一种用于片上光互连的UVPT(MOSFET)-LED的集成器件及其制备方法

本发明涉及半导体领域，具体涉及一种用于片上光互连的uvpt(mosfet)-led的集成器件及其制备方法。

背景技术：

1、单芯片多处理器（cmp）是高性能微处理器的发展方向，如何实现数百上千个处理器核之间的片上互连通信网络是决定未来cmp性能的关键。传统的金属电互连网络受到物理特性制约，速率、延迟、噪声和功耗水平无法满足未来片上tb/s的互连需求。光互连作为一种新的互连方式，具有极高带宽、超快传输速率和高抗干扰性等优点。将微电子和光电子结合起来，在集成电路芯片间乃至芯片内部用光互连网络替代电互连网络构成光电混合集成芯片，构建芯片级多核心间超高速光互连网络，是“后摩尔时代”超大规模集成电路重要的技术发展方向之一。基于 cmos 集成调制器、激光器、光波导以及光电探测器的芯片间通信技术已经被报道并且正被商业化。片上光网络最早提出于 2006 年，用于解决片内和片间通信的功耗问题，是纳米级别的光互连网络。目前，片上光网络的主要 研究集中在功耗、性能、延迟以及可靠性等领域。 由于目前无法进行光存储和光信息的处理，片上光网络采用了光电混合的方式实现片内通信。片上光网络的研究主要在基于总线技术和网络结构技术方面。

2、从技术角度来看，实现发射机、波导、调制器和接收机的硅基单片光子集成仍有一定难度。在硅光子学中，需要能同时产生光和处理信息的发光光探测设备来克服将发射机和接收机合并在一块芯片上的瓶颈，而氮化物光子学将促进现代信息处理体系结构的发展。氮化镓材料因其带隙宽、电子迁移率高、物理化学稳定性好等优点，可很好的用于单片光子集成的研究。氮化镓基发光和光探测器件覆盖了从紫外到可见光的整个波长范围，在无线光学通信系统的发射端和接收端起着重要作用。实现更紧凑高效的收发模块智能无线终端，在单一芯片上集成发射机和接收机成为一种可取的方法。

3、传统技术中存在，微处理器和存储器之间的金属互连、复杂的电路设计限制了计算系统的性能；uvpt(mosfet)-led制备过程中icp干法刻蚀工艺对器件表面的损伤引起led光输出功率和发光效率下降的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于片上光互连的uvpt(mosfet)-led的集成器件及其制备方法，旨在解决上述问题。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种用于片上光互连的uvpt(mosfet)-led的集成器件，其特征在于，包括第一p型氮化镓层、量子阱层、n型氮化镓层、第二p型氮化镓层、缓冲层、衬底、阳极金属接触层、源极金属接触层、绝缘层、栅极金属接触层；所述n型氮化镓层、第一p型氮化镓层、缓冲层、衬底从上至下依次设置；所述栅极金属接触层嵌设于n型氮化镓层；所述栅极金属接触层一侧设有绝缘层，另一侧设有源极金属接触层；所述绝缘层和有源极金属接触层均设于n型氮化镓层上；所述绝缘层上侧从下至上依次设有量子阱层、第二p型氮化镓层和阳极金属接触层。

4、进一步的，所述绝缘层采用二氧化硅。

5、进一步的，，所述阳极金属接触层、栅极金属接触层的材料为半透明的镍/金金属堆叠。

6、进一步的，所述源极金属接触层的材料包括钼、钨、钛、镍、金、银、镉和铂。

7、一种用于片上光互连的uvpt(mosfet)-led的集成集成系统，包括cpu、uvpt(mosfet)-led的集成器件、和存储单元；所述cpu同时接收和发射信号，将外部信号光源转换为调制光并与波导耦合,调制光耦合uvpt(mosfet)-led的集成器件，同时发射信号光与波导耦合，然后沿着波导传播到信号接收器。

