CN110010592A - 一种多波段半导体光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多波段半导体光电探测器，将两个以上不同波段的半导体光电探测器芯片集成在同一个芯片支架中。本发明多波段半导体光电探测器的集成方法，解决了当前半导体光电传感器响应波长范围无法覆盖宽波段的缺点，将不同波段的半导体光电探测器芯片封装集成，并且保持各自独立的功能，缩小了探测器的***体积，在有效降低水质检测***复杂性的同时，简化光学结构设计，提升了监测***的一致性、精确性和长期稳定性，保证了检测的快速性和灵敏性，有效降低了水质检测***的成本、难度和差异性。
Description
技术领域
本发明涉及一种多波段半导体光电探测器，属于光电探测器的集成领域。
背景技术
紫外-可见-红外光谱检测技术具有灵敏、精确高效、成本低、无二次污染等特点，且具备多参数同步检测的优势，成为水质检测领域重要的检测技术。在光谱检测技术中常用的光源覆盖了紫外到近红外的光谱范围，通过测试水体对光的吸收度，对水体中总有机碳(TOC)、化学需氧量(COD)、TDS(总溶解固体)、色度、浊度等水质参数进行检测分析。在这个过程中，为保证检测结果的可置信度，需要对光的变化量进行精确测量，要求光电探测器具有高灵敏度、宽响应波段范围、高稳定性。
目前，市场上常见的光电探测器包含：半导体光电探测器、真空光电器件、以及热探测器。其中，半导体光电探测器具有体积小、暗电流低、量子效率高、温度稳定性优、易集成等优点，在光电探测领域具有明显的优势，是用于水质检测的理想探测器件。
用于水质检测的波长包含：220nm、253.7nm，265nm，275nm、280nm，310nm，420nm，540nm、590nm、630nm、660nm，890nm等，波长范围覆盖了紫外到近红外的波段范围。由于材料物性的制约，当前市场上的半导体光电探测器难以实现紫外到近红外波段的光的有效宽谱探测。市场上常见的半导体紫外探测器是以GaN、SiC为代表的第三代宽禁带半导体探测器，这类宽禁带半导体探测器在紫外波段具有量子效率高的优点，但对可见光无响应；市场上常见的可见光及近红外半导体探测器则是基于Si、GaP、InP、GaAs、InGaAs等第一代和第二代半导体材料，这类探测器在可见波段和近红外波段具有强烈的响应，但在紫外波段的响应则极其微弱。在水质检测应用中，需同时至少采用两个光电探测器分布对紫外、可见和近红外的光进行监测。这类检测方式，存在占用空间大，噪声较高，光学结构设计复杂，测量精度较低，***复杂，成本高等缺点。
发明内容
为了解决现有技术中半导体光电探测器无法覆盖宽波段等缺陷，本发明提供一种多波段半导体光电探测器。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种多波段半导体光电探测器，将两个以上不同波段的半导体光电探测器芯片集成在同一个芯片支架中。
本申请通过将不同波段的半导体光电探测器芯片集成在同一个芯片支架中，可实现利用一个探测器完成宽波段的检测，保持了各探测器芯片独立的功能，缩小了探测器的***体积，在有效降低水质检测***复杂性的同时，简化光学结构设计，提升了监测***的一致性、精确性和长期稳定性，保证了检测的快速性和灵敏性，有效降低了水质检测***的成本、难度和差异性。
不同的半导体光电探测器芯片之间无电学上的连接关系，也即各半导体光电探测器芯片在电学上是相互独立的。本申请对芯片的器件结构无改进，保证各半导体光电探测器芯片在电学上相互独立即可。
为了方便制造，半导体光电探测器芯片与芯片支架之间的连接方式为倒装焊的方式或引线键和的方式。
本申请的芯片支架为贴片式、直插式、平板式或板上芯片封装式，半导体光电探测器芯片有n个，芯片支架上至少含有n+1个电学上独立的引脚。
