CN102437228B - 一种底部耦合光栅量子阱红外焦平面光敏元芯片及其制备方法 - Google Patents

一种底部耦合光栅量子阱红外焦平面光敏元芯片及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及底部耦合光栅量子阱红外焦平面光敏元芯片及其制备方法，可有效解决简化焦平面光敏元芯片制作工艺，提高光栅耦合效率的问题，方法是，在砷化镓衬底上面有由n型砷化镓和金交替周期性排列构成的透射光栅，透射光栅上面有下接触层，下接触层上有多量子阱层，多量子阱层上有上接触层，上接触层上有金反射层，金反射层上面有合金上电极，下接触层的一端上有合金公共下电极，下接触层、多量子阱层、上接触层、金反射层、合金上电极和合金公共下电极的两侧有二氧化硅钝化层；其制备方法是，采用晶片键合工艺和常规半导体工艺将透射光栅置于多量子阱层的底部，形成一体结构，本发明结构新颖独特，提高光耦合效率，制作工艺、方法简单。

Description

一种底部耦合光栅量子阱红外焦平面光敏元芯片及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件领域，特别是一种底部耦合光栅量子阱红外焦平面光敏元芯片及其制备方法。
背景技术
GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器（Quantum Well Infrared Photodetector，简称QWIP）以其材料生长和制备工艺成熟，易于大面阵集成、稳定性好、器件均匀性好、成本低、容易实现双色及多色焦平面器件、抗辐射等优点，在国防探测、森林防火、工业监控及医疗卫生等领域有广泛的应用前景，成为近年来红外探测领域的研究热点。
然而根据量子跃迁的选择定则，QWIP器件对正入射的红外光具有禁戒性。因此必须采用一定的光耦合方式，使入射光的电场方向平行于量子阱的生长方向来激发子带跃迁，实现红外光的探测。常见的光耦合方式有45°角斜入射、二维周期光栅、漫反射光栅、波纹耦合光栅等多种光耦合方式。
二维周期光栅是最适合大面积焦平面红外量子阱探测器的光耦合方式，但其存在如下的问题：（1）红外光是经过光栅反射后被量子阱层吸收的，因此耦合效率较低；（2）目前二维周期光栅均位于焦平面光敏元芯片的顶部，为了将焦平面光敏元芯片与读出电路互联形成完整的焦平面器件，往往需要在顶部二维周期光栅上采用套刻技术制作电极，这不但破坏了二维周期光栅的完整性，而且增加了制作工艺的难度。因此，其改进和创新势在必行。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种底部耦合光栅量子阱红外焦平面光敏元芯片及其制备方法，可有效解决改进芯片的光栅耦合方式，简化焦平面光敏元芯片制作工艺，提高光栅耦合效率的问题。
本发明解决的技术方案是，本发明光敏元芯片其结构是由自下而上的几部分组合在一起构成： 
在砷化镓衬底上面有由n型砷化镓和金交替周期性排列构成的透射光栅，透射光栅上面有n型砷化镓下接触层，n型砷化镓下接触层上有GaAs/AlGaAs多量子阱层，GaAs/AlGaAs多量子阱层上有n型砷化镓上接触层，n型砷化镓上接触层上有金（Au）反射层，金（Au）反射层上面有金/锗/镍（Au/Ge/Ni）合金上电极， n型砷化镓下接触层的一端上有金/锗/镍合金公共下电极，n型砷化镓下接触层、GaAs/AlGaAs多量子阱层、n型砷化镓上接触层、金（Au）反射层、金/锗/镍（Au/Ge/Ni）合金上电极和金/锗/镍合金公共下电极的两侧有二氧化硅（SiO2）钝化层；其制备方法是，采用晶片键合工艺和常规半导体工艺将透射光栅置于GaAs/AlGaAs多量子阱层的底部，形成一体结构。
本发明产品结构新颖独特，提高了量子阱红外焦平面光敏元芯片的光耦合效率，避免了以往在顶部二维周期光栅上采用套刻技术制作电极时所需要的复杂制作工艺，方法简单，是半导体器件生产上的创新。
附图说明
图1为本发明的结构主视图。
图2为本发明的底部透射方孔二维周期光栅刨面示意图。
图3为本发明的实施实例中多量子阱区内电场方向平行于量子阱生长方向的光波的光场分布示意图。
图4为本发明的实施中多量子阱层内不同刨面处的光波电场相对强度分布图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
由图1给出，本发明光敏元芯片是由自下而上的几部分组合在一起构成： 
