CN117091697A - 一种用于量子阱探测器的宽带微腔阵列耦合结构及其制备方法 - Google Patents
一种用于量子阱探测器的宽带微腔阵列耦合结构及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种用于量子阱探测器的宽带微腔阵列耦合结构及其制备方法，在该耦合结构中，多个微腔单元呈阵列状排布，且多个微腔单元的大小逐渐变化，每个微腔单元支持不同频段的电磁波，从而能够有效拓宽耦合频段，提高量子阱对光的吸收效率，降低器件的暗电流，提升器件的工作温度。另外，本发明采用标准的GaAs材料体系工艺，简单易操作，不会给器件制备增加额外的工艺难度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光子探测器领域，具体涉及一种用于量子阱探测器的宽带微腔阵列耦合结构及其制备方法。
背景技术
太赫兹(Terahertz，THz)波通常是指频率从100GHz到10THz，相应波长在3mm到30μm范围内，介于毫米波与红外光之间的电磁波。THz波在电磁波谱中占有特殊的位置，处于电子学向光子学的过渡区域，其长波端与亚毫米波相重合，而短波端与远红外波段相重合，THz波技术在信息通信技术领域、生物医学、太空探测以及全球性环境检测领域都具有非常广泛的应用潜力。
基于子带间跃迁的太赫兹量子阱探测器(THz Quantum-Well Photodetectors，THz QWPs)具备很高的探测灵敏度和快速响应能力，并且具有线性响应范围宽、设计简便、材料生长和器件制备工艺成熟、可制备大规模成像阵列等优点，是空间外差探测、高速通信和大规模焦平面成像的理想器件。如图1所示，现有技术中常用的THz QWPs结构包括：GaAs衬底1、由下至上依次设置在GaAs衬底1上表面的下接触层8、有源区4和上接触层7、设置在GaAs衬底1上表面并位于下接触层8两侧的下电极11以及设置在上接触层7上表面的上电极12，其中，有源区4由GaAs/AlxGa1-xAs多量子阱周期结构构成，位于量子阱中的束缚电子吸收THz光子后跃迁到连续态，在外加偏压下形成光电流，通过测量和分析光电流的变化从而完成对THz波的探测。
由此可见，较低的子带间吸收效率是制约THz QWPs性能的关键因素，光耦合方式的改善是获取THz QWPs更好性能的关键因素。目前，THz QWPs常用的两种耦合方式为：45°斜面抛光衬底耦合及金属散射光栅耦合，其中，45°斜面抛光衬底耦合机制不能实现光的正入射(如图1所示，GaAs衬底1需要进行45°斜面抛光，入射光需要从该45°斜面入射)，也不利于器件集成，光栅耦合虽然可以实现光的正入射耦合，但在器件性能上没有太大的提升。亚波长贴片天线耦合是一种全新的THz QWPs耦合方式，该耦合方法既有利于大规模集成，又可大幅提升器件性能。目前亚波长贴片天线THzQWPs结构均为单频工作，未在宽带THz QWPs上实现应用。
综上所述，研究宽带THz QWPs的宽带亚波长分形贴片天线微腔耦合单元是具有重大意义的。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明提供一种用于量子阱探测器的宽带微腔阵列耦合结构及其制备方法，在该耦合结构中，多个微腔单元呈阵列状排布，且多个微腔单元的大小逐渐变化，每个微腔单元支持不同频段的电磁波，从而能够有效拓宽耦合频段，提高量子阱对光的吸收效率，降低器件的暗电流，提升器件的工作温度。另外，本发明采用标准的GaAs材料体系工艺，简单易操作，不会给器件制备增加额外的工艺难度。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于量子阱探测器的宽带微腔阵列耦合结构，包括：衬底，以及在所述衬底上方呈均匀阵列排布的多个微腔单元，
