[发明专利]基于异质键合的微型水下可见光通信双工器件及制备方法

说明书

本发明公开了一种基于异质键合的微型水下可见光通信双工器件及制备方法，实现载体为硅衬底氮化物晶片和N型掺杂硅晶片，所述硅衬底氮化物晶片包括顶层氮化物和位于顶层氮化物下部的硅衬底层，硅衬底层部分掏空，形成悬空部位，悬空部位上方的顶层氮化物和镍/金电极构成薄膜LED蓝光发光器件，N型掺杂硅晶片顶层设置有适用于蓝光波段的光电传感器件，所述N型掺杂硅晶片为本征硅晶片掺杂磷元素。本发明器件设备体积小，能够实现水下高性能高速双向可见光通信。

技术领域

本发明涉及基于异质键合的微型水下可见光通信双工器件及制备方法，属于信息材料与器件技术领域。

背景技术

可见光通信是基于LED器件发展起来的无线光通信技术，利用其输出光功率和驱动电流的高速响应特性，以可见光作为信息载体，实现无线通信。可见光能够提供超宽光谱频段，在海洋勘探信息等水下环境中具有较小的信道衰减。可见光的光谱范围为380nm-760nm，在400nm-500nm的蓝光波段下水对可见光的吸收达到极小值，即在此波段下的水下可见光通信的信道衰减达到极小值。

氮化物材料化学性质非常稳定，禁带宽度大，并且具有优良的光电特性和机械特性。目前，高质量的硅衬底氮化物晶片也日益成熟，已经逐步走向市场。基于硅衬底氮化物晶片LED蓝光发光器件不仅具有水下信道衰减小的优势，并且具有较高的通信带宽，可作为发射端应用于高性能高速度水下可见光通信

硅基光电传感器件在蓝光波段具有较高的灵敏度和响应频率，适用于水下可见光通信的接收端。利用异质键合技术将蓝光波段的接收端和发射端进行同轴键合获得可以同时发射和接收信号的双工终端，是实现高性能高速水下可见光通信的关键器件。本发明提出一种基于异质键合技术的微型化蓝光LED水下可见光通信同轴双工终端器件，降低水下可见光通信的信道衰减，为发展面向高性能高速水下可见光通信的微型化集成双工器件奠定基础。

发明内容

技术问题：本发明提供一种能够实现水下高性能高速双向可见光通信的基于异质键合的微型水下可见光通信双工器件及制备方法。

技术方案：本发明的基于异质键合的微型水下可见光通信双工器件，包括作为载体的硅衬底氮化物晶片、设置在所述硅衬底氮化物晶片下方的N型掺杂硅晶片，所述硅衬底氮化物晶片包括硅衬底层和位于所述硅衬底层上方的顶层氮化物，所述硅衬底层部分掏空，形成悬空部位，所述顶层氮化物上设置有位于所述悬空部位上方的镍/金电极，所述悬空部位上方的顶层氮化物和镍/金电极构成薄膜LED蓝光发光器件，所述N型掺杂硅晶片顶层设置有适用于蓝光波段的光电传感器件，所述光电传感器件位于悬空部位下方，包括P型掺杂和铝电极，所述P型掺杂与N型掺杂硅形成硅基PN结，薄膜LED蓝光发光器件与光电传感器件上下正对并通过异质键合连接。

进一步的，本发明器件中，N型掺杂硅晶片为掺杂了磷元素的本征硅晶片。

本发明器件在垂直方向上通过异质键合技术集成了位于同轴的LED蓝光发光器件和适用于蓝光波段的光电传感器件。透明的悬空薄膜LED蓝光发光器件可以透过另一双工终端器件发射的蓝光信号，由键合在悬空薄膜LED蓝光发光器件下方的硅基光电传感器件接收，实现同时双工可见光通信。

本发明的基于异质键合的微型水下可见光通信双工器件制备方法，包括如下步骤：

步骤(1)在硅衬底氮化物晶片的顶层氮化物上表面进行光学光刻定义LED发光区域，并进行三五族材料反应离子刻蚀，暴露出用于制备负电极的LED层中的N型氮化物材料区域；

步骤(2)在硅衬底氮化物晶片顶层氮化物上表面进行光学光刻，定义LED器件正负电极的图形结构；

步骤(3)采用等离子体增强化学气相沉积技术在所述硅衬底氮化物晶片顶层氮化物上表面沉积二氧化硅层，在二氧化硅层表面进行光学光刻定义出光电传感器件电极的图形，并进行氢氟酸湿法刻蚀，将光电传感器件电极的图形转移至二氧化硅层上；