在砷化镓衬底01上面有由n型砷化镓02和金03交替周期性排列构成的透射光栅，透射光栅上面有n型砷化镓下接触层04，n型砷化镓下接触层上有GaAs/AlGaAs多量子阱层06，GaAs/AlGaAs多量子阱层上有n型砷化镓上接触层07，n型砷化镓上接触层上有金（Au）反射层08，金（Au）反射层上面有金/锗/镍（Au/Ge/Ni）合金上电极09， n型砷化镓下接触层04的一端上有金/锗/镍合金公共下电极10，n型砷化镓下接触层、GaAs/AlGaAs多量子阱层、n型砷化镓上接触层、金反射层、金/锗/镍合金上电极和金/锗/镍合金公共下电极的两侧有二氧化硅（SiO2）钝化层05。
所述的本实例中取量子阱红外焦平面的工作峰值波长为4.133微米，取GaAs折射率为3.24，光栅周期为0.65微米，金03宽度为0.325微米；砷化镓衬底厚为30微米；透射光栅为方孔二维周期光栅（如图2所示），n型砷化镓02和金03的宽度相同，每个周期宽0.65微米，其高度d=λ/2n，其中λ为入射光波长，n为n型砷化镓的折射率，其周期p=d，其中金03的宽度a=d/2；n型砷化镓下接触层04厚度为0.5微米；GaAs/AlGaAs多量子阱层06厚度为1.41微米；n型砷化镓上接触层07厚度为0.5微米；金反射层08将入射到反射层的光反射回去，增加GaAs/AlGaAs多量子阱层的吸收效率，厚度为1.0微米；二氧化硅钝化层05厚度为1.0微米；金/锗/镍合金上电极09厚度为1.0微米；金/锗/镍合金公共下电极10为环绕整个光敏元芯片，并伸出光敏元芯片边缘的环形，构成光敏元芯片中所有像元的公共下电极。
所述的光敏元芯片的像元个数为M行×N列，其中M、N均为正整数，M、N的值可依据实际需要来确定。
本发明光敏元芯片的制备方法是，包括如下步骤：
1、用晶体生长技术分子束外延（MBE），在半绝缘砷化镓衬底上面依次生长出n-GaAs下接触层，GaAs/AlGaAs多量子阱层，n-GaAs上接触层；
2、用机械减薄工艺将半绝缘砷化镓衬底去掉，露出n-GaAs下接触层，使用紫外光刻技术在n-GaAs下接触层上刻蚀出光栅结构；
3、在光栅结构上蒸度金属金，并使用机械减薄工艺，形成上金属光栅；
4、用步骤1给出的方法（MBE），在半绝缘GaAs衬底上面生长一层n-GaAs接触层，使用紫外光刻技术在n-GaAs接触层上刻蚀出光栅结构，在光栅结构上蒸度金属金，并使用机械减薄工艺，形成下金属光栅；
5、用晶片键合工艺将步骤3和步骤4形成的上、下金属光栅键合，形成芯片结构；
6、将步骤5制备得到的芯片结构进行刻蚀，刻蚀深度达到n-GaAs下接触层形成台阶状结构；
7、在n-GaAs上接触层蒸度金属Au反射层；
8：在步骤5制备得到的芯片结构的上表面及步骤6刻蚀后的台阶状结构的两侧淀积二氧化硅钝化层；
9、在二氧化硅钝化层上光刻、腐蚀出引线孔，并在引线孔中蒸度Au/Ge/Ni，形成金/锗/镍合金上电极和金/锗/镍合金公共下电极；
10、将半绝缘砷化镓衬底减薄至30~100微米，进行管芯分割，完成光敏元芯片的制作。
要指出的是，在上述各步骤中，所采用的工艺、方法均是现有技术，本发明只是在各步骤中采用现有的不同的方法，来制备出每一步骤中所需的产品工段，是现有方法的综合使用，以制备出新的光敏元芯片。
本发明采用时域有限差分算法对上述结构进行模拟计算，入射光采用电场方向垂直于量子阱生长方向的高斯光束，计算得到的结果如图3和图4所示。图3给出了距离n-GaAs上接触层（07）底端0.2微米处，多量子阱区内电场方向平行于量子阱生长方向的光波的光场分布示意图。从图3可以看出透射光栅明显改变了入射光的方向，将入射光的电场方向从垂直与量子阱生长方向改变为平行于量子阱生长方向。图4给出了GaAs/AlGaAs多量子阱层06内距离n-GaAs上接触层（07）底端不同距离刨面处的光波电场相对强度，为了对比，同时给出了相同参数结构，但光栅厚度为0.325微米的顶部反射光栅的分析结果。从图4可以看出，本发明所述的底部透射光栅耦合效率明显大于传统的顶部反射光栅。与现有的量子阱红焦平面光敏元芯片相比，本发明的量子阱红外光敏元芯片提高了光栅的耦合效率，进一步可以提高量子阱的吸收效率，增强了量子阱红外焦平面阵列的灵敏度。
惟以上所述的，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即凡是依本发明申请范围及发明说明内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明权利要求涵盖的范围内。