多个所述微腔单元在第一方向上具有N列，在与所述第一方向垂直的第二方向上具有M行，N≥1，M≥1，并且所述微腔单元在所述第一方向上的第一边长为Li，在所述微腔单元的排布方向上，多个所述微腔单元的所述第一边长Li逐渐增大；
所述微腔单元具有自所述微腔单元的边缘向中心延伸的凹槽，所述凹槽包括沿所述第一方向延伸的第一凹槽，以及沿所述第二方向延伸的第二凹槽，所述第一凹槽沿所述微腔单元在所述第二方向上的中心对称轴对称分布，所述第二凹槽沿沿所述微腔单元在所述第一方向上的中心对称轴对称分布，所述第一凹槽和所述第二凹槽使得所述微腔单元的中间区域为连续区域。
可选的，在所述第一方向上，多个所述微腔单元的所述第一边长Li满足Li-Li-1＝1μm，2≤i≤N。
可选的，沿所述第二方向，所述第一凹槽的宽为W′j，W′j-W′j-1＝2μm，2≤j≤M。
可选的，在所述第一方向上，所述第一凹槽的第一深度为de'，所述连续区域在所述第一方向上的第一跨度距离为d，并且d＝Li-2*de'，多个所述微腔单元的所述第一深度de'在所述微腔单元的排布方向上逐渐增大。
可选的，所述第一跨度距离d为固定值。
可选的，每个所述微腔单元包括：外延层，以及设置在所述外延层表面的上金属电极，所述外延层的几何尺寸与所述上金属电极的几何尺寸相同；
所有所述微腔单元还包括：一共用的供所述外延层设置于其上的下金属电极板，所述下金属电极板设置在所述衬底的表面。
可选的，所述上金属电极为亚波长分形贴片天线。
可选的，在所述第二方向上，所述多个微腔单元通过微腔连接线依次串联。
可选的，所述下金属电极板表面还设置有钝化层，所述钝化层填充于所述多个微腔单元之间以及所述凹槽中，且所述钝化层的厚度与所述外延层的厚度相等。
可选的，所述衬底的背面还设置有金属层。
本发明还提供一种用于量子阱探测器的宽带微腔阵列耦合结构的制备方法，包括如下步骤：
S1：提供样本材料层，所述样本材料层由下至上依次包括第一衬底和外延层；
S2：提供第二衬底，在所述样本材料层的外延层表面形成第一金属材料层，在所述第二衬底表面形成第二金属材料层；
S3：对所述第一金属材料层和所述第二金属材料层进行压片键合，以形成下金属电极板；
S4：去除所述第一衬底，暴露出所述外延层，并在所述外延层表面形成上金属电极；
S5：刻蚀所述上金属电极和所述外延层，形成所述耦合结构中的多个微腔单元，所述微腔单元为上述所述技术方案中任一所述的微腔单元；
S6：在所述多个微腔单元之间以及所述微腔单元的凹槽中填充形成钝化层，在所述钝化层表面沉积形成微腔连接线，以将所述多个微腔单元与外部电源相连接。
可选的，步骤S6之后还包括对所述第二衬底进行减薄，并在所述第二衬底远离所述下金属电极板的一侧形成背金层。
本发明提供的用于量子阱探测器的宽带微腔阵列耦合结构及其制备方法，至少具有以下技术效果：
1、微腔单元中的上金属电极采用分形贴片天线，可以有效增加探测器光敏面的有效吸收面积，提高器件对入射光的吸收效率；
2、采用双面金属结构的微腔单元可使微腔内部等离子体波与THz光场实现共振增强，从而提高了量子阱探测器的响应率；
3、采用多个微腔单元构成的阵列结构具有类似光栅的效应，可改变正入射的THz光的方向，使其符合跃迁选择定则，从而被量子阱探测器的有源区吸收；
4、阵列中多个微腔单元的大小呈渐变状排布，实现每个微腔单元支持不同频段的电磁波，从而达到一定频率范围内等离子体波与入射光场的共振增强，且不同频段的电磁波叠加与宽谱探测的有源区结合，可实现宽谱探测；
