一种单片集成式光电耦合器及制备方法

1.本发明涉及一种单片集成式光电耦合器及制备方法，属于集成光电子技术领域。


背景技术：

2.光电耦合器原理上通过光为媒介传输电信号，对输入、输出电信号有良好的隔离作用，广泛应用在电气绝缘、电平转换、驱动电路、脉冲放大、固态继电器、通信设备以及微机电接口等电路中；现有的光电耦合器的各个部件（主要包括光发射器件与光接收器件）基本是通过不同工艺平台进行制备，最后采用片外封装的形式组装而成。借助适合的材料体系和先进的制备工艺，将光电耦合器的各个部件制作在同一块芯片上，即实现光电耦合器的单片集成，可带来体积小、功耗低、速度快、可靠性高、制造批量化等显著优势，是光电耦合器未来发展的重要趋势，并具有重要的经济与应用价值。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种单片集成式光电耦合器及制备方法，以解决现有技术通过不同工艺平台进行制备，采用片外封装的形式组装而成造成，体积大功耗高的缺陷。
4.一种单片集成式光电耦合器，包括设在同一块gan基外延晶圆上的可见光led 和一个光敏vmosfet ；所述可见光led 作为光发射器，用于将电信号转换为光信号，所述可见光led 与所述光敏vmosfet 位于同一块衬底上，并通过隔离深槽实现物理和电学上的分隔。
5.进一步地，所述gan基外延晶圆包括自下而上依次是衬底材料、aln 、algan 、n型gan 、gan多量子阱和p型gan 。
6.进一步地，所述可见光led 的正电极下方依次为p型gan层、多量子阱层、第一n型gan层、第一algan层、第一aln层；所述可见光led 的负电极与第一n型gan层直接接触，正电极位于靠近光敏vmosfet 的一侧，负电极位于远离光敏vmosfet 的一侧。
7.进一步地，所述光敏vmosfet 包含源极、漏极、栅极、第二n型gan层和第三n型gan层，栅极位于源极与漏极中间；源极与第二n型gan层相连，漏极与第三n型gan层相连；第二n型gan层和第三n型gan层下方的外延层依次设有第二algan层、第二aln层、蓝宝石衬底以及可见光反射层。
8.进一步地，所述光敏vmosfet 的沟道形状为v型，v型的底部位于第二algan层内部，v型沟道上覆盖有一层栅介质层，所述栅介质层的上方是栅极。
9.进一步地，所述可见光反射层采用金属ag反射层或者分布式布拉格反射层。
10.进一步地，所述可见光led 和光敏vmosfet 下方设有硅衬底，所述硅衬底中部掏空，形成悬浮的薄膜结构，并与薄膜结构下方形成空腔，所述硅衬底通过可见光反射板进行键合。
11.一种单片集成式光电耦合器制备方法，所述方法包括：
在gan基外延晶圆上涂覆一层光刻胶并光刻，暴露出需要刻蚀的p型gan层区域，接着进行icp干法刻蚀，刻蚀到n型gan层停止；再涂覆一层光刻胶并光刻，暴露出需要制作隔离槽的区域，接着进行icp干法刻蚀，刻蚀到衬底停止；涂覆一层光刻胶并光刻，暴露出光敏vmosfet沟道区域的刻蚀窗口，接着进行icp干法刻蚀，形成v型槽状沟道，v型槽的底部位于第二algan层内部，接着对v型槽的侧壁进行平滑处理；等离子体增强化学气相沉积或原子层沉积生长一层高质量的栅介质层，并在光刻后刻蚀成形；涂覆一层光刻胶，光刻去除光敏vmosfet的源极、漏极以及可见光led的负电极上方的光刻胶；去除光刻胶以及光刻胶上的金属层，剥离形成光敏vmosfet的源极、漏极以及可见光led的负电极；涂覆一层光刻胶，光刻去除光敏vmosfet的栅极以及可见光led的正电极上方的光刻胶；去除光刻胶以及光刻胶上的金属层，剥离形成光敏vmosfet的栅极以及可见光led的正电极；去除可见光led和光敏vmosfet下方的硅衬底，保留器件四周的硅衬底作为支撑，形成悬浮的薄膜结构，接着器件背面与可见光反射板进行键合，形成单片集成式光电耦合器。
12.与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：本发明的光电耦合器各个部件制作在同一块芯片上，即实现了单片集成，可带来体积小、功耗低、速度快、可靠性高、制造批量化等显著优势；本发明的光电耦合器采用硅基gan外延片，其外延的gan材料具有高电子迁移率、高热导率、高耐温、抗腐蚀以及抗辐射等优良性能，可同时制备高性能的光电器件和电子器件；本发明的光电耦合器，其硅基衬底可利用成熟的mems工艺线进行加工，对批量化生产和降低生产成本具有重要意义；本发明的光敏vmosfet无需复杂的离子注入技术进行制备，加工过程中没有引入外延材料的生长，同时与可见光led的制备工艺完全兼容，降低了光电耦合器的加工难度。