Claims (5)

1.一种底部耦合光栅量子阱红外焦平面光敏元芯片的制备方法，其特征在于，在砷化镓衬底上面有由n型砷化镓和金交替周期性排列构成的透射光栅，透射光栅上面有n型砷化镓下接触层，n型砷化镓下接触层上有GaAs/AlGaAs多量子阱层，GaAs/AlGaAs多量子阱层上有n型砷化镓上接触层，n型砷化镓上接触层上有金反射层，金反射层上面有金/锗/镍合金上电极， n型砷化镓下接触层的一端上有金/锗/镍合金公共下电极，n型砷化镓下接触层、GaAs/AlGaAs多量子阱层、n型砷化镓上接触层、金反射层、金/锗/镍合金上电极和金/锗/镍合金公共下电极的两侧有二氧化硅钝化层，具体由以下步骤实现：
（1）、用晶体生长技术分子束外延，在半绝缘砷化镓衬底上面依次生长出n-GaAs下接触层，GaAs/AlGaAs多量子阱层，n-GaAs上接触层；
（2）、用机械减薄工艺将半绝缘砷化镓衬底去掉，露出n-GaAs下接触层，使用紫外光刻技术在n-GaAs下接触层上刻蚀出光栅结构；
（3）、在光栅结构上蒸度金属金，并使用机械减薄工艺，形成上金属光栅；
（4）、用步骤（1）给出的晶体生产技术分子束外延，在半绝缘GaAs衬底上面生长一层n-GaAs接触层，使用紫外光刻技术在n-GaAs接触层上刻蚀出光栅结构，在光栅结构上蒸度金属金，并使用机械减薄工艺，形成下金属光栅；
（5）、用晶片键合工艺将步骤（3）和步骤（4）形成的上、下金属光栅键合，形成芯片结构；
（6）、将步骤（5）制备得到的芯片结构进行刻蚀，刻蚀深度达到n-GaAs下接触层形成台阶状结构；
（7）、在n-GaAs上接触层蒸度金反射层；
（8）、在步骤（5）制备得到的芯片结构的上表面及步骤（6）刻蚀后的台阶状结构的两侧淀积二氧化硅钝化层；
（9）、在二氧化硅钝化层上光刻、腐蚀出引线孔，并在引线孔中蒸度Au/Ge/Ni，形成金/锗/镍合金上电极和金/锗/镍合金公共下电极；
（10）、将半绝缘砷化镓衬底减薄至30~100微米，进行管芯分割，完成光敏元芯片的制作。
2.根据权利要求1所述的底部耦合光栅量子阱红外焦平面光敏元芯片的制备方法，其特征在于，所述的由n型砷化镓和金属金周期性排列构成的透射光栅，其高度为d=λ/2n，其中λ为入射光波长，n为n型砷化镓的折射率。
3.根据权利要求1所述的底部耦合光栅量子阱红外焦平面光敏元芯片的制备方法，其特征在于，所述的由n型砷化镓和金属金周期性排列构成的透射光栅，其周期为p=d，其中金属金的宽度为a=d/2。
4.根据权利要求1所述的底部耦合光栅量子阱红外焦平面光敏元芯片的制备方法，其特征在于，所述的由n型砷化镓和金交替周期性排列构成的透射光栅，其为方孔二维周期光栅。
5.根据权利要求1所述的底部耦合光栅量子阱红外焦平面光敏元芯片的制备方法，其特征在于，所述的金/锗/镍合金公共下电极，为环绕整个光敏元芯片，并伸出光敏元芯片边缘的环形，构成光敏元芯片中所有像元的公共下电极。
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