引脚、芯片的电极作为现有常识，本申请不再赘述。
各半导体光电探测器芯片的阴极电极是相互独立的，阳极电极可以独立也可以共用。作为一种优选方案，芯片支架上至少含有2n个电学上独立的引脚，不同的半导体光电探测器芯片的阴极电极是相互独立的，需分别键和到电学上独立的引脚上；不同的半导体光电探测器芯片的阳极电极也是相互独立的，需分别键和到电学上独立的引脚上；
作为另一种优选方案，芯片支架上至少含有n+1～2n-1个电学上独立的引脚，不同的半导体光电探测器芯片的阴极电极是相互独立的，需分别键和到芯片支架上独立的引脚上；至少有两个半导体光电探测器芯片的阳极电极是键和到同一个电学上独立的引脚上的。进一步优选，芯片支架上至少含有n+1个电学上独立的引脚，所有半导体光电探测器芯片的阳极电极都键和到芯片支架上的同一个电学上独立的引脚上。
为有效保护各半导体光电探测器芯片，同时，实现各半导体光电探测器芯片的高灵敏度监测，需对固定芯片的支架进行封装保护。芯片支架上设有封装保护盖，所有的半导体光电探测器芯片均位于封装保护盖内，封装保护盖上设有紫外-近红外透过封装窗口，便于光透过。“紫外-近红”为紫外到近红外波段的意思。
紫外-近红外透过封装窗口选用紫外-近红外透过率较高的材质，优选为石英、蓝宝石或硅胶等，更优选为石英或蓝宝石。
为了用于紫外-可见-近红外多波段的水质检测，半导体光电探测器芯片有两个，分别为半导体紫外探测器芯片和半导体可见-近红外探测器芯片。
为了保证检测效果，同时兼顾成本等因素，半导体紫外探测器芯片所用材质为GaN、AlGaN、InGaN或SiC，半导体可见-近红外探测器芯片所用材质为Si材料。本发明半导体探测器芯片可采用前述几类典型半导体材料，但并不仅仅局限于前述几种半导体材料。
半导体紫外探测器芯片和半导体可见-近红外探测器芯片均可以是正入射也可以是背入射；半导体紫外探测器芯片的电极可以是平面电极也可以是上下电极，半导体可见-近红外探测器芯片的电极可以是平面电极也可以是上下电极。
作为一种优选方案，芯片支架为贴片式，芯片支架内含有三个电学上相互独立的焊盘，半导体紫外探测器芯片和半导体可见-近红外探测器芯片分别通过导电胶、银胶或硅胶固定在同一个焊盘上；半导体紫外探测器芯片的阳极电极和半导体可见-近红外探测器芯片的阳极电极分别通过导电胶或银胶与它们所在的焊盘连接，半导体紫外探测器芯片的阴极电极和半导体可见-近红外探测器芯片的阴极电极分别通过金线与另外两个焊盘连接，形成电学上相互独立的两个导通回路。
作为一种优选方案，芯片支架为To封装形式，To管座支架的上表面贴有两块导电面朝上的单面导电的绝缘垫片，两块单面导电的绝缘垫片之间的间距不为零，To管座支架的下表面设有四个电学上相互独立的针脚；半导体紫外探测器芯片和半导体可见-近红外探测器芯片通过导电胶、银胶或硅胶分别固定在两块单面导电的绝缘垫片的导电面上；半导体紫外探测器芯片的阴极电极和阳极电极及半导体可见-近红外探测器芯片的阴极电极和阳极电极通过金线分别与To管座支架上的四个针脚连接，形成电学上相互独立的两个导通回路；To金属管帽上设有紫外-近红外透过封装窗口，To金属管帽焊接在To管座支架的上表面、并将半导体紫外探测器芯片和和半导体可见-近红外探测器芯片与外界环境隔离。也即半导体紫外探测器芯片和半导体可见-近红外探测器芯片位于To金属管帽内。
本发明未提及的技术均参照现有技术。
本发明多波段半导体光电探测器的集成方法，解决了当前半导体光电传感器响应波长范围无法覆盖宽波段的缺点，将不同波段的半导体光电探测器芯片封装集成，并且保持各自独立的功能，相互之间没有干扰，缩小了探测器的***体积，在有效降低水质检测***复杂性的同时，简化光学结构设计，提升了监测***的一致性、精确性和长期稳定性，保证了检测的快速性和灵敏性，有效降低了水质检测***的成本、难度和差异性。
