CN106153194A - 一种探测目标波段强度的光谱传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种探测目标波段强度探测的光谱传感器件及其集成制造方法，所述器件包括准直模块、波段选择模块、电连接模块、光电传感模块，所述准直模块、波段选择模块位于入射光的一侧，光电传感模块位于波段选择模块出射光的一侧，电连接模块与光电传感模块电信号连接。本发明的器件用于测定目标波段范围光谱强度，具有较高的选择性和灵敏度，可用于各种需要目标波段光谱信号测定和信号接收场合。本发明的器件及制造方法成本低，体积小，集成度高，具有较高的可靠性，适应范围广。

Description

一种探测目标波段强度的光谱传感装置

技术领域

本发明涉及半导体制造、光学器件及光电传感技术，具体涉及一种光谱传感器，特别是探测光谱中特定光谱波长范围的强度的器件。该器件用于测定目标波段范围光谱强度，具有较高的选择性和灵敏度，可用于光源特征光谱快速测定和物质性质分析，制造该光电器件的制造方法具有成本低、集成度高、可靠性好等特点。

背景技术

以LED为代表的新一代半导体发光作为光源的照明技术日益受到各国政府和民间的关注。相比较传统的光源，半导体光源既能大幅降低能耗，又能减少传统节能灯中汞等有害物质带来的环境污染。随着各国政府绿色照明政策的落实和半导体照明产业链的完善所带来的成本降低，半导体作为新一代光源必将在各种需要光源的场合得到更多的应用和关注。在人们关注半导体光源节能环保优点以取代传统光源的同时；却对半导体光源的另一个特性却比较少地研究与应用：半导体光源具有非常窄的光谱分布，是人类历史上除了激光之外颜色特性最为纯净的光源，通常其半高峰宽(Full-Width Half-Maxium，简称FWHM，即光谱波长强度分布图中，光谱强度相当于最大值一半处所对应的光谱波长全部宽度)小于20nm，具有极强的单色性。这种单色性为开发半导体光源新的应用提供了可能。然而，目前的光电探测器其频谱响应范围都比较宽，不能充分体现这种新型光源所具有的单色性。而实验室里进行光谱分析虽然能精确可靠地得到光源的色谱特性，但是需要经过实验室专业设备和专业技术人员才能完成，成本高，不能及时在线地得到所需数据。因此开发一种能简单方便地用于这种单色性比较强的光源的光谱探测器，应用于快速及时低成本地测定半导体发光所具有较窄光谱曲线，得到光源特征信息，能为研究开发半导体发光器件新应用提供基础。为区别传统宽频谱相应范围光电传感器，将这种具有窄带响应的新型光电传感器称之为光谱传感器 简称，以便加以区别。