5、本发明的亚波长分形贴片天线微腔阵列耦合结构不仅适用于THz波段，也同样适用于红外波段的量子阱探测器，在红外及THz波段的大规模焦平面阵列成像领域中具有广泛的应用前景；
6、本发明的设计自由度高，设计者可根据探测器的本征频率对微腔单元的几何尺寸进行设计，使微腔单元支持特定震荡频率的电磁波，从而达到等离子体波与入射光场的共振增强。
附图说明
图1显示为现有技术中常用的中红外及THz QWPs的结构示意图。
图2显示为实施例一提供的用于量子阱探测器的宽带微腔阵列耦合结构的结构示意图。
图3显示为实施例一中微腔单元的俯视图。
图4显示为实施例一中微腔单元的剖面图。
图5显示为实施例二中在样本材料层表面形成第一金属材料层的示意图。
图6显示为实施例二中在第二衬底表面形成第二金属材料层的示意图。
图7显示为实施例二步骤S3形成的结构示意图。
图8显示为实施例二步骤S4形成的结构示意图。
元件标号说明
1 衬底 12 上电极
2 下金属电极板 100 微腔单元
3 钝化层 101 第一凹槽
4 有源区 102 第二凹槽
5 上金属电极 103 连续区域
6 微腔连接线 110 第一衬底
7 上接触层 111 刻蚀阻挡层
8 下接触层 112 第一金属材料层
9 背金层 210 第二衬底
10 外延层 211 第二金属材料层
11 下电极
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量、位置关系及比例可在实现本方技术方案的前提下随意改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
实施例一
本实施例提供一种用于量子阱探测器的宽带微腔阵列耦合结构，如图2所示，包括衬底1，以及在衬底1上方呈均匀阵列排布的多个微腔单元100。
如图2所示，多个微腔单元100在第一方向上(即图中所示X方向)具有N列，在与第一方向垂直的第二方向上(即图中所示Y方向)具有M行，N≥1，M≥1。如图3所示，微腔单元100在第一方向上(即图中所示X方向)的第一边长为Li，且沿第一方向(即图中所示X方向)，多个微腔单元100的第一边长Li逐渐增大，满足Li-Li-1＝1μm，2≤i≤N。在本实施例中，微腔单元100第一边长Li的最小值为21μm。多个微腔单元呈阵列排布，具有类似光栅的效应，可以改变正入射的THz光的方向，使其符合跃迁选择定则，从而被器件的有源区吸收。
如图3所示，微腔单元100具有自其边缘向中心延伸的凹槽，包括沿第一方向(即图中所示X方向)延伸的第一凹槽101，以及沿第二方向(即图中所示Y方向)延伸的第二凹槽102，且第一凹槽101沿微腔单元100在第二方向上的中心对称轴对称分布，第二凹槽102沿沿微腔单元100在第一方向上的中心对称轴对称分布，第一凹槽101和第二凹槽102使得微腔单元100的中间区域为连续区域103。
如图3所示，在第一方向上(即图中所示X方向)，第一凹槽101的第一深度为de'，连续区域103在第一方向上的第一跨度距离为d，多个微腔单元100的第一深度de'沿第一方向逐渐增大，满足d＝Li-2*de'，且第一跨度距离d为固定值，例如在本实施例中第一跨度距离d为8μm；在第二方向上(即图中所示Y方向)，多个微腔单元100的第一凹槽101的宽W′j逐渐增大，满足W′j-W′j-1＝2μm，2≤j≤M，在本实施例中，第一凹槽101的宽W′j的最小值为4μm。第二凹槽102在第二方向上(即图中所示Y方向)的深度de”以及在第一方向上的宽W″j(即图中所示Y方向)为固定值，在本实施例中，第二凹槽102的宽W″j为4μm。在确定了THzQWPs材料的本征探测频率后，即可设计微腔单元100的上述几何尺寸，使微腔单元支持与THz QWPs本征探测频率相等的电磁波模式；且通过对阵列中每个微腔单元100的第一边长Li、第一凹槽101的第一深度de′和宽W′j三个参数的渐变设计，实现不同尺寸的微腔单元的工作频段的渐变，进而能够实现器件的宽谱探测。
