性，可将光生载流子限域在极化电场中，实现光信息的存储。与现有技术相比，本发明实现对光信息同步传感与存储，集成度高，并提高信号处理效率，简化电路结构，在未来光子集成芯片和图像识别领域具有重要的应用前景。
附图说明
34.图1是本技术实施例1所述的光子集成芯片的信息传感与存储单元的结构简图；
35.图2是本技术实施例2所述的光子集成芯片的信息传感与存储阵列的结构简图；
36.图3是本技术实施3所述的制备方法的工艺流程图；
37.图4是本技术实施4所述的制备方法的工艺流程图；
38.图5是本技术实施例4得到的源漏极互连的剖面视图
39.图6是本技术实施例4得到的传感
‑
存储阵列的顶面视图。
具体实施方式
40.下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明的技术方案为依据开展，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，对本发明的技术方案作进一步解释说明。
41.实施例1
42.本实施例提供一种光子集成芯片的信息传感与存储单元，如图1所示，包括从下至上依次对准叠合设置的micro
‑
led、平滑层、铁电半导体、介质层和钝化层，还包括源极、漏极和栅极，所述源极和漏极分别嵌入在介质层的底部两侧并与铁电半导体接触，所述栅极嵌入在钝化层的底部并位于介质层的上方中间位置。
43.其中的microled采用三五族化合物发光材料，具有亮度高，集成度高的优点，是片上光源的极佳选择。microled的衬底可以是蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓等钢性基底材料，也可以是柔性基底如pet等高分子聚合物。microled的外延层从上到下包含p型半导体、量子阱、n型半导体以及与衬底间的缓冲层半导体材料，该半导体材料主要是gan、ingan、algan等三五族材料的化合物。蒸镀电极形成触点，电极材料可以是au，ag，cu，ito等。
44.平滑层沉积在micro
‑
led的上方，材料可以是sio
x
，sin
x
，alo
x
等，其表面经过平滑处理，如化学机械抛光等。
45.铁电半导体，如α
‑
in2se3等，兼具光敏性和铁电性。在一定波长的光刺激下产生光生载流子，并被其内部极化电场维持住，从而同步实现光电信号转换以及信号存储的功能。
46.介质层，可通过采用化学气相沉积、物理气相沉积、原子层沉积、磁控溅射等工艺制备于铁电半导体的上方，其介质材料可以是hfo
x
，alo
x
等。
47.钝化层用于对源极、漏极和栅极及各自引出的导电材料进行隔离实现绝缘，以及对铁电半导体进行保护。
48.本实施例的光子集成芯片的信息传感与存储单元，利用micro
‑
led实现片上光信息的编程发射，铁电半导体材料对特定波长的光进行感应探测，结合它自身的铁电性，可将光生载流子限域在极化电场中，实现光信息的存储。与现有技术相比，本发明将传感
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存储单元进行了垂直集成，功能与能效得到最优化。
49.实施例2
50.本实施例提供一种光子集成芯片，包括由若干个实施例1所述光子集成芯片的信息传感与存储单元所构成的阵列，如图2所示。
51.实施例3
52.本实施例提供一种用于实施例1所述光子集成芯片的信息传感与存储单元的制备方法，参考图3所示，包括以下步骤：
53.步骤a1，获取位于硅片基底上的micro
‑
led。
54.microled的衬底可以是蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓等钢性基底材料，也可以是柔性基底如pet等高分子聚合物，led外延层从上到下包含p型半导体、量子阱、n型半导体以及与衬底间的缓冲层半导体材料，该半导体材料主要是gan、ingan、algan等三五族材料的化合物。蒸镀电极形成micro
‑
led的触点，电极材料可以是au，ag，cu，ito等。
55.步骤a2，在micro
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led上沉积平滑层，材料可以是sio
x
，sin
x
，alo
x
等，然后对平滑层的顶面进行平滑处理，可采用化学机械抛光等方式。
56.步骤a3，将铁电半导体从制备其的生长衬底上解离到转移衬底上，通过转移衬底将铁电半导体对准转移到micro
‑
led的上方。