附图说明
图1为实施例1中贴片封装形式的半导体紫外探测器芯片和半导体可见-近红外探测器芯片集成的光电器件的封装示意图；
图2为实施例1中GaN紫外探测器芯片与Si可见近红外探测器芯片集成的多波段半导体光电探测器在紫外波段的光谱响应范围；
图3为实施例1中GaN紫外探测器芯片与Si可见近红外探测器芯片集成的多波段半导体光电探测器在可见及近红外光谱响应范围；
图4为实施例1中GaN紫外探测器芯片与Si可见近红外探测器芯片集成的多波段半导体光电探测器实物图；
图5为实施例1中GaN紫外探测器芯片与Si可见近红外探测器芯片集成的多波段半导体光电探测器在单一紫外光(280nm)照射情况下的输出信号；
图6为实施例1中GaN紫外探测器芯片与Si可见近红外探测器芯片集成的多波段半导体光电探测器在单一可见光(630nm)照射情况下的输出信号；
图7为实施例1中GaN紫外探测器芯片与Si可见近红外探测器芯片集成的多波段半导体光电探测器在紫外光(280nm)与可见光(630nm)混合光照射情况下的输出信号；
图8为实施例2中To封装形式的半导体紫外探测器芯片和半导体可见-近红外探测器芯片集成的光电器件的封装示意图；
图中，101为封装保护盖，102为贴片支架，103为半导体紫外探测器芯片，104为半导体可见-近红外探测器芯片，105为电学上相互独立的3个焊盘，106为金线；201为To金属管帽，202为To管座支架，203为单面导电的绝缘垫片，204为电学上相互独立的4个针脚。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
如图1所示，一种贴片封装形式的半导体紫外探测器芯片和半导体可见-近红外探测器芯片集成的光电器件，包括：5050贴片支架102、水平电极结构GaN基半导体紫外探测器芯片103、上下电极Si基半导体可见-近红外探测器芯片104；5050贴片支架含有3个电学上相互独立的焊盘105，使用硅胶、导电胶或银浆将GaN基半导体紫外探测器芯片103和Si基半导体可见-近红外探测器芯片104封装固定在同一个焊盘上(中间位置的焊盘)；在对芯片进行固晶后，利用金线将GaN基半导体紫外探测器芯片103的阴极电极和Si基半导体可见-近红外探测器芯片104的阴极电极分别与贴片支架102两边的焊盘105分别连接，利用金线将GaN基半导体紫外探测器芯片的阳极电极支架102中间的焊盘105连接，Si基半导体可见-近红外探测器芯片104的阳极通过导电胶或银浆与贴片支架103中间的焊盘105相连，形成电学上相互独立的两个导通回路，也即GaN基半导体紫外探测器芯片103和Si基半导体可见-近红外探测器芯片104无电学上的连接关系，二者在电学上是相互独立的；焊线工艺完成后，将具有紫外-近红外光学透过窗口的封装保护盖101盖在贴片支架102上，GaN基半导体紫外探测器芯片103和Si基半导体可见-近红外探测器芯片104位于封装保护盖内，并使用紫外固化胶将封装保护盖101与贴片支架102固定在一起，将GaN基半导体紫外探测器芯片103和Si基半导体可见-近红外探测器芯片104与外界环境隔离，紫外-近红外光学透过窗口的材料是蓝宝石。前述将GaN基半导体紫外探测器芯片103和Si基半导体可见-近红外探测器芯片104封装在同一个贴片支架102中，两个芯片在电学上相互独立，两个芯片同时工作，分别实现监测紫外光LED光强和可见LED-近红外光LED光强的功能，最终实现水质的快速检测和预警。