本发明在研究半导体光电器件及光学器件的基础上，结合光学和半导体光电传感器集成制造技术，发明了具有窄频谱响应的光谱传感器件。

发明内容

本发明的目的是提供一种探测目标波段强度的光谱传感器及其制造方法，用于低成本、高可靠性、高集成度、小空间的探测光线光谱中目标波段强度。

为了达到上述目的，本发明有如下技术方案：

本发明的一种探测目标波段强度的光谱传感器，原理如图1，包括准直模块、波段选择模块、光电传感模块、电连接模块；

准直模块让入射光中将平行于入射光方向的部分入射光进入后续波段选择模块，其它方向的光线则不允许进入；

波段选择模块用于将要测量的目标波段范围从宽波段入射光中选择出来；

光电传感模块用于将光信号转换为电信号，以测定光谱强度；

电连接模块用于将由光电传感模块检出的电信号传送给后续器件使用；

所述准直模块用于选取入射光中平行于入射光方向的部分入射光线，防止其它方向光线进入波段选择模块；

其中，准直模块为一组具有平行通孔的准直器。

其中，准直器通孔截面形状为圆形或者多边形。

其中，所述准直器由所述波段不透明材料制作平行通孔构成，通孔的径向尺寸与之比截面横向尺寸比值大于10。

其中，所述波段选择模块包括光子晶体、光学带通滤波器。

其中，所述光子晶体为一维或者二维结构，光子晶体允许通过的光波长处于所述的目标波段内。

其中，所述光学带通滤波器为折射系数不同的两种材料构成的若干层薄膜结构，通过调节薄膜厚度使若干层薄膜结构允许通过的光波 长范围处于所述的目标波段范围内，所述薄膜结构为透明电介质材料所组成，如SiO₂和TiO₂；所述透明电介质材料构成彼此相间的薄膜或者立体结构，薄膜或者立体结构间的距离随着所述目标波段的改变而调整。

其中，所述光学带通滤波器允许通过的光谱半高峰宽波长范围小于所述目标波段的波长范围。

其中，所述光电传感模块是通过半导体器件制造工艺过程制造的一个或多个光电二极管、光电三极管、光敏电阻、光电倍增器、光电池、CMOS、CCD或者电荷注入传感器等具有以上结构特征的光电器件。

其中，所述光电传感模块包括单质基半导体光电传感器或化合物基光电传感器，单质基半导体如Si，Ge光电传感器，化合物基半导体如GaAs，CdS，GaN光电传感器。

其中，所述电连接模块由金属薄膜或者线构成，如半导体集成电路生产工艺中常用的各种物理气相沉积、化学气相沉积工艺制造的铝、铜等金属薄膜，或者半导体封装中的引线等。

其中，波段选择模块位于入射光的一侧准直模块的下方，光电传感模块位于波段选择模块出射光的一侧，电连接模块与光电传感模块电连接，电隔离模块位于波段选择模块和光电传感模块之间。

其中，所述光电传感模块、电连接模块构成的光电器件，与准直模块、波段选择模块结合在一起构成独立器件。

由于采取了以上技术方案，本发明有如下优点：

1)本发明采用准直模块和波段选择模块可以快速简单地将目标波段光谱信号从入射光谱中分离出来。

2)本发明采用光子晶体或者带通滤波器实现波段选择功能，减小了装置的空间体积，提高了对光谱带宽的选择性，增加了被选择光谱的透过率。

3)本发明的光谱传感器将波段选择模块、光电传感模块、并进一 步可以和完成放大、通讯等电信号处理功能模块集成在一起生产，可靠性高、体积小、结构简单、配置灵活，适应范围广。

附图说明

图1：本发明的结构图

图2：以光学带通滤波器为波段选择模块结构示意图

图3：具有PN结的光电传感模块电信号处理模块结构示意图

图4：光电传感模块、电连接模块构成的光电器件

图5：实施例一结构剖面图(左)及俯视图(右)

图6：实施例二结构剖面图

图中：1波段选择模块；2光电传感模块；3电连接模块；4电隔离模块；11波段选择模块衬底材料，本例中为带有光电传感模块和电信号处理模块的半导体晶圆；12低折射率光学膜；13高折射率光学膜；14中心低折射率光学膜；21N区；22P区；23半导体器件层；24半导体衬底；5粘结剂；6准直模块。

具体实施方式

本发明就基于单晶硅半导体光电器件生产工艺生产的光电传感模块和多层膜带通滤波器作为波段选择模块的光谱传感器来说明本发明的实施方式。

如图1所示为本发明的探测单一波段强度的光谱传感器，包括一组准直模块、一组波段选择模块、一组光电传感模块、电连接模块、电隔离模块，所述准直模块位于入射光的一侧、波段选择模块紧贴着准直模块，一组光电传感模块位于波段选择模块出射光的一侧，电连接模块与光电传感模块电连接。

