CN111883643B - 一种可集成式中红外光探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可集成式中红外光探测器及其制备方法，所述探测器包括自下而上设置的：晶圆衬底；光隔离层；光波导层，光波导层刻蚀有包含光栅耦合器的无源光学器件结构，光栅耦合器正对金属下电极层；介质层，介质层沉积在所述光波导层之上；金属下电极层；敏感材料层，敏感材料层与介质层、金属下电极层为键合结构；金属上电极层，金属上电极层和金属下电极层均设有接出管脚。本发明公开的探测器结构集成了光波导和热释电红外探测器，弥补了中红外集成光学中集成式光探测器的缺失，对于中红外光子芯片的小型化具有重要作用。
Description
技术领域
本发明涉及光探测器领域，尤其涉及一种可集成式中红外光探测器及其制备方法。
背景技术
中红外光学逐渐从传统的军用领域向民用领域转移，包括傅里叶变换红外光谱，生物和化学传感、环境感知以及自由空间光通信。但是主流的系统依然是基于各种分立器件的组装，集成工作很少有报道。在中红外波段，器件的小型化和单片集成是推进中红外应用的关键。实现中红外集成光子芯片一个必不可少的器件为中红外光探测器，但是由于大多数半导体在中红外光波长范围内变为透明，因此限制了半导体光探测器在该波段的应用。目前尚没有有效的集成式光探测器可用于中红外光的探测。
以钽酸锂(LiTaO3，LT)材料为基础的热释电红外探测器，在传统红外光探测领域受到了广泛的应用，其通过测量温度的变化率，来对光进行探测，因此相比传统温差性探测器而言，能够探测快速变化的辐射信号。但是目前热释电红外探测器仍然以分立的单个器件的形式存在，尚没有出现集成式的探测器。
发明内容
本发明要解决的技术问题是集成光波导与热释电红外探测器，以弥补现今中红外集成光学所面临的集成式光探测器的缺失。
为解决上述技术问题，本发明公开了一种可集成式中红外光探测器及其制备方法。具体技术如下所述：
第一方面，本发明公开了一种可集成式中红外光探测器，所述探测器包括自下而上堆叠设置的：
晶圆衬底；
光隔离层，所述光隔离层用于所述晶圆衬底和所述光波导层之间的光隔离；
光波导层，所述光波导层刻蚀有至少包含光栅耦合器的无源光学器件结构，所述光栅耦合器正对所述金属下电极层；
介质层，所述介质层沉积在所述光波导层之上，隔离所述光波导层和所述金属下电极层，对应所述光栅耦合器的介质层被腐蚀除去以使得所述光栅耦合器正对所述金属下电极层；
金属下电极层，所述金属下电极层作为探测器的底电极层并吸收所述光波导层中的光；
敏感材料层，所述敏感材料层与所述介质层、所述金属下电极层为键合结构；
金属上电极层，所述金属上电极层沉积在所述敏感材料层之上，所述金属上电极层和所述金属下电极层均设有接出管脚。
进一步地，所述晶圆衬底为硅、蓝宝石、铌酸锂或钽酸锂。
进一步地，所述光隔离层为折射率低于所述光波导层的材料，且根据所述光波导层的材料适应性地选择所述光隔离层的材料，如光波导层为Si时，光隔离层材料可以选用LiNbO3、Si3N4低折射的有机物或空气等；如光波导层为LiNbO3，光隔离层材料则需要选用其他低折射率的有机物、空气等材料；进一步地，若所述晶圆衬底的折射率低于所述光波导层的折射率，则可以省去所述光隔离层。
进一步地，所述光波导层为铌酸锂、钽酸锂或硅，在所述光波导层中形成集成光子芯片的无源光学器件结构。
进一步地，所述金属下电极层和所述金属上电极层均由Pt、Ti、Al、Cu、Au、黑Au中的一种金属或多种金属组成，所述金属下电极层和所述金属上电极层的厚度范围为50-500nm。
进一步地，所述光波导层的厚度与所述集成光子芯片中的光波导层厚度一致，厚度范围为100nm-2000nm。
进一步地，所述光波导层中的光栅耦合器的占空比范围为0.3-0.7，周期范围为500nm-3000nm，刻蚀的深度占所述光波导层厚度的25％-100％。
进一步地，所述介质层位于所述光波导层和所述金属下电极层之间，所述介质层的折射率小于所述光波导层的折射率，所述介质层不吸收中红外光，且所述介质层的厚度大于5μm，以减少所述金属下电极层对所述光波导层中光的吸收。