如图4所示，每个微腔单元100包括上金属电极5，以及一设置在上金属电极5下表面的量子阱探测器的外延层10，还包括一共用的供量子阱探测器的外延层10设置于其上的下金属电极板2，该下金属电极板2设置在衬底1的上表面上。作为示例，量子阱探测器的外延层10包括由上至下依次连接的上接触层7、有源区4和下接触层8，且外延层10的几何尺寸与上金属电极5的几何尺寸相同，其中，有源区4包括GaAs和AlGaAs交替生长的半导体超晶格结构。微腔单元100中的上金属电极5为亚波长分形贴片天线，上金属电极5和下金属电极板2选用能够与半导体形成欧姆接触的金属制成，例如可以采用非合金化的Ti和Au或者采用连续生长的Pd、Ge、Ti和Au制成，选择后者将更有利于上金属电极5和下金属电极板2分别与外延层的上接触层7、下接触层8形成良好的欧姆接触。
如图4所示，微腔单元的下金属电极板2表面还设置有钝化层3，钝化层3填充于多个微腔单元100之间以及第一凹槽101和第二凹槽102中，以防止有源区4漏电流，钝化层3的厚度与外延层10的厚度相等，其材料可以采用SiO2或Si3N4。衬底1的背面还设置有背金层9，以使耦合结构能够与热沉更牢固地粘贴在一起，并使其散热性更好，作为示例，背金层9的材料与上金属电极5的材料相同，例如可以采用非合金化的Ti和Au或者采用连续生长的Pd、Ge、Ti和Au制成。
上述呈阵列分布的微腔单元100在阵列的横向与纵向上的个数可按需设计，在本实施例中，为了与图1中示出的采用常规45°斜面抛光衬底耦合结构的量子阱探测器对比，多个微腔单元100中的有源区122的上表面积的总和等于45°耦合结构THz QWPs的光敏面积。
参照图2和图3所示，在第二方向上(即图中所示Y方向)，多个微腔单元100通过微腔连接线6依次串联，微腔连接线6进一步将多个微腔单元100与外部电路相连。作为示例，微腔连接线6的材料选用能够导电的材料，例如可以与上金属电极5的材料相同，比如采用非合金化的Ti和Au或者采用连续生长的Pd、Ge、Ti和Au制成。
实施例二
本实施例提供一种用于量子阱探测器的宽带微腔阵列耦合结构的制备方法，包括如下步骤：
S1：提供样本材料层，所述样本材料层由下至上依次包括第一衬底和外延层；
如图5所示，提供一由半绝缘GaAs制成的第一衬底110，并在该第一衬底110的上表面由下至上依次生长GaAs缓冲层(未在图中示出)、刻蚀阻挡层111和量子阱探测器的外延层10，其中，外延层10包括由N型掺杂下接触层、有源区和N型掺杂上接触层(未在图中示出)。作为示例，刻蚀阻挡层111的材料可以选择AlGaAs。
S2：提供第二衬底，在所述样本材料层的外延层表面形成第一金属材料层，在所述第二衬底表面形成第二金属材料层；
如图6所示，提供由N+型GaAs制成的第二衬底210，作为耦合结构中的衬底1，且该第二衬底210的平面几何尺寸大于第一衬底110的平面几何尺寸。
接着，参照图5和图6所示，在步骤S1中的外延层10以及第二衬底210的上表面通过电子束蒸发(或磁控溅射)分别形成第一金属材料层112和第二金属材料层211。作为示例，第一金属材料层112和第二金属材料层211均可以采用非合金化的Ti和Au或者采用连续生长的Pd、Ge、Ti和Au制成，优选采用连续生长的Pd、Ge、Ti和Au制成。
S3：对所述第一金属材料层和所述第二金属材料层进行压片键合，以形成下金属电极板；
如图7所示，在320℃的温度以及8MPa的压力下，对第一金属材料层112和第二金属材料层211进行不少于20分钟的压片键合，以形成耦合结构中的下金属电极板。
