CN101299434A - 双光子无源红外上转换成像器件制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种半导体光电探测技术领域的双光子无源红外上转换成像器件制造方法。步骤如下：(1)确定双光子无源红外上转换成像器件为金属金－宽带隙半导体－窄带隙半导体－宽带隙半导体－金属金的结构，选择不同的半导体材料结构实现不同波长的双光子无源上转换，确定宽带隙半导体和窄带隙半导体的材料结构参数；(2)用分子束外延方法先生长无源上转换半导体器件结构，然后在器件结构上下表面分别沉积金膜，即可得到双光子无源红外上转换成像器件。本发明可对波长达几个微米的红外光进行无源上转换成像，大大降低了红外探测成像的成本，而且工艺简单，应用方便。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种半导体光电探测技术领域的方法，具体是一种双光子无源红外上转换成像器件制造方法。
背景技术
在可见光和近红外波段(波长小于1.1微米)，硅电荷耦合器件是性能优异的成像器件。波长长于其响应范围的红外光的成像，由于在目标追踪、安防监控和新材料探索等领域的应用，得到了越来越多的关注。一般可以用商业化的红外相机来对红外物体进行成像，其主要结构包括红外探测器以及复杂的读出电路，由于探测器和读出电路价格昂贵，使得红外成像的成本很高。利用红外探测器和发光二极管的集成结构，基于光子频率上转换的概念，可以将入射的长波长的光转换为短波长的光，然后用硅电荷耦合器件对转换过来的短波长光进行探测，即可实现长波长光的上转换成像。这种成像器件不需要设计特殊的读出电路，因而降低了红外成像的成本。但这种上转换成像器件必须在偏压下工作，将电能和入射的低能量光子转换为出射的高能量光子。
经对现有技术的文献检索发现，L.Zhao等人在《Applied Physics Letters》(应用物理快报)第90卷(2007)第121132页上发表的“Two-photon passiveelectro-optic upconversion in a GaAs/AlGaAs heterostructure device”(GaAs/AlGaAs异质结器件中的双光子无源电-光上转换)一文中提出：利用AlGaAs/GaAs多层材料体系组成的异质结器件，在不加偏压的情况下，由于入射波长为808纳米的光子能量大于GaAs材料的带隙能量而小于AlGaAs材料的带隙能量，因而GaAs材料中的电子和空穴将被激发，光生电荷的积累所引起的光伏效应将使AlGaAs发光材料区域正向偏置而发出710纳米的光。但是此器件只能将波长小于808纳米的光进行无源上转换，对于波长大于808纳米的光，用此器件不能实现无源上转换。
基于这种无源上转换原理，通过合适地设计器件结构，可以实现更长波长的双光子无源红外上转换成像。在进一步的检索中，尚未发现与本发明主题相同或者类似的文献报道。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种双光子无源红外上转换成像器件的制造方法。这种成像方法利用光学上转换原理，可以将长波长红外光转换为近红外光，并通过硅电荷耦合器件进行探测成像，区别于现有的红外成像机理及装置。本发明克服了现有红外成像技术中成本高，结构复杂等缺点，并实现了无偏压下的红外成像。
本发明是通过以下的技术方案来实现的：
本发明包括步骤如下：
第一步，确定双光子无源红外上转换成像器件的结构和材料类型。
根据双光子无源红外上转换成像的机理，采用金属-宽带隙半导体材料-窄带隙半导体材料-宽带隙半导体材料-金属的结构。在入射红外光的激发下，金属费米能级附近的电子吸收红外光子后将越过金属-半导体界面势垒，进入“垒”区域(宽带隙半导体)的导带；金属费米能级以下的电子吸收红外光子后将跃迁至费米能级附近，相当于“垒”区域半导体的价带中进入了一个“空穴”。在内建电场的作用下，电子和空穴都将进入“阱”区域(窄带隙半导体)，进行辐射复合而发出可被硅电荷耦合器件直接探测的短波长光子。确定组成双光子无源红外上转换成像器件的半导体材料类型，选取半导体材料使得器件可以对长波长的红外光进行探测，并可发出波长落在硅电荷耦合器件探测范围之内的近红外光。进行半导体材料的选取时，“垒”区域半导体材料的带隙决定了入射红外光的截止波长，入射的双光子能量之和应该大于此带隙能量，据此可以通过选取不同带隙的“垒”区域半导体材料进行不同波长的红外光上转换成像。“阱”区域半导体材料的带隙决定了转换过来的近红外光子的波长，此波长应落在硅电荷耦合器件的响应范围之内。
根据以上原则，可采用GaAs/Al0.20Ga0.80As，InP/In0.53Ga0.47As或In0.52Al0.48As/InAs半导体材料体系，利用这三组材料体系分别将小于1.5微米，3.3微米以及6.8微米的光转换为870纳米，920纳米及840纳米的近红外光。在GaAs/Al0.20Ga0.80As和InP/In0.53Ga0.47As半导体材料体系中，金属金-宽带隙半导体-窄带隙半导体-宽带隙半导体-金属金结构的厚度为10纳米-200纳米-100纳米-200纳米-10纳米，In0.52Al0.48As/InAs半导体材料体系中，金属金-宽带隙半导体-窄带隙半导体-宽带隙半导体-金属金结构的厚度为10纳米-20纳米-20纳米-20纳米-10纳米。
