CN107393984B - 一种提高光吸收率的量子阱红外探测器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高光吸收率的量子阱红外探测器及其制造方法，其中，量子阱红外探测器包括衬底、掺杂衬底、量子阱单元、谐振腔、上电极、上电极连接层和下电极，所述上电极覆盖在所述衬底的上方，所述谐振腔位于所述上电极和量子阱单元的中间，且高度为入射光波长的1/4，所述量子阱单元和所述上电极在谐振腔之外区域连接，所述量子阱单元的上方为掺杂衬底，所述下电极安装在掺杂衬底上方，其中通过离子注入工艺形成掺杂衬底。本发明提供的量子阱红外探测器在量子阱单元和衬底之间增加了谐振腔，并且谐振腔的高度为入射光波长的1/4，刚好使得从量子阱单元透射到衬底中的透射光被抵消掉，提高了量子阱红外探测器的光吸收率。
Description
技术领域
本发明涉及红外探测器领域，具体涉及一种提高光吸收率的量子阱红外探测器及其制作方法。
背景技术
传统带间光吸收指电子吸收光子后，从价带跃迁到导带，从而产生一个光生电子空穴对，这些光生载流子在外加偏压的作用下，被收集形成光电流，这是传统基于带间吸收半导体光电探测器的基本原理。这种吸收要求光子的能量大于材料的禁带宽度，而对于红外光来讲，红外光波长长，相对应的能量小，需要材料具有很小的禁带宽度才能发生这种光吸收，因此，在基于传统带间吸收的红外探测器的制作过程中，材料的选择收到很大的限制，一般只能选用HgCdTe材料，但是中Hg-Te键比较脆弱，导致红外探测器的制作不容易。
量子阱红外探测器通过量子阱结构与掺杂的设计，在量子阱内形成特定的子能级，利用量子阱导带(或价带)内子能带间或子能带到扩展态间的电子(或空穴)跃迁。这样在红外光的作用下，可以发生量子阱内子能级之间或者子能级到连续态之间的跃迁，这些受激发的载流子在偏压作用下被收集形成光电流。因此，量子阱红外探测器具有稳定性好、响应速度快、抗辐射和易制作大面积焦平面阵列等优点。
传统的量子阱红外探测器中量子阱单元直接生长在衬底上，当入射光入射到量子阱单元后，一部分入射光被吸收，经过量子阱吸收之后剩余的入射光在量子阱单元的最下层和衬底交接的地方会发生透射和反射，其中，反射光被反射回量子阱单元中进行再次吸收，而透射光从量子阱单元进入衬底中被消耗掉。因为透射光在传统的量子阱探测器中占据了一定的比例，所以导致传统的量子阱红外探测器吸收效率低下。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种提高光吸收率的量子阱红外探测器及其制作方法，该量子阱红外探测器在量子阱单元和衬底之间增加了谐振腔，并且谐振腔的高度为入射光波长的1/4，刚好使得从量子阱单元透射到衬底中的透射光被抵消掉，从而防止入射光以透射的形式消耗掉，提高了量子阱红外探测器的光吸收率。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种提高光吸收率的量子阱红外探测器，包括衬底、掺杂衬底、量子阱单元、谐振腔、上电极、上电极连接层和下电极，所述上电极覆盖在所述衬底的上方，所述谐振腔位于所述上电极的上方，且高度为入射光波长的1/4，所述谐振腔的上方为量子阱单元，所述量子阱单元和所述上电极在谐振腔之外区域连接，所述量子阱单元的上方为掺杂衬底，所述上电极连接层贯穿谐振腔以外区域的谐振腔、量子阱单元和掺杂衬底，连接所述上电极，所述下电极安装在掺杂衬底上方。
进一步地，所述量子阱单元为GaAs层和AlxGa1-xAs层交替形成，其中，AlxGa1-xAs层的厚度小于GaAs层的厚度，且所述量子阱单元的最上层和最下层均为GaAs层。
进一步地，所述量子阱单元为InGaAs层和AlxGa1-xAs层交替形成，其中，AlxGa1-xAs层的厚度小于InGaAs层的厚度，且所述量子阱单元的最上层和最下层均为InGaAs层。
进一步地，所述量子阱单元为Si层和SixGe1-x层交替形成，其中，SixGe1-x层的厚度小于Si层的厚度，且所述量子阱单元的最上层和最下层均为Si层。
进一步地，所述上电极和量子阱连接区域通过离子注入方式形成上电极欧姆接触层。
进一步地，所述上电极为Al。
进一步地，所述下电极为Al或Pt。
进一步地，所述衬底为硅衬底。
一种制作提高光吸收率的量子阱红外探测的方法，步骤如下：
S01：在临时衬底上方经过离子注入，形成位于临时衬底表层的掺杂衬底；
S02：在掺杂衬底上方通过外延生长法形成量子阱单元；
S03：在量子阱单元上方沉积牺牲层，且牺牲层的厚度为入射光波长的1/4；