进一步地，所述敏感材料层为钽酸锂薄膜层，所述敏感材料层的厚度范围为200nm-2000nm。
可选地，所述金属下电极层选用吸收中红外光的强度符合预设条件的金属材质，在正对所述光栅耦合器的电极处，设计有金属电极的图案以增强对光的吸收。
第二方面，本发明公开了一种可集成式中红外光探测器的制备方法，所述方法包括：
提供光学衬底，所述光学衬底包括自下而上堆叠设置的晶圆衬底、光隔离层和光波导层；
对所述光波导层进行图案化刻蚀，得到至少包含光栅耦合器的无源光学器件结构；
在所述光波导层的上层沉积预设厚度的介质层，并对所述介质层进行平坦化处理；
提供钽酸锂晶圆，沿所述钽酸锂晶圆的键合面进行离子注入；
将所述介质层和/或所述钽酸锂晶圆金属化，得到金属下电极层，并进行键合，得到自下而上的晶圆衬底-光隔离层-光波导层-介质层-金属下电极层-钽酸锂晶圆的键合结构；
对所述键合结构进行退火，将所述钽酸锂晶圆从离子注入处剥离，形成钽酸锂薄膜层作为探测器的敏感材料层；
对所述光波导中光栅耦合器结构光刻开孔，并腐蚀去对应位置的所述介质层；
从所述金属下电极层接出通孔，并在通孔处沉积金属；
在所述钽酸锂薄膜层的上层沉积金属上电极层，并形成所述金属上电极层和所述探测器金属下电极层的接出管脚，完成所述可集成式中红外光探测器的制备。
进一步地，所述沿所述钽酸锂晶圆的键合面进行离子注入包括：
选用氢离子或稀有气体离子作为注入离子，注入能量范围为25Kev-300Kev，注入剂量为5*1015-5*1017ions/cm2。
进一步地，所述进行键合，形成键合结构还包括：
采用Wafer to Wafer或者Die to Wafer的键合方式。
采用上述技术方案，本发明所述的一种可集成式中红外光探测器及其制备方法具有如下有益效果：本发明公开的一种可集成式中红外光探测器集成了光波导和热释电红外探测器，能以热释电探测器为基础，探测中红外波段的光，并作为必不可少的器件进一步实现中红外集成光子芯片的集成，对中红外集成光子芯片的小型化、集成化有重要作用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的一种可集成式中红外光探测器的的横截面结构示意图；
图2是本发明提供的一种可集成式中红外光探测器的制备方法的流程示意图；
图3-图11是本发明实施例一提供的一种可集成式中红外光探测器的制备方法的结构示意图；
图12是本发明实施例二提供的一种可集成式中红外光探测器的制备方法中另一种键合方式的结构示意图；
图中，1-晶圆衬底，2-光隔离层，3-光波导层，4-光栅耦合器，5-介质层，6-金属下电极层，7-敏感材料层，8-金属上电极层，9-金属下电极层的接出通孔，10-离子注入层。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本发明的描述中，需要理解的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
图1是本发明提供的一种可集成式中红外光探测器的横截面结构示意图，如图1所示，所述探测器包括自下而上堆叠设置的：
晶圆衬底1；
光隔离层2，所述光隔离层2用于所述晶圆衬底1和所述光波导层3之间的光隔离；
光波导层3，所述光波导层3刻蚀有至少包含光栅耦合器的无源光学器件结构，所述光栅耦合器4正对所述金属下电极层6；
介质层5，所述介质层5沉积在所述光波导层3之上，隔离所述光波导层3和所述金属下电极层6，对应所述光栅耦合器4的介质层被腐蚀除去以使得所述光栅耦合器4正对所述金属下电极层6；
金属下电极层6，所述金属下电极层6作为探测器的底电极层并吸收所述光波导层3中的光；
敏感材料层7，所述敏感材料层7与所述介质层5、所述金属下电极层6为键合结构；
金属上电极层8，所述金属上电极层8沉积在所述敏感材料层7之上，所述金属上电极层8和所述金属下电极层6均设有接出管脚。
优选地，所述晶圆衬底1为硅、蓝宝石、铌酸锂或钽酸锂；