第二步，用分子束外延方法生长出上转换器件结构，然后在上下两个面沉积金属金薄膜，即得到这种双光子无源红外上转换成像器件结构。
根据具体的器件结构，在选定的半导体材料体系下，选择衬底材料，用分子束外延装置先生长出双光子无源红外上转换成像器件的宽带隙半导体-窄带隙半导体-宽带隙半导体部分。然后利用晶片键合技术除去衬底，并在半导体部分的上下表面沉积金属金的薄膜。
所述金属金的薄膜厚度约为10纳米。
在不加偏压的条件下，本发明得到的器件可将入射的长波长红外光转换为近红外光，然后用硅电荷耦合器件对近红外光直接进行探测，就可以实现双光子无源红外上转换成像。
本发明提出了一种无偏压条件下实现红外成像的方法，由于没有特殊的读出电路，这种方法大大降低了红外成像的成本，同时通过设计合适的半导体材料类型，可以实现波长长达几个微米的光的无源上转换成像，并且利用成熟的器件结构材料和制作工艺，具有结构简单，制作方便，易于操作等优点。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明实施例的实施步骤如下：
(1)确定要生长的器件结构为金属-宽带隙半导体-窄带隙半导体-宽带隙半导体-金属结构。利用双光子无源红外上转换成像的原理，可以设计几种半导体材料结构，以实现不同红外波长的双光子无源上转换，并制作上转换器件结构，以下面的三种情况为例。
实施例1：采用GaAs/Al0.20Ga0.80As半导体材料体系，可以将小于1.5微米的红外光转换为870纳米的光，从而进行双光子无源上转换成像。确定衬底为重掺杂的p型GaAs材料，然后生长300纳米的n型GaAs缓冲层(Si掺杂，浓度为2×1016cm-3)，接着依次是250纳米的Al0.60Ga0.40As的刻蚀层，200纳米的n型Al0.20Ga0.80As“垒”层(Si掺杂，浓度为3×1017cm-3)，100纳米的非掺杂GaAs“阱”层，200纳米的n型Al0.20Ga0.80As“垒”层(Si掺杂，浓度为3×1017cm-3)。
实施例2：采用InP/In0.53Ga0.47As半导体材料体系，可以将小于3.3微米的红外光转换为920纳米的光，从而进行双光子无源上转换成像。确定衬底为InP材料，然后生长500纳米的InxA11-xAs缓冲层(x组分从0到0.52，Si掺杂，面浓度为1.5×1012cm-2)，接着依次是50nm的In0.53Ga0.47As刻蚀层，200纳米的n型In0.53Ga0.47As“垒”层(Si掺杂，面浓度为4.9×1012cm-2)，100纳米的非掺杂InP“阱”层，200纳米的n型In0.53Ga0.47As“垒”层(Si掺杂，面浓度为4.9×1012cm-2)。
实施例3：采用In0.52Al0.48As/InAs半导体材料体系，可以将小于6.8微米的红外光转换为840纳米的光，从而进行双光子无源上转换成像。确定衬底为InP材料，然后生长5层结构的InAsyP1-y缓冲层(每层厚度为30纳米，y值分别为：0.10，0.25，0.45，0.70和0.90)，接着是50纳米的In0.52Al0.48As刻蚀层，20纳米的InAs“垒”层(Si掺杂，浓度为1×1018cm-3)，20纳米的非掺杂的In0.52Al0.48As“阱”层，20纳米的InAs“垒”层(Si掺杂，浓度为1×1018cm-3)。
(2)用分子束外延方法生长出无源上转换器件结构后，用稀释的NH4OH清洗表面，然后用晶片键合技术在表面沉积10纳米厚的金膜。接着除去衬底，并用标准光刻技术去掉刻蚀层，然后用NH4OH清洗另一表面，并沉积10纳米厚的金膜，这样就得到了双光子无源上转换成像器件。在入射长波长红外光的照射下，上转换器件发出近红外光，然后用硅电荷耦合器件直接进行探测，就可以实现双光子无源红外上转换成像。
本实施例实现的是一种双光子无源红外上转换成像器件，利用这种器件进行成像有许多优点：首先，可采用常规的半导体薄膜生长方法制造器件结构，结构简单，易于制作，应用方便；其次，这种上转换成像器件不需要任何读出电路，相比于商业化的红外成像器件，大大降低了成本；同时这种红外成像方法是在不加偏压的情况下实现的，器件中的暗电流对成像的影响可忽略。最后，通过选取不同的半导体材料体系，可以实现不同波长的双光子无源红外上转换成像。
Claims (6)
1、一种双光子无源红外上转换成像器件制造方法，其特征在于步骤如下：
第一步，确定双光子无源红外上转换成像器件的结构和材料类型
双光子无源红外上转换成像器件的结构采用金属-宽带隙半导体材料-窄带隙半导体材料-宽带隙半导体材料-金属的结构；