S04：在牺牲层的边缘图形化填充上电极，且在牺牲层正上方覆盖一层上电极；
S05：将上电极键合在衬底上，并去除临时衬底中掺杂衬底以外的部分；
S06：在掺杂衬底上制作下电极，刻蚀掺杂衬底的边缘区域停止于上电极，并填充上电极连接层；
S07：刻蚀掉牺牲层，形成谐振腔。
进一步地，所述临时衬底为硅衬底，且临时衬底表层的掺杂衬底通过注入磷离子或者硼离子形成。
本发明的有益效果为：在量子阱红外探测器中量子阱单元和衬底之间增加了谐振腔，并且谐振腔的高度为入射光波长的1/4，刚好使得从量子阱单元透射到衬底中的透射光被抵消掉，从而防止入射光以透射的形式消耗掉，提高了量子阱红外探测器的光吸收率。
附图说明
图1为一种提高光吸收率的量子阱红外探测器的剖面示意图。
图2-图4为本发明提高光吸收率的量子阱红外探测器的制作过程剖面图。
图中：1衬底，11临时衬底，2量子阱单元，3牺牲层，31谐振腔，4掺杂衬底，5上电极，51上电极连接层，6下电极。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
本发明提供的一种提高光吸收率的量子阱红外探测器，包括衬底1、掺杂衬底4、量子阱单元2、谐振腔31、上电极5、上电极连接层51和下电极6，上电极5覆盖在衬底1的上方，谐振腔31位于上电极的上方，且高度为入射光波长的1/4，谐振腔31的上方为量子阱单元2，量子阱单元2和上电极5在谐振腔之外区域连接，量子阱单元2的上方为掺杂衬底4，上电极连接层51贯穿谐振腔以外区域的谐振腔、量子阱单元和掺杂衬底，连接上电极，下电极6安装在掺杂衬底4上方。
其中，采用外延法生长量子阱过程中，量子阱单元可以为GaAs层和AlxGa1-xAs层交替形成，其中，AlxGa1-xAs层的厚度小于GaAs层的厚度，且量子阱单元的最上层和最下层均为GaAs层，也可以为InGaAs层和AlxGa1-xAs层交替形成，其中，AlxGa1-xAs层的厚度小于InGaAs层的厚度，且量子阱单元的最上层和最下层均为InGaAs层，还可以为Si层和SixGe1-x层交替形成，其中，SixGe1-x层的厚度小于Si层的厚度，且量子阱单元的最上层和最下层均为Si层。
上电极采用金属电极，可以作为电极使用，也可以同时作为金属反射层使用，当从量子阱单元透射出来的光经过谐振腔到达上电极的时候，上电极作为金属反射层会将所有透射光再沿着谐振腔反射回去。上电极通过贯穿掺杂衬底、量子阱单元、谐振腔的上电极连接层将其电信号引出，并且上电极连接层位于谐振腔以外区域，不会影响谐振腔的使用。上电极和量子阱单元连接的地方可以通过离子注入工艺形成高浓度掺杂，从而形成上欧姆接触层其中，上电极可以选用Al。下电极只作为电极材料使用，所需要材料较少，可以使用Al或者Pt。
其中，谐振腔的高度为入射光波长的1/4，位于量子阱单元和衬底之间，当入射光进入量子阱单元之后，经过量子阱单元吸收之后的光传输到量子阱单元和谐振腔的交界处，其中，透射光透射出量子阱单元并进入谐振腔中，透射光进过谐振腔到达上电极，上电极同时作为金属反射层，将透射光全部反射回量子阱单元，因此，透射光在谐振腔中的传输轨迹刚好为两个谐振腔的高度，即1/2入射光的波长，经过谐振腔的透射光和没有经过谐振腔的透射光之间刚好相差半个波长，且振动情况完全相反，因此，被上电极反射回来的透射光被抵消掉，在量子阱单元和谐振腔交界处的入射光不会发生透射消耗，全部被反射回量子阱单元中重新吸收，提高了量子阱红外探测器的光吸收率。
下电极安装在掺杂衬底上方，掺杂衬底和量子阱单元连接，可以将量子阱单元中与掺杂衬底连接的最下层信号导出，同时，掺杂衬底作为高浓度掺杂区，可以作为下电极的欧姆接触层。
本发明提供的一种提高光吸收率的量子阱红外探测器的制作方法，包括以下步骤：
S01：如图2所示，在临时衬底11上方经过离子注入，形成位于临时衬底表层的掺杂衬底4，其中，临时衬底可以选用硅衬底，并采用离子注入方式将临时衬底表层的部分注入磷离子或者硼离子等，形成掺杂衬底，该掺杂衬底在后期可以作为去除临时衬底的刻蚀阻挡层，也可以作为下电极的欧姆接触层。
S02：如图2所示，在掺杂衬底4上方通过外延生长法形成量子阱单元2，量子阱单元可以为GaAs层和AlxGa1-xAs层交替形成，其中，AlxGa1-xAs层的厚度小于GaAs层的厚度，且量子阱单元的最上层和最下层均为GaAs层，也可以为InGaAs层和AlxGa1-xAs层交替形成，其中，AlxGa1-xAs层的厚度小于InGaAs层的厚度，且量子阱单元的最上层和最下层均为InGaAs层，还可以为Si层和SixGe1-x层交替形成，其中，SixGe1-x层的厚度小于Si层的厚度，且量子阱单元的最上层和最下层均为Si层。