图2为上述多波段半导体光电探测器采用GaN紫外探测器芯片与Si可见近红外探测器芯片集成后在紫外波段的光谱响应范围，图3为上述多波段半导体光电探测器采用GaN紫外探测器芯片与Si可见近红外探测器芯片集成后在可见及近红外波段的光谱响应范围。可以看出，GaN紫外探测器在紫外波段范围具有良好的响应范围，在可见及近红外波段则无任何响应，可实现紫外光信号的单独监测；Si可见近红外探测器则在可见及近红外波段具有良好的响应范围，在紫外波段则响应及其微弱，可忽略不计，可实现可见及近红光信号的单独监测。上述GaN紫外探测器芯片与Si可见近红外探测器芯片集成的多波段半导体光电探测器可同时实现紫外光信号和可见近红外光信号的独立检测，不会存在探测信号的相互干扰。
图4为上述GaN紫外探测器芯片与Si可见近红外探测器芯片集成的多波段半导体光电探测器，在单一紫外光(280nm)照射情况下探测器的输出信号如图5所示、单一可见光(630nm)照射情况下探测器的输出信号如图6所示，以及紫外光(280nm)与可见光(630nm)混合光照射情况下探测器的输出信号如图7所示。可以看出，在单一紫外光(280nm)照射下，只有GaN紫外探测器有信号输出，在单一可见光(630nm)照射下，只有Si可见近红外探测器有信号输出，在紫外光(280nm)与可见光(630nm)混合光照射下，GaN紫外探测器与Si可见近红外探测器均有信号输出，探测器的输出信号强度与单一紫外光(280nm)和单一可见光(630nm)照射下探测器的输出强度相同，因此，本发明GaN紫外探测器芯片与Si可见近红外探测器芯片集成的多波段半导体光电探测器同时实现了紫外光信号和可见近红外光信号的独立检测，并未存在信号上的相互干扰现象。
实施例2：
如图8所示，一种To封装形式的GaN基半导体紫外探测器芯片103和Si基半导体可见-近红外探测器芯片104集成的光电器件，包括：To金属管帽201、To管座支架202、平面电极的GaN基半导体紫外探测器芯片103、平面电极的Si基半导体可见-近红外探测器芯片104和2块单面导电的绝缘垫片203；To管座支架202含有4个电学上相互独立的针脚204，将2块单面导电的绝缘垫片203分别固定在To管座支架的表面，使绝缘垫片的导电面朝上，2块单面导电的绝缘垫片203之间的间距不为零；然后使用导电胶、银胶或硅胶将GaN基半导体紫外探测器芯片103和Si基半导体可见-近红外探测器芯片104分别封装固定在单面导电的2块单面导电的绝缘垫片203的导电面上；在对芯片进行固晶后，利用金线将GaN基半导体紫外探测器芯片103的阴极电极和阳极电极及Si基半导体可见-近红外探测器芯片104的阴极电极和阳极电极分别与To管座的4个针脚分别连接，形成电学上相互独立的两个导通回路，也即GaN基半导体紫外探测器芯片103和Si基半导体可见-近红外探测器芯片104无电学上的连接关系，二者在电学上是相互独立的；焊线工艺完成后，将含有紫外-近红外透过封装窗口的To金属管帽201与To管座支架202焊接在一起，将GaN基半导体紫外探测器芯片103和Si基半导体可见-近红外探测器芯片104与外界环境隔离，紫外-近红外透过封装窗口的材料是石英。前述将GaN基半导体紫外探测器103和Si基半导体可见-近红外探测器芯片104进行封装集成，在实现紫外到近红外宽谱波长范围水质检测的同时，缩小了探测器的***体积，降低了水质检测***的复杂性，缩小了检测***的体积，提升了检测***的一致性和精确性。
上述各例中的半导体紫外探测器芯片和半导体可见-近红外探测器芯片集成的光电器件，解决了在光谱水质检测应用方面，单一半导体探测器难以实现高灵敏度的紫外到近红外波长范围内的宽谱测量的缺点，将半导体紫外探测器芯片和半导体可见-近红外探测器芯片封装集成，并且保持两者独立的功能，减小了探测器***的体积，在有效降低水质检测***复杂性的同时，简化了光学结构设计，提升了光谱水质检测***的快速性、灵敏性、一致性、精确性和长期稳定性，有效降低了光谱水质检测***的成本、难度和差异性。