优选地，所述光隔离层2不吸收中红外光，所述光隔离层2为折射率低于所述光波导层3的材料，且可以根据所述光波导层3的材料适应性地选择所述光隔离层2的材料，如光波导层为Si时，光隔离层材料可以选用LiNbO3、Si3N4低折射率的有机物或空气等；如光波导层为LiNbO3，光隔离层材料则需要选用其他低折射率的有机物、空气等材料。所述光隔离层2还充当了所述光波导层3的下包层结构。
进一步地，若所述晶圆衬底1的折射率低于所述光波导层3的折射率，则可以省去所述光隔离层2。
优选地，所述光波导层3为铌酸锂、钽酸锂或硅。
进一步地，所述光波导层3中刻蚀有集成光子芯片的无源光学器件结构，包括但不限于偏振控制器件、能量分配器件、光栅耦合器，所述光栅耦合器4用于将波导中沿水平方向传输的光变为竖直向上传播，并使光到达所述金属下电极层6。
优选地，所述光波导层3中的无源光学器件结构通过锥形耦合结构连接，以增大集成光子芯片中光传输到所述可集成式中红外光探测器的效率。
优选地，所述光波导层3的厚度与所述集成光子芯片中的光波导层厚度一致，厚度范围为100nm-2000nm。
优选地，所述光波导层3中的光栅耦合器4的占空比范围为0.3-0.7，周期范围为500nm-3000nm，刻蚀的深度占所述光波导层3厚度的25％-100％。
优选地，所述介质层5位于所述光波导层3和所述金属下电极层6之间，所述介质层5的折射率小于所述光波导层3的折射率，所述介质层5不吸收中红外光，且所述介质层5的厚度大于5μm，以减少所述金属下电极层6对所述光波导层3中光的吸收。
可以理解的是，所述介质层5还充当了所述光波导层3的上包层结构，以及进行键合时的键合层。
优选地，所述敏感材料层7可为钽酸锂薄膜层，所述敏感材料层7的厚度范围为200nm-2000nm，用于与热释电红外探测器集成。
优选地，所述金属下电极层和所述金属上电极层均由Pt、Ti、Al、Cu、Au、黑Au中的一种金属或多种金属组成，所述金属下电极层和所述金属上电极层的厚度范围为50-500nm。
可选地，所述金属下电极层6作为探测器的底电极层并充当光的吸收层，选用吸收中红外光的强度符合预设条件的金属材质，在正对所述光栅耦合器4的电极处，设计有金属电极的图案以增强对光的吸收。
本发明提供的一种可集成式中红外光探测器集成了光波导和热释电红外探测器，能以热释电探测器为基础，探测中红外波段的光，并作为必不可少的器件进一步实现中红外集成光子芯片的集成，对中红外集成光子芯片的小型化、集成化有重要作用。
图2是本发明提供的一种可集成式中红外光探测器的制备方法的流程示意图，基于常规或者无创造性的劳动可以包括更多或者更少的操作步骤。列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。具体的如图2所示，所述一种可集成式中红外光探测器的制备方法可以包括：
S110：提供光学衬底，所述光学衬底包括自下而上堆叠设置的晶圆衬底、光隔离层和光波导层。
S120：对所述光波导层进行图案化刻蚀，得到至少包含光栅耦合器的无源光学器件结构。
S130：在所述光波导层的上层沉积预设厚度的介质层，并对所述介质层进行平坦化处理。
可以理解的是，所述介质层位于所述光波导层和所述金属下电极层之间，所述介质层的折射率小于所述光波导层的折射率，所述介质层对中红外光不吸收。优选地，所述介质层的厚度大于5μm，以减少所述金属下电极层对所述光波导层中光的吸收。
S140：提供钽酸锂晶圆，沿所述钽酸锂晶圆的键合面进行离子注入。
具体地，选用氢离子或稀有气体离子作为注入离子，注入能量范围为25Kev-300Kev，注入剂量为5*1015-5*1017ions/cm2。优选地，所述离子的注入能量和注入剂量可视所需的钽酸锂薄膜的厚度而定。
S150：将所述介质层和/或所述钽酸锂晶圆金属化，得到金属下电极层，并进行键合，得到自下而上的晶圆衬底-光隔离层-光波导层-介质层-金属下电极层-钽酸锂晶圆的键合结构。
具体地，采用Wafer to Wafer或者Die to Wafer的键合方式。
S160：对所述键合结构进行退火，将所述钽酸锂晶圆从离子注入处剥离，形成钽酸锂薄膜层作为探测器的敏感材料层。
S170：对所述光波导中光栅耦合器结构光刻开孔，并腐蚀去对应位置的所述介质层。
S180：从所述金属下电极层接出通孔，并在通孔处沉积金属。