准直模块让入射光中平行于射光方向部分光线通过，波段选择模块是从入射光中将需要检测的目标波段选择出来。准直模块是采用在硅片上以激光穿孔、化学反应刻蚀等方法生产，孔的横向尺寸通常为0.05mm，厚度0.5mm，任意孔间距离为0.025mm。波段选择模块可以采用但不限于以下几种形式：光子晶体、Fabry-Perot带通滤波器，比 如蓝光通常的波段范围在450nm左右，该模块作用就是将450nm的目标波段范围的光谱选择出来，并投射给光电传感模块。如采用光子晶体作为波段选择模块，两种不同折射率材料排列构成的光子晶体带宽的中心波长为450nm；如采用Fabry-Perot带通滤波器作为波段选择模块，其多层膜厚度和中心膜厚度被调整到允许中心波长为450nm光通过。为了提高分辨率和选择性，通过波段选择模块波谱的半高峰宽不超过30nm。一个典型的以TiO₂材料和SiO₂材料组成的带通滤波器，如图3所示，在对所述目标波段透明衬底上，高折射TiO₂膜和低折射SiO₂膜分别依次以相同厚度对称排列在一个中心低折射SiO₂膜两侧，组成带通滤波器。采用Fabry-Perot带通滤波器作为波段选择模块的器件结构图如图2所示。

光电传感模块是在半导体晶圆上通过半导体器件集成制造工艺生产的具有利用光电效应将光信号转换为电信号光电器件。可供选择的光电传感模块有以下但不限于以下几种器件结构：光电二极管，光电三极管，光敏电阻、光电倍增器、光电池、CMOS、CCD、或者电荷注入传感器CID(Charge Injection Device)。为提高光电转换效率和信噪比，光电传感模块活性层，即PN结的结深随所述目标波段光谱的中心波长和半导体材料、生产工艺等因素进行适当调整。如对短450nm范围的光谱，光电传感模块PN结结深被调整为0.2um左右，对长波长700nm左右的光谱，其PN结的结深可以设置在3um左右，以利于光波的充分吸收和转换。典型的光电传感模块如图3所示。

电连接模块再将由光电传感模块出来的电信号通过金属薄膜和其它导体进一步传送至后续装置处理或使用。如图4所示，其中开口部分为对外电连接所需。如图4所示光电传感模块和带通滤波器等波段选择模块、准直模块，可以通过如环氧树脂、硅胶等粘结剂，或者是氧化物键合(bonding)等方法结合在一起，构成独立器件。

为实现器件的高度集成化，光电传感模块、电连接模块和波段选择模块可以集成制造。光电传感模块、电连接模块由半导体器件工艺制造，波段选择模块采用光学薄膜工艺制造，在半导体制造工艺之后，将形成了光电传感模块、电连接模块的半导体晶圆表面平坦化，使其表面粗糙度满足光学薄膜工艺生产需要，再在其上淀积波段选择模块所需的光学薄膜，最后去掉需要形成对外电连接所需的开孔。最终形 成的器件如图1所示。

实施例一

图5为采用粘结方法将准直模块、光学薄膜构成的波段选择模块与半导体工艺制造的光电传感模块、电连接模块构成的光谱传感器，左图为其结构剖面图，右图为俯视图。准直模块是采用在硅片上以湿法化学反应刻蚀方法生产，方孔边长0.04mm，硅片厚度0.5mm，孔之间的距离为0.025mm。结构剖面图中不同区域的电连接在空间中并没有连在一起，这可以从右边的俯视图看出，不同区域的对外电连接是开口在不同区域的。光学薄膜带通滤波器因为都生产在比较厚的衬底材料上，在与其它模块进行粘结前，需要对带通滤波器衬底一侧进行减薄，减薄的厚度通常控制在100um以下。减薄后的带通滤波器被划成小片，小片大小以能充分覆盖光电传感模块的光电转换活性区域为宜。小片的带通滤波器被转移到光电器件之上，并以硅胶作为粘结剂固定，形成如图5所示的器件。图5所示的器件进一步可以通过半导体光电器件封装工艺形成保护外层和对外电连接。