附图说明
13.图1为本发明原理示意图；图2为本发明外延片的结构示意图；图3为本发明单片集成式光电耦合器的结构俯视图；图4为本发明衬底材料选用硅时的a-a’向剖面图；图5为本发明衬底材料选用硅时的b-b’向剖面图；图6为本发明衬底材料选用蓝宝石时的a-a’向剖面图；图7为本发明衬底材料选用蓝宝石时的b-b’向剖面图；
图中：1、可见光led；2、光敏vmosfet；3、衬底材料；4、aln 4；5、algan ；6、n型gan；7、ingan/gan多量子阱；8、p型gan；9、p型gan层；10、多量子阱层；11、第一n型gan层；12、第一algan层；13、第一aln层；14、负电极；15、正电极；16、源极；17、漏极；18、栅极；19、第二n型gan层；20、第三n型gan层；21、第二algan层；22、第二aln层；23、栅介质层；24、硅衬底；25、空腔；26、可见光反射板；27、蓝宝石衬底；28、可见光反射层。
具体实施方式
14.为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
15.参见图1-7，本发明提出一种单片集成式光电耦合器，包括一个可见光led 1和一个光敏vmosfet 2，两个部件制作在同一块gan基外延晶圆上；所述可见光led 1作为光发射器，用于将电信号转换为光信号，所述光敏vmosfet 2作为光接收器，用于将光信号转换为电信号。
16.本实施例中，单片集成式光电耦合器采用gan基外延片；本发明所采用的外延材料自下而上依次是衬底材料3、aln 4、algan 5、n型gan 6、ingan/gan多量子阱7和p型gan 8；衬底材料3可选为硅或蓝宝石。
17.所述可见光led 1与所述光敏vmosfet 2位于同一块衬底上，通过隔离深槽实现物理和电学上的分隔。
18.在本实施例中，所述衬底材料3选用硅时，所述可见光led 1的正电极下方依次为p型gan层9、多量子阱层10、第一n型gan层11、第一algan层12和第一aln层13；负电极14与第一n型gan层11直接接触，接触类型为欧姆接触；正电极15位于靠近光敏vmosfet 2的一侧，负电极14位于远离光敏vmosfet 2的一侧；所述光敏vmosfet 2包含源极16、漏极17和栅极18三个电极，栅极18位于源极16与漏极17中间；源极16与第二n型gan层19相连，漏极17与第三n型gan层20相连；第二n型gan层19和第三n型gan层20下方的外延层依次是第二algan层21、第二aln层22；所述光敏vmosfet 2的沟道形状为v型，v型的底部位于第二algan层21内部，v型沟道上覆盖有一层栅介质层23，栅介质层23的上方是栅极18；为避免硅衬底24吸光，所述可见光led 1和光敏vmosfet 2下方的硅衬底24被部分掏空，形成悬浮的薄膜结构，并与薄膜结构下方形成空腔25；为增加从所述可见光led 1到所述光敏vmosfet 2的光耦合路径，背面的硅衬底24与可见光反射板26进行键合。
19.在本实施例中，所述衬底材料3选用蓝宝石时，所述可见光led 1的正电极下方依次为p型gan层9、多量子阱层10、第一n型gan层11、第一algan层12和第一aln层13、蓝宝石衬底27和可见光反射层28；负电极14与第一n型gan层11直接接触，接触类型为欧姆接触；正电极15位于靠近光敏vmosfet 2的一侧，负电极14位于远离光敏vmosfet 2的一侧；在本实施例中，所述光敏vmosfet 2包含源极16、漏极17和栅极18三个电极，栅极18位于源极16与漏极17中间；源极16与第二n型gan层19相连，漏极17与第三n型gan层20相连；第二n型gan层19和第三n型gan层20的下方依次是第二algan层21、第二aln层22、蓝宝石衬底27以及可见光反射层28；所述光敏vmosfet 2的沟道形状为v型，v型的底部位于第二algan层21内部，v型沟道上覆盖有一层栅介质层23，栅介质层23的上方是栅极18；为增加从