S03：如图2所示，在量子阱单元2上方沉积牺牲层3，且牺牲层的厚度为入射光波长的1/4，其中，牺牲层可以为聚酰亚胺薄膜或者氧化硅薄膜。
S04：如图2所示，在牺牲层3的边缘图形化填充上电极5，且在牺牲层正上方覆盖一层上电极5，即上电极位于牺牲层的上方，并且在牺牲层的边缘区域和量子阱单元的最上层连接；上电极和量子阱单元连接的部分在谐振腔的旁边，不会影响入射光线经过量子阱单元进入谐振腔；上电极完全覆盖在牺牲层的上方，同时作为金属反射层。
S05：如图3所示，将上电极5键合在衬底1上，并去除临时衬底11中掺杂衬底以外的部分，采用刻蚀方法去除临时衬底的过程中将掺杂衬底作为刻蚀阻挡层，此时，衬底和上电极连接，谐振腔位于上电极和量子阱单元之间。
S06：如图3所示，在掺杂衬底上制作下电极6，掺杂区域作为下电极的欧姆接触层，刻蚀掺杂衬底的边缘区域停止于上电极，并填充上电极连接层51，即上电极通过贯穿掺杂衬底、量子阱单元和谐振腔的上电极连接层引出，并且上电极连接层位于谐振腔以外的区域，在竖直方向上垂直，不会影响谐振腔的工作性能。
S07：如图4所示，刻蚀掉牺牲层3，形成谐振腔31。
以上所述仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用于限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种提高光吸收率的量子阱红外探测器，其特征在于，包括衬底、掺杂衬底、量子阱单元、谐振腔、上电极、上电极连接层和下电极，所述上电极覆盖在所述衬底的上方，且所述上电极为金属电极，同时作为金属反射层，所述谐振腔位于所述上电极的上方，且高度为入射光波长的1/4，所述谐振腔的上方为量子阱单元，所述量子阱单元和所述上电极在谐振腔之外区域连接，所述量子阱单元的上方为掺杂衬底，所述上电极连接层贯穿谐振腔以外区域的谐振腔、量子阱单元和掺杂衬底，连接所述上电极，所述下电极安装在掺杂衬底上方，且所述掺杂衬底为下电极的欧姆接触层。
2.根据权利要求1所述的一种提高光吸收率的量子阱红外探测器，其特征在于，所述量子阱单元为GaAs层和AlxGa1-xAs层交替形成，其中，AlxGa1-xAs层的厚度小于GaAs层的厚度，且所述量子阱单元的最上层和最下层均为GaAs层。
3.根据权利要求1所述的一种提高光吸收率的量子阱红外探测器，其特征在于，所述量子阱单元为InGaAs层和AlxGa1-xAs层交替形成，其中，AlxGa1-xAs层的厚度小于InGaAs层的厚度，且所述量子阱单元的最上层和最下层均为InGaAs层。
4.根据权利要求1所述的一种提高光吸收率的量子阱红外探测器，其特征在于，所述量子阱单元为Si层和SixGe1-x层交替形成，其中，SixGe1-x层的厚度小于Si层的厚度，且所述量子阱单元的最上层和最下层均为Si层。
5.根据权利要求1所述的一种提高光吸收率的量子阱红外探测器，其特征在于，所述上电极和量子阱连接区域通过离子注入方式形成上电极欧姆接触层。
6.根据权利要求1所述的一种提高光吸收率的量子阱红外探测器，其特征在于，所述上电极为Al。
7.根据权利要求1所述的一种提高光吸收率的量子阱红外探测器，其特征在于，所述下电极为Al或Pt。
8.根据权利要求1所述的一种提高光吸收率的量子阱红外探测器，其特征在于，所述衬底为硅衬底。
9.一种制作权利要求1所述的提高光吸收率的量子阱红外探测器的方法，步骤如下：
S01：在临时衬底上方经过离子注入，形成位于临时衬底表层的掺杂衬底；
S02：在掺杂衬底上方通过外延生长法形成量子阱单元；
S03：在量子阱单元上方沉积牺牲层，且牺牲层的厚度为入射光波长的1/4；
S04：在牺牲层的边缘图形化填充上电极，且在牺牲层正上方覆盖一层上电极，所述上电极为金属电极，同时作为金属反射层；
S05：将上电极键合在衬底上，并去除临时衬底中掺杂衬底以外的部分；
S06：在掺杂衬底上制作下电极，掺杂衬底为下电极的欧姆接触层，刻蚀掺杂衬底的边缘区域停止于上电极，并填充上电极连接层；
S07：刻蚀掉牺牲层，形成谐振腔。
10.根据权利要求9所述的制作 提高吸收率的量子阱红外探测器的方法，其特征在于，所述临时衬底为硅衬底，且临时衬底表层的掺杂衬底通过注入磷离子或者硼离子形成。
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