S4：去除所述第一衬底，暴露出所述外延层，并在所述外延层表面形成上金属电极；
如图8所示，用研磨抛光机将第一衬底110减薄后，用湿法腐蚀溶液将剩余的第一衬底110及刻蚀阻挡层111腐蚀去除，以暴露出步骤S1中外延层10中的N型掺杂下接触层，作为外延层10的上接触层，此时，步骤S1中外延层10中的N型掺杂上接触层则作为外延层10的下接触层。
接着，在外延层10的上表面通过电子束蒸发(或磁控溅射)形成耦合结构中的上金属电极5。作为示例，上金属电极5可以采用非合金化的Ti和Au或者采用连续生长的Pd、Ge、Ti和Au制成，选择后者将更有利于上金属电极5与外延层的上接触层形成良好的欧姆接触。
S5：刻蚀所述上金属电极和所述外延层，形成所述耦合结构中的多个微腔单元，所述微腔单元为实施例一中所述的微腔单元；
接着，在上金属电极5的上表面光刻贴片天线阵列图形，并用光刻胶做掩膜，刻蚀形成耦合结构中的多个微腔单元100及微腔连接线6。作为示例，微腔单元及微腔连接线的结构可参照实施例一中的描述，在此不再赘述。
S6：在所述多个微腔单元之间以及所述微腔单元的凹槽中填充形成钝化层，在所述钝化层表面沉积形成微腔连接线，以将所述多个微腔单元与外部电源相连接。
参照图4所示，在多个微腔单元之间以及微腔单元的凹槽中填充形成钝化层3，以防止有源区4漏电流，钝化层3的厚度与外延层10的厚度相等，其材料可以采用SiO2或Si3N4。
接着，在钝化层3表面沉积形成微腔连接线6，以将所述多个微腔单元与外部电源相连接。作为示例，微腔连接线6的材料选用能够导电的材料，例如可以与上金属电极5的材料相同，比如采用非合金化的Ti和Au或者采用连续生长的Pd、Ge、Ti和Au制成。
接着，对第二衬底210进行减薄，并在其远离下金属电极板2的一侧形成背金层9，以使耦合结构能够与热沉更牢固地粘贴在一起，并使其散热性更好。作为示例，背金层9的材料可以采用非合金化的Ti和Au或者采用连续生长的Pd、Ge、Ti和Au制成。
接着，在不低于350℃的温度下进行不少于30秒的高温快速退火，以使耦合结构中的上金属电极5和下金属电极板2形成良好的欧姆接触，有效抑制量子阱探测器的暗电流。
最后，解理器件、金丝焊接、封装，至此完成耦合结构的制作。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (12)
1.一种用于量子阱探测器的宽带微腔阵列耦合结构，其特征在于，包括：衬底，以及在所述衬底上方呈均匀阵列排布的多个微腔单元，
多个所述微腔单元在第一方向上具有N列，在与所述第一方向垂直的第二方向上具有M行，N≥1，M≥1，并且所述微腔单元在所述第一方向上的第一边长为Li，在所述微腔单元的排布方向上，多个所述微腔单元的所述第一边长Li逐渐增大；
所述微腔单元具有自所述微腔单元的边缘向中心延伸的凹槽，所述凹槽包括沿所述第一方向延伸的第一凹槽，以及沿所述第二方向延伸的第二凹槽，所述第一凹槽沿所述微腔单元在所述第二方向上的中心对称轴对称分布，所述第二凹槽沿沿所述微腔单元在所述第一方向上的中心对称轴对称分布，所述第一凹槽和所述第二凹槽使得所述微腔单元的中间区域为连续区域。
2.根据权利要求1所述的用于量子阱探测器的宽带微腔阵列耦合结构，其特征在于，在所述第一方向上，多个所述微腔单元的所述第一边长Li满足Li-Li-1＝1μm，2≤i≤N。
3.根据权利要求1所述的用于量子阱探测器的宽带微腔阵列耦合结构，其特征在于，沿所述第二方向，所述第一凹槽的宽为Wj'，W′j-W′j-1＝2μm，2≤j≤M。