57.铁电半导体，可以提前采用化学气相沉积、磁控溅射、脉冲激光沉积等工艺，制备生成到硅片、云母或者蓝宝石等衬底上。要将铁电半导体制备到micro
‑
led的上方，此时需要将铁电半导体从其生长衬底上解离到转移衬底上，转移衬底可以是pdms、pmma等，然后通过转移衬底将铁电半导体与micro
‑
led对准转移。解离方式可以是酸碱腐蚀生长衬底、有机物胶将材料机械剥离等方法。
58.步骤a4，利用光刻在铁电半导体的顶面左右两侧分别定义出源极区和漏极区，并在源极区和漏极区分别蒸镀电极材料得到源极和漏极。源极和漏极的电极材料可以是au，ag，cu，ito等。
59.步骤a5，在对准铁电半导体的上方制备介质层，工艺可以是化学气相沉积、物理气相沉积、原子层沉积、磁控溅射等，介质材料可以是hfo
x
、alo
x
等。
60.步骤a6，在介质层的顶面通过光刻定义出栅极区(栅极区在介质层顶面的投影区域，位于源极区与漏极区在介质层顶面的投影区域之间)，并在栅极区蒸镀电极材料得到栅极；栅极的电极材料可以是au，ag，cu，ito等。
61.步骤a7，在对准介质层的上方沉积钝化层，钝化层可以是sin
x
，sio
x
，hfo
x
等。
62.在进一步地，可以从钝化层向下通过刻蚀开窗至源极、漏极和栅极并蒸镀金属材料，作为源极、漏极和栅极的引出端。
63.按照本实施例即可制备得到实施例1所述的光子集成芯片的信息传感与存储单元，其工作原理和技术效果与实施例1所述相同，此处不再重复阐述。
64.实施例4
65.本实施例提供一种光子集成芯片的信息传感与存储阵列的制备方法，所述光子集成芯片的信息传感与存储阵列，由若干个实施例1所述光子集成芯片的信息传感与存储单元通过电极互连排列构成，所述光子集成芯片的信息传感与存储阵列的制备方法，参考图4所示，包括以下步骤：
66.步骤b1，获取位于基底上的micro
‑
led阵列；
67.步骤b2，在micro
‑
led阵列上沉积平滑层，并对平滑层的顶面进行平滑处理；
68.步骤b3，将铁电半导体从制备其的生长衬底上解离到转移衬底上，通过转移衬底将铁电半导体对准转移到覆盖micro
‑
led阵列的上方；
69.步骤b4，利用光刻在铁电半导体上定义出隔离区，显影后通过刻蚀将隔离区的铁电半导体去除，得到若干相互隔离的铁电半导体单体，且每个micro
‑
led的正上方均对应一个铁电半导体单体；
70.步骤b5，利用光刻在每个铁电半导体单体的顶面左右两侧分别定义出源极区和漏极区，并在源极区和漏极区分别蒸镀电极材料得到源极和漏极；
71.步骤b6，在对准每个铁电半导体单体的上方均制备介质层；
72.步骤b7，在介质层的顶面通过光刻定义出栅极区，并在栅极区蒸镀电极材料得到栅极；所述栅极区在介质层顶面的投影区域，位于源极区与漏极区在介质层顶面的投影区域之间；
73.步骤b8，在当前结构的上方沉积钝化层；
74.步骤b9，利用光刻在钝化层上定义出源极互连区、漏极互连区和栅极互连区，利用刻蚀将源极互连区、漏极互连区和栅极互连区分别开窗至源极、漏极和栅极，并蒸镀金属材料最终形成传感和存储阵列，如图5、图6所示。
75.本实施例与实施例3的区别在于，在micro
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led阵列的基础上同时制备具有相同结构的光子集成芯片的信息传感与存储单元，从而得到光子集成芯片的信息传感与存储阵列，具体步骤体现：(1)由于是在micro
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led阵列的基础上制备，而micro
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led阵列中的各micro
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led之间存在间隙，因此需要通过步骤b4定义出隔离区，以将整体的铁电半导体这一层隔离为与micro
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led一一对应的铁电半导体单体，且单元与单元之间的铁电半导体需要去除，避免电流串扰；(2)在钝化层定义各极的互连区，并开窗至对应电极和蒸镀电极材料，最终形成传感和存储阵列。
76.以上实施例为本技术的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本技术总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本技术要求保护的范围之内。