S190：在所述钽酸锂薄膜层的上层沉积金属上电极层，并形成所述金属上电极层和所述探测器金属下电极层的接出管脚，完成所述可集成式中红外光探测器的制备。
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明。
实施例一
本实施例的一种可集成式中红外光探测器的制备方法，可以包括以下步骤：
步骤1：参考图3，提供一种光学衬底，如图3所示，所述光学衬底包括从下至上的晶圆衬底1、光隔离层2、光波导层3，所述光波导层3为Si材料，厚度范围为100nm-2000nm；所述光隔离层2为LN材料(LiNbO3)，所述晶圆衬底1为铌酸锂。在光波导层Si层3进行图案化刻蚀，刻蚀出硅基光子光路所需的所有无源器件结构，包括光波导、偏振器件、光耦合元件，并在需要集成热释电光探测器的地方制备相应尺寸的光栅耦合器4。光栅结构和波导结构之间通过锥形耦合结构连接。
步骤2：参考图4，在光波导层Si层3上沉积SiN介质层5，并对所述SiN介质层5做平坦化处理，所述SiN介质层5平坦化后距波导顶部的距离大于5um，以使得上层的金属对光波导层3中的光不产生吸收。
步骤3：参考图5，取钽酸锂LT晶圆，沿其键合面进行离子注入，在晶圆表面以下一定深度形成缺陷层，也即离子注入层10。注入的离子种类为氢离子，注入能量范围为25Kev-300Kev，注入剂量为5*1015-5*1017ions/cm2，可采用Smart Cut工艺进行该步骤。
步骤4：参考图6(1)和图6(2)，对两个晶圆均进行金属化，采用金属Pt，沉积的金属厚度范围为50-500nm。在所述光栅耦合器4处沉积的金属可进行适当的图案设计，以增强对光的吸收或对光的波长具有选择作用。
步骤5：参考图7，对表面覆盖金属的的两个晶圆进行Wafer to Wafer方式的键合。所述Wafer to Wafer的键合方式是将具有光波导层的晶圆与钽酸锂晶圆进行键合。
步骤6：参考图8，对键合后的晶圆结构进行退火，加强键合强度，并使钽酸锂层从离子注入层10处剥离，从而形成钽酸锂薄膜层7，并通过化学机械抛光工艺去除离子注入层10。
步骤7：参考图9，对制备得到的结构进行光刻开孔，并用湿法腐蚀的方式腐蚀掉所述光栅耦合器4处的SiN介质层5，以实现热释电探测器的下部热绝缘。
步骤8：参考图10，形成金属下电极层6的接出通孔9，并在通孔处沉积金属。
步骤9：参考图11，沉积金属上电极层8，并形成所述金属上、下电极层的接出管脚，完成整个探测器结构的制备。
实施例二
本实施例的一种可集成式中红外光探测器的制备方法，可以包括以下步骤：
步骤1：直接提供一种光学衬底，可以为SOI、LNOI、LTOI中的一种或多种衬底的组合；
步骤2：在光学衬底上沉积SiN介质层5，并对所述SiN介质层5做平坦化处理，所述SiN介质层5平坦化后距波导顶部的距离大于5um。
步骤3：取钽酸锂LT晶圆，沿其键合面进行离子注入，在晶圆表面以下一定深度形成缺陷层，也即离子注入层10。注入的离子种类为氮离子，注入能量范围为25Kev-300Kev，注入剂量为5*1015-5*1017ions/cm2。
步骤4：对所述SiN介质层5进行金属化，采用金属Au，沉积的金属厚度范围为50-500nm。
步骤5：参考图12，对两个晶圆进行Die to Wafer方式的键合。所述Dieto Wafer的键合方式是将具有光波导层的晶圆与小片的钽酸锂晶圆进行准键合。
步骤6：对键合后的晶圆结构进行退火，加强键合强度，并使钽酸锂层从离子注入层10处剥离，从而形成钽酸锂薄膜层7，并通过化学机械抛光工艺去除离子注入层10。
步骤7：对制备得到的结构进行光刻开孔，并用湿法腐蚀的方式腐蚀掉所述光栅耦合器4处的SiN介质层5。
步骤8：形成金属下电极层6的接出通孔9，并在通孔处沉积金属。
步骤9：沉积金属上电极层8，并形成所述金属上、下电极层的接出管脚，完成整个探测器结构的制备。
本发明的上述实施例集成了光波导和热释电红外探测器，能以热释电探测器为基础，探测中红外波段的光，并作为必不可少的器件进一步实现中红外集成光子芯片的集成，对中红外集成光子芯片的小型化、集成化有重要作用。