双光子无源红外上转换成像器件的材料类型选取半导体材料，进行半导体材料的选取时， “垒”区域半导体材料的带隙决定了入射红外光的截止波长，入射的双光子能量之和应该大于此带隙能量；“阱”区域半导体材料的带隙决定了转换过来的近红外光子的波长，此波长应落在硅电荷耦合器件的响应范围之内；
第二步，根据具体的器件结构，在选定的半导体材料体系下，选择衬底材料，用分子束外延装置先生长出双光子无源红外上转换成像器件的宽带隙半导体-窄带隙半导体-宽带隙半导体部分，然后利用晶片键合技术除去衬底，并在半导体部分的上下表面沉积金属金的薄膜，即得到双光子无源红外上转换成像器件。
2、根据权利要求1所述的双光子无源红外上转换成像器件制造方法，其特征是，所述的半导体材料是GaAs/Al0.20Ga0.80As，InP/In0.53Ga0.47As或In0.52Al0.48As/InAs，在GaAs/Al0.20Ga0.80As和InP/In0.53Ga0.47As半导体材料体系中，金属金-宽带隙半导体-窄带隙半导体-宽带隙半导体-金属金结构的厚度为10纳米-200纳米-100纳米-200纳米-10纳米，In0.52Al0.48As/InAs半导体材料体系中，金属金-宽带隙半导体-窄带隙半导体-宽带隙半导体-金属金结构的厚度为10纳米-20纳米-20纳米-20纳米-10纳米；利用这三组材料体系分别将小于1.5微米，3.3微米以及6.8微米的光转换为870纳米，920纳米及840纳米的近红外光。
3、根据权利要求1或2所述的双光子无源红外上转换成像器件制造方法，其特征是，所述的半导体材料采用GaAs/Al0.20Ga0.80As时，确定衬底为重掺杂的p型GaAs材料，然后生长300纳米的n型GaAs缓冲层，该层中Si掺杂，浓度为2×1016cm-3；接着依次是250纳米的Al0.60Ga0.40As的刻蚀层，200纳米的n型Al0.20Ga0.80As“垒”层，该层中Si掺杂，浓度为3×1017cm-3；100纳米的非掺杂GaAs“阱”层，200纳米的n型Al0.20Ga0.80As“垒”层，该层中Si掺杂，浓度为3×1017cm-3。
4、根据权利要求1或2所述的双光子无源红外上转换成像器件制造方法，其特征是，所述的半导体材料采用InP/In0.53Ga0.47As时，确定衬底为InP材料，然后生长500纳米的InxAl1-xAs缓冲层，该层中x组分从0到0.52，Si掺杂，面浓度为1.5×1012cm-2，接着依次是50nm的In0.53Ga0.47As刻蚀层，200纳米的n型In0.53Ga0.47As“垒”层，该层中Si掺杂，面浓度为4.9×1012cm-2，100纳米的非掺杂InP“阱”层，200纳米的n型In0.53Ga0.47As“垒”层，该层中Si掺杂，面浓度为4.9×1012cm-2。
5、根据权利要求1或2所述的双光子无源红外上转换成像器件制造方法，其特征是，所述的半导体材料采用In0.52Al0.48As/InAs时，确定衬底为InP材料，然后生长5层结构的InAsyP1-y缓冲层，该层中每层厚度为30纳米，y值分别为：0.10，0.25，0.45，0.70和0.90，接着是50纳米的In0.52Al0.48As刻蚀层，20纳米的InAs“垒”层，该层中Si掺杂，浓度为1×1018cm-3，20纳米的非掺杂的In0.52Al0.48As“阱”层，20纳米的InAs“垒”层，该层中Si掺杂，浓度为1×1018cm-3。
6、根据权利要求1所述的双光子无源红外上转换成像器件制造方法，其特征是，所述金属金的薄膜厚度为10纳米。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: SHANXI GUOHUI OPTOELECTRONIC TECHNOLOGY CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY Effective date: 20130320 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 200240 MINHANG, SHANGHAI TO: 030006 TAIYUAN, SHAANXI PROVINCE |
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Effective date of registration: 20130320 Address after: 030006, 6, 16, 17 and 15, Gaoxin International Building, No. 227, Changzhi Road, Taiyuan hi tech Zone, Shanxi, China Patentee after: Shanxi Guohui Photoelectric Technology Co., Ltd. Address before: 200240 Dongchuan Road, Shanghai, No. 800, No. Patentee before: Shanghai Jiao Tong University |