所述可见光led 1到所述光敏vmosfet 2的光耦合路径，背面的蓝宝石衬底27上覆盖有一层可见光反射层28，具体可选择金属ag反射层或者分布式布拉格反射层。
20.在本实施例中，所述可见光led 1的正电极15与所述光敏vmosfet 2的栅极18材料相同，可选为ni/au等合金材料，与p型gan之间为欧姆接触；所述可见光led的负电极14与所述光敏vmosfet 2的源极16和漏极17材料相同，可选为ti/al等合金材料，与n型gan之间为欧姆接触。
21.所述光敏vmosfet 2利用n型gan与algan之间的掺杂浓度与能带间隙差异，能够实现增强型工作方式，即沟道导通需要在栅极施加正电压。
22.本发明的工作原理如下：输入电信号加载在所述可见光led 1的两个电极上，可见光led 1将输入电信号转换为光信号输出，输出光信号耦合到所述光敏vmosfet 2的沟槽，引起沟道电导率增加，从而可增大所述光敏vmosfet 2的输出电流，根据输出电流的变化量可反推出加载在所述可见光led 1两端的电信号强弱，并且输出电流的波形与输入电信号波形基本一致；因而整个芯片系统从输入到输出可实现电-光-电的转换，借助光路的阻隔，输入与输出信号在电学上是隔离的。
23.本发明的一种单片集成式光电耦合器制备方法如下：第一步：在gan基外延晶圆上涂覆一层光刻胶并光刻，暴露出需要刻蚀的p型gan层区域，接着进行icp干法刻蚀，刻蚀到n型gan层停止；第二步：涂覆一层光刻胶并光刻，暴露出需要制作隔离槽的区域，接着进行icp干法刻蚀，刻蚀到衬底停止；第三步：涂覆一层光刻胶并光刻，暴露出光敏vmosfet 2沟道区域的刻蚀窗口，接着进行icp干法刻蚀，形成v型槽状沟道，v型槽的底部位于第二algan层21内部，接着对v型槽的侧壁进行平滑处理；第四步：等离子体增强化学气相沉积（pecvd）或原子层沉积（ald）生长一层高质量的栅介质层23，并在光刻后刻蚀成形；第五步：涂覆一层光刻胶，光刻去除光敏vmosfet的源极16、漏极17以及可见光led 1的负电极14上方的光刻胶；第六步：电子束蒸发金属电极材料，去除光刻胶以及光刻胶上的金属层，剥离形成光敏vmosfet的源极14、漏极15以及可见光led的负电极；第七步：涂覆一层光刻胶，光刻去除光敏vmosfet 2的栅极18以及可见光led 1的正电极15上方的光刻胶；第八步：电子束蒸发金属电极材料，去除光刻胶以及光刻胶上的金属层，剥离形成光敏vmosfet 2的栅极18以及可见光led 1的正电极15；第九步：所述衬底材料3选用硅时，通过深的硅反应离子刻蚀（drie）去除可见光led 1和光敏vmosfet 2下方的硅衬底24，保留器件四周的硅衬底24作为支撑，形成悬浮的薄膜结构，接着器件背面与可见光反射板26进行键合，得到单片集成式光电耦合器；所述衬底材料3选用蓝宝石时，在蓝宝石衬底27的底部沉积一层金属ag或者分布式布拉格反射层。
24.区分是否为该结构的标准如下：本发明一种单片集成式光电耦合器，包含一个可见光led 1和一个光敏vmosfet 2，两个部件制作于在同一块gan基外延晶圆上，外延材料自
下而上依次是衬底材料3、aln 4、algan 5、n型gan 6、ingan/gan多量子阱7和p型gan 8；可见光led的正电极15在靠近光敏vmosfet 2的一侧，并通过隔离深槽进行物理分隔，负电极14在远离光敏vmosfet 2的一侧；光敏vmosfet 2的源极16和漏极17与第一n型gan层11直接接触；光敏vmosfet 2的沟道形状为v型，v型的底部位于第二algan层21内部，v型沟道上覆盖有一层栅介质层23，栅介质层23的上方是栅极18；为了增大可见光led 1到光敏vmosfet 2沟道的光耦合量，当衬底材料3选用硅时，可见光led 1和光敏vmosfet 2下方的硅衬底24被部分掏空，形成悬浮的薄膜结构，并且背面的硅衬底24键合到一块可见光反射板26上，当衬底材料选用蓝宝石时，背面的蓝宝石衬底27上覆盖有一层可见光反射层28。
25.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。