需要说明的是：上述本发明实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种可集成式中红外光探测器，其特征在于，所述探测器包括：
自下而上堆叠设置的晶圆衬底、光隔离层、光波导层、介质层、金属下电极层、敏感材料层和金属上电极层；
所述光隔离层用于所述晶圆衬底和所述光波导层之间的光隔离；
所述光波导层刻蚀有至少包含光栅耦合器的无源光学器件结构，所述光栅耦合器正对所述金属下电极层；
所述介质层沉积在所述光波导层之上，隔离所述光波导层和所述金属下电极层，对应所述光栅耦合器的介质层被腐蚀除去以使得所述光栅耦合器正对所述金属下电极层；
所述金属下电极层作为探测器的底电极层并吸收所述光波导层中的光；
所述敏感材料层与所述介质层、所述金属下电极层为键合结构；
所述金属上电极层沉积在所述敏感材料层之上，所述金属上电极层和所述金属下电极层均设有接出管脚。
2.根据权利要求1所述的一种可集成式中红外光探测器，其特征在于，所述介质层位于所述光波导层和所述金属下电极层之间，所述介质层的折射率小于所述光波导层的折射率，所述介质层不吸收中红外光，且所述介质层的厚度大于5μm，以减少所述金属下电极层对所述光波导层中光的吸收。
3.根据权利要求1所述的一种可集成式中红外光探测器，其特征在于，所述金属下电极层和所述金属上电极层均由Pt、Ti、Al、Cu、Au、黑Au中的一种金属或多种金属组成，所述金属下电极层和所述金属上电极层的厚度范围为50-500nm。
4.根据权利要求3所述的一种可集成式中红外光探测器，其特征在于，所述光波导层的厚度与集成光子芯片中的光波导层厚度一致，厚度范围为100nm-2000nm。
5.根据权利要求1所述的一种可集成式中红外光探测器，其特征在于，所述光波导层中的光栅耦合器的占空比范围为0.3-0.7，周期范围为500nm-3000nm，刻蚀的深度占所述光波导层厚度的25％-100％。
6.根据权利要求1所述的一种可集成式中红外光探测器，其特征在于，所述敏感材料层为钽酸锂薄膜层，所述敏感材料层的厚度范围为200nm-2000nm。
7.根据权利要求1所述的一种可集成式中红外光探测器，其特征在于，所述光隔离层为折射率低于所述光波导层的材料，且根据所述光波导层的材料适应性地选择所述光隔离层的材料；若所述晶圆衬底的折射率低于所述光波导层的折射率，则省去所述光隔离层。
8.一种可集成式中红外光探测器的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
提供光学衬底，所述光学衬底包括自下而上堆叠设置的晶圆衬底、光隔离层和光波导层；
对所述光波导层进行图案化刻蚀，得到至少包含光栅耦合器的无源光学器件结构；
在所述光波导层的上层沉积预设厚度的介质层，并对所述介质层进行平坦化处理；
提供钽酸锂晶圆，沿所述钽酸锂晶圆的键合面进行离子注入；
将所述介质层和/或所述钽酸锂晶圆金属化，得到金属下电极层，并进行键合，得到自下而上的晶圆衬底-光隔离层-光波导层-介质层-金属下电极层-钽酸锂晶圆的键合结构；
对所述键合结构进行退火，将所述钽酸锂晶圆从离子注入处剥离，形成钽酸锂薄膜层作为探测器的敏感材料层；
对所述光波导中光栅耦合器结构光刻开孔，并腐蚀去对应位置的所述介质层；
从所述金属下电极层接出通孔，并在通孔处沉积金属；
在所述钽酸锂薄膜层的上层沉积金属上电极层，并形成所述金属上电极层和所述探测器金属下电极层的接出管脚，完成所述可集成式中红外光探测器的制备。
9.根据权利要求8所述的一种可集成式中红外光探测器的制备方法，其特征在于，所述沿所述钽酸锂晶圆的键合面进行离子注入包括：
选用氢离子或稀有气体离子作为注入离子，注入能量范围为25Kev-300Kev，注入剂量为5*1015-5*1017ions/cm2。
10.根据权利要求8所述的一种可集成式中红外光探测器的制备方法，其特征在于，所述进行键合，形成键合结构还包括：
采用Wafer to Wafer或者Die to Wafer的键合方式。
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