实施例二

图6是本发明采用所述集成工艺制造的用于单一波段强度探测的光谱传感器。准直模块是采用在硅片上以激光穿孔的方法生产，圆孔直径0.05mm，厚度0.5mm，任意两个圆孔中心间距离为0.125mm。准直器采用激光穿孔的硅片，波段选择模块采用带通滤波器，该带通滤波器对440-470nm范围的光有较强的通过，达到95％以上，而对其它波段则几乎不通过。可以注意到到波段选择模块与光电器件高度集成，中间没有粘结剂，也没有前述如图5中所示的带通滤波器衬底。选择光谱440-470nm范围为人体较为敏感而且LED白光器件中通常最强的一段波谱。这样LED白光通过该波段选择模块后，只留下440-470nm范围的光波。那么位于其正下方位置的光电传感器检测到的就是此范围光波谱强度。电信号处理模块实现电信号的采集功能。因为图6是剖面图，电连接金属薄膜部分反映的是主要电连接，实际器件中各个活性区域都有通过金属薄膜的电连接。如实例一所形成器件一样，图6所示的器件可以进一步对其施加封装。

本发明能简单方便地用于这种单色性比较强的光源的光谱探测器，应用于快速及时低成本地测定半导体发光所具有较窄光谱曲线，得到光源特征信息，能为研究开发半导体发光器件新应用提供基础。

从本发明的装置和制造方法以及实例的说明可以看出，本发明提供了基于集成电路和集成光学生产工艺来生产制造光谱传感装置及生产方法，本方法和装置具有简单，灵活，应用范围广等特点。但以上说明也不能限定本发明可实施的范围，凡是专业人士在本发明基础上所作的明显或不明显的变化，修饰或改良，均应视为不脱离本发明的精神实质。

Claims (9)

1.一种探测目标波段强度的光谱传感装置，其特征在于：包括准直模块、波段选择模块、光电传感模块、电连接模块；

准直模块用于选取入射光中平行于入射光方向的部分入射光线，防止其它方向光线进入波段选择模块；

波段选择模块用于将要测量的目标波段范围从宽波段入射光中选择出来；

光电传感模块用于将光信号转换为电信号，以测定光谱强度；

电连接模块用于连接光电传感模块检出的电信号，并将电信号传送给后续器件使用；

所述准直模块位于入射光的一侧，与波段选择模块连接，光电传感模块位于波段选择模块出射光的一侧，电连接模块与光电传感模块电连接，电隔离模块位于波段选择模块和光电传感模块之间。

2.如权利要求1所述的一种探测目标波段强度的光谱传感装置，其特征在于：所述准直模块为一组具有平行通孔的准直器。

3.如权利要求1和2所述的准直模块，其特征在于：所述准直器通孔截面形状为圆形或者多边形。

4.如权利要求1和2所述的准直模块，其特征在于：所述准直器由所述波段不透明材料制作平行通孔构成，通孔的径向尺寸与之比截面横向尺寸的比值大于10。

5.如权利要求1所述的一种探测目标波段强度的光谱传感器，其特征在于：所述波段选择模块为光子晶体或者光学带通滤波器。

6.如权利要求1和5所述的一种探测目标波段强度的光谱传感器，其特征在于：所述光学带通滤波器为折射系数不同的两种介电材料构成的若干层薄膜结构，通过调节薄膜厚度使若干层薄膜结构允许通过的光波长范围处于所述的目标波段范围内。

7.如权利要求1所述的一种探测目标波段强度的光谱传感器，其特征在于：所述光电传感模块包括光电二极管、光电三极管、光敏电阻、光电倍增器、光电池、CMOS、CCD或者电荷注入传感器。

8.如权利要求1所述的一种探测目标波段强度的光谱传感器，其特征在于：所述光电传感模块包括单质基半导体光电传感器或化合物基光电传感器。

9.如权利要求1所述的一种探测目标波段强度的光谱传感器，其特征在于：所述准直模块、光电传感模块、电连接模块与波段选择模块构成独立器件。