8、一种制备集成器件的方法，包括以下步骤：

9、s1：在衬底表面沉积一层缓冲层，在缓冲层上用金属有机化合物化学气相法依次沉积第一p型氮化镓层和n型氮化镓层，在n型氮化镓层上用气相沉积法制作绝缘层；

10、s2：采用刻蚀去除部分绝缘层；

11、s3：在n型氮化镓层上用金属有机化合物化学气相沉积法依次制作量子阱层、第二p型氮化镓层；

12、s4：湿法刻蚀去除介质层；

13、s5：蚀刻n型氮化镓层，创建了uvpt(mosfet)的栅极沟槽；

14、s6：在uvpt(mosfet)的栅极沟槽沉积绝缘层；

15、s7：采用电子束蒸发或溅射技术，第二p型氮化镓层上沉积阳极金属接触层；n型氮化镓层上沉积源极金属接触层；在介质层上沉积栅极金属层。

16、进一步的，所述步骤s2、s5中所用的刻蚀方法为icp干法刻蚀。

17、本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

18、1、本发明简化了片上光互连的电路设计，利用uvpt(mosfet)-led集成器件同时发射探测现象，微处理器和存储器之间可以利用光进行通信，利用光子进行数据传输，克服了金属互连限制这一瓶颈；

19、2、本发明以二氧化硅介作为掩膜层，采用金属有机化学气相沉积法直接外延生长led的功能层，避免了传统的器件制备工艺流程中icp干法刻蚀工艺对器件表面造成的损伤及其引起的器件光电性能下降，消除额外的金属相互连接，有望显著降低寄生电阻；并且简化了器件的工艺流程。

技术特征：

1.一种用于片上光互连的uvpt(mosfet)-led的集成器件，其特征在于，包括第一p型氮化镓层、量子阱层、n型氮化镓层、第二p型氮化镓层、缓冲层、衬底、阳极金属接触层、源极金属接触层、绝缘层、栅极金属接触层；所述n型氮化镓层、第一p型氮化镓层、缓冲层、衬底从上至下依次设置；所述栅极金属接触层嵌设于n型氮化镓层；所述栅极金属接触层一侧设有绝缘层，另一侧设有源极金属接触层；所述绝缘层和有源极金属接触层均设于n型氮化镓层上；所述绝缘层上侧从下至上依次设有量子阱层、第二p型氮化镓层和阳极金属接触层。

2.根据权利要求1所述的一种用于片上光互连的uvpt(mosfet)-led的集成器件，其特征在于，所述绝缘层采用二氧化硅。

3.根据权利要求1所述的一种用于片上光互连的uvpt(mosfet)-led的集成器件，其特征在于，所述阳极金属接触层、栅极金属接触层的材料为半透明的镍/金金属堆叠。

4.根据权利要求1所述的一种用于片上光互连的uvpt(mosfet)-led的集成器件，其特征在于，所述源极金属接触层的材料包括钼、钨、钛、镍、金、银、镉和铂。

5.一种基于权利要求1-4任一所述用于片上光互连的uvpt(mosfet)-led的集成器件的集成系统，其特征在于，包括cpu、uvpt(mosfet)-led的集成器件、和存储单元；所述cpu同时接收和发射信号，将外部信号光源转换为调制光并与波导耦合,调制光耦合uvpt(mosfet)-led的集成器件，同时发射信号光与波导耦合，然后沿着波导传播到信号接收器。

6.一种制备权利要求1-4任一所述集成器件的方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤s2、s5中所用的刻蚀方法为icp干法刻蚀。

技术总结
本发明涉及种用于片上光互连的UVPT(MOSFET)‑LED的集成器件，其特征在于，包括第一P型氮化镓层、量子阱层、N型氮化镓层、第二P型氮化镓层、缓冲层、衬底、阳极金属接触层、源极金属接触层、绝缘层、栅极金属接触层；所述N型氮化镓层、第一P型氮化镓层、缓冲层、衬底从上至下依次设置；所述栅极金属接触层嵌设于N型氮化镓层；所述栅极金属接触层一侧设有绝缘层，另一侧设有源极金属接触层；所述绝缘层和有源极金属接触层均设于N型氮化镓层上；所述绝缘层上侧从下至上依次设有量子阱层、第二P型氮化镓层和阳极金属接触层。本发明以绝缘层作为掩膜层，采用选择性生长LED外延层（SEG），简化制备工艺，同时避免ICP干法刻蚀工艺对LED器件表面造成损伤以引起的器件光电性能下降。

技术研发人员：张永爱,苏文娟,郭太良,周雄图,吴朝兴,严群,孙捷,张恺馨,叶金宇
受保护的技术使用者：福州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12