Claims (10)
1.一种多波段半导体光电探测器，其特征在于：将两个以上不同波段的半导体光电探测器芯片集成在同一个芯片支架中。
2.如权利要求1所述的多波段半导体光电探测器，其特征在于：不同的半导体光电探测器芯片之间无电学上的连接关系。
3.如权利要求1或2所述的多波段半导体光电探测器，其特征在于：半导体光电探测器芯片与芯片支架之间的连接方式为倒装焊的方式或引线键和的方式；芯片支架为贴片式、直插式、平板式或板上芯片封装式，半导体光电探测器芯片有n个，芯片支架上至少含有n+1个电学上独立的引脚。
4.如权利要求3所述的多波段半导体光电探测器，其特征在于：芯片支架上至少含有2n个电学上独立的引脚，不同的半导体光电探测器芯片的阴极电极是相互独立的，需分别键和到电学上独立的引脚上；不同的半导体光电探测器芯片的阳极电极也是相互独立的，需分别键和到电学上独立的引脚上；
或者芯片支架上至少含有n+1～2n-1个电学上独立的引脚，不同的半导体光电探测器芯片的阴极电极是相互独立的，需分别键和到芯片支架上独立的引脚上；至少有两个半导体光电探测器芯片的阳极电极是键和到同一个电学上独立的引脚上的。
5.如权利要求4所述的多波段半导体光电探测器，其特征在于：芯片支架上至少含有n+1个电学上独立的引脚，所有半导体光电探测器芯片的阳极电极都键和到芯片支架上的同一个电学上独立的引脚上。
6.如权利要求1或2所述的多波段半导体光电探测器，其特征在于：芯片支架上设有封装保护盖，所有的半导体光电探测器芯片均位于封装保护盖内，封装保护盖上设有紫外-近红外透过封装窗口，紫外-近红外透过封装窗口所用材质为石英、蓝宝石或硅胶。
7.如权利要求1或2所述的多波段半导体光电探测器，其特征在于：半导体光电探测器芯片有两个，分别为半导体紫外探测器芯片和半导体可见-近红外探测器芯片。
8.如权利要求7所述的多波段半导体光电探测器，其特征在于：半导体紫外探测器芯片所用材质为GaN、AlGaN、InGaN或SiC，半导体可见-近红外探测器芯片所用材质为Si材料；半导体紫外探测器芯片和半导体可见-近红外探测器芯片均为正入射或背入射；半导体紫外探测器芯片的电极为平面电极或上下电极，半导体可见-近红外探测器芯片的电极为平面电极或上下电极。
9.如权利要求7所述的多波段半导体光电探测器，其特征在于：芯片支架为贴片式，芯片支架内含有三个电学上相互独立的焊盘，半导体紫外探测器芯片和半导体可见-近红外探测器芯片分别通过导电胶、银胶或硅胶固定在同一个焊盘上；半导体紫外探测器芯片的阳极电极和半导体可见-近红外探测器芯片的阳极电极分别通过导电胶或银胶与它们所在的焊盘连接，半导体紫外探测器芯片的阴极电极和半导体可见-近红外探测器芯片的阴极电极分别通过金线与另外两个焊盘连接，形成电学上相互独立的两个导通回路。
10.如权利要求7所述的多波段半导体光电探测器，其特征在于：芯片支架为To封装形式，To管座支架的上表面贴有两块导电面朝上的单面导电的绝缘垫片，两块单面导电的绝缘垫片之间的间距不为零，To管座支架的下表面设有四个电学上相互独立的针脚；半导体紫外探测器芯片和半导体可见-近红外探测器芯片通过导电胶、银胶或硅胶分别固定在两块单面导电的绝缘垫片的导电面上；半导体紫外探测器芯片的阴极电极和阳极电极及半导体可见-近红外探测器芯片的阴极电极和阳极电极通过金线分别与To管座支架上的四个针脚连接，形成电学上相互独立的两个导通回路；To金属管帽上设有紫外-近红外透过封装窗口，To金属管帽焊接在To管座支架的上表面、并将半导体紫外探测器芯片和和半导体可见-近红外探测器芯片与外界环境隔离。
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