4.根据权利要求1所述的用于量子阱探测器的宽带微腔阵列耦合结构，其特征在于，在所述第一方向上，所述第一凹槽的第一深度为de'，所述连续区域在所述第一方向上的第一跨度距离为d，并且d＝Li-2*de'，多个所述微腔单元的所述第一深度de'在所述微腔单元的排布方向上逐渐增大。
5.根据权利要求4所述的用于量子阱探测器的宽带微腔阵列耦合结构，其特征在于，所述第一跨度距离d为固定值。
6.根据权利要求1所述的用于量子阱探测器的宽带微腔阵列耦合结构，其特征在于，每个所述微腔单元包括：外延层，以及设置在所述外延层表面的上金属电极，所述外延层的几何尺寸与所述上金属电极的几何尺寸相同；
所有所述微腔单元还包括：一共用的供所述外延层设置于其上的下金属电极板，所述下金属电极板设置在所述衬底的表面。
7.根据权利要求6所述的用于量子阱探测器的宽带微腔阵列耦合结构，其特征在于，所述上金属电极为亚波长分形贴片天线。
8.根据权利要求6所述的用于量子阱探测器的宽带微腔阵列耦合结构，其特征在于，在所述第二方向上，所述多个微腔单元通过微腔连接线依次串联。
9.根据权利要求6所述的用于量子阱探测器的宽带微腔阵列耦合结构，其特征在于，所述下金属电极板表面还设置有钝化层，所述钝化层填充于所述多个微腔单元之间以及所述凹槽中，且所述钝化层的厚度与所述外延层的厚度相等。
10.根据权利要求1所述的用于量子阱探测器的宽带微腔阵列耦合结构，其特征在于，所述衬底的背面还设置有金属层。
11.一种用于量子阱探测器的宽带微腔阵列耦合结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：提供样本材料层，所述样本材料层由下至上依次包括第一衬底和外延层；
S2：提供第二衬底，在所述样本材料层的外延层表面形成第一金属材料层，在所述第二衬底表面形成第二金属材料层；
S3：对所述第一金属材料层和所述第二金属材料层进行压片键合，以形成下金属电极板；
S4：去除所述第一衬底，暴露出所述外延层，并在所述外延层表面形成上金属电极；
S5：刻蚀所述上金属电极和所述外延层，形成所述耦合结构中的多个微腔单元，所述微腔单元为权利要求1～12中任一项所述的微腔单元；
S6：在所述多个微腔单元之间以及所述微腔单元的凹槽中填充形成钝化层，在所述钝化层表面沉积形成微腔连接线，以将所述多个微腔单元与外部电源相连接。
12.根据权利要求11所述的用于量子阱探测器的宽带微腔阵列耦合结构的制备方法，其特征在于，步骤S6之后还包括对所述第二衬底进行减薄，并在所述第二衬底远离所述下金属电极板的一侧形成背金层。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210516398.9A CN117091697A (zh) | 2022-05-12 | 2022-05-12 | 一种用于量子阱探测器的宽带微腔阵列耦合结构及其制备方法 |
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| CN202210516398.9A CN117091697A (zh) | 2022-05-12 | 2022-05-12 | 一种用于量子阱探测器的宽带微腔阵列耦合结构及其制备方法 |
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| CN117091697A true CN117091697A (zh) | 2023-11-21 |
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2022
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