CN1945859A - 半导体无像元远红外上转换成像装置制造方法 - Google Patents

Abstract

一种半导体光电探测技术领域的半导体无像元远红外上转换成像装置制造方法。步骤如下：(1)确定探测器类型为探测中心波长在60微米的同质结内光发射远红外探测器，发光二极管类型为发射光波长在硅电荷耦合器件响应波长范围内的近红外发光二极管；(2)利用频谱分析方法分别对探测器及发光二极管列出连续性方程，通过求解连续性方程得到上转换成像效率及调制传递函数，通过考察上转换成像效率及成像性能，得到优化的器件结构；(3)用分子束外延装置先生长远红外探测器结构，接着在探测器上生长近红外发光二极管结构，得到半导体远红外无像元上转换成像装置。本发明大大降低了探测成像的成本，可实现更长波长光的上转换成像。

Description

半导体无像元远红外上转换成像装置制造方法

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，具体是一种半导体无像元远红外上转换成像装置制造方法。

技术背景

硅电荷耦合器件(硅CCD)是一种性能优异、并已成熟的可见及近红外光(最长到1.1微米)成像器件，紫外及更短波段的探测可通过在硅电荷耦合器件上涂以合适的发光材料加以实现。波长更长的远红外和亚毫米波段(40-1000微米)包含了天体运动、固体红外材料中的许多信息，其探测及成像在天体物理、红外物理和新材料探索等研究方面具有广泛的应用前景。目前对半导体远红外探测器的研究还处于早期阶段，在这些波段，商业化的探测器是热敏探测器，如测辐射热，焦热电和Ge基非本征半导体远红外探测器等。这些探测器要么比较昂贵，要么由于技术上的限制，难以做成大规模列阵。

经对现有技术的文献检索发现，H.C.Liu等人在《Electronics Letters》(电子快报)第31卷第10期(1995)832页发表的“Integrated quantum wellintersub-band photodetector and light emitting diode”(集成的量子阱子带间光电探测器与发光二极管)一文中提出：利用光子频率上转换的概念，在由砷化镓/铝镓砷量子阱红外探测器结构及其上面集成生长的铟镓砷/砷化镓发光二极管结构串联而成的光学上转换装置上加一恒定的正向偏压，中红外信号(MIR)通过透明的砷化镓衬底被量子阱红外探测器检测到，引起探测器电阻的下降，并由此导致发光二极管上电压降的增加，使发光二极管发出可被高效硅电荷耦合器件收集的近红外(NIR)发射，从而实现了中红外信号的成像，然而远红外上转换成像装置的制造至今没有被研究过。

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

本发明的目的在于利用光子频率上转换的原理将远红外光转换为近红外光，从而通过硅电荷耦合器件探测成像的机制，提供一种半导体无像元远红外上转换成像装置的制造方法，区别于现有的远红外成像机理及装置。本发明克服了现有远红外成像技术中成本高，难以做成大规模列阵的困难。

本发明是通过以下的技术方案来实现的，针对半导体无像元远红外上转换成像机理的特点，本发明制造方法步骤如下：

(1)确定需要生长的探测器和发光二极管的类型：探测器类型为探测中心波长在60微米的同质结内光发射远红外探测器，发光二极管类型为发射光波长在硅电荷耦合器件响应波长范围内的近红外发光二极管；

(2)利用频谱分析方法，分别对探测器及发光二极管列出连续性方程，通过求解连续性方程得到上转换成像效率及调制传递函数，通过考察上转换成像效率及成像性能，来得到优化的器件结构。

(3)用分子束外延装置先生长远红外探测器结构，接着在探测器上生长近红外发光二极管结构，即得到这种集成的半导体远红外无像元上转换成像装置，从而实现远红外物体的上转换成像。

步骤(1)中，确定要生长的探测器为砷化镓同质结内光发射远红外探测器，发射层和本征层分别为掺杂和非掺杂的砷化镓材料，其探测中心波长在60微米；考虑到晶格匹配，确定要生长的发光二极管为砷化镓/铝镓砷近红外发光二极管，选择砷化镓为发光二极管的激活层材料，使得出射波长在0.87微米附近，在硅电荷耦合器件的响应波长之内。

步骤(2)中，从探测器的连续性方程出发，采用频谱分析方法，由入射远红外光的空间分布可以得到输出光电流的空间分布，然后通过发光二极管的连续性方程，得到发射的近红外光的空间分布情况。依据光生电流的信号部分以及出射的近红外光的信号部分，可以得到上转换的成像效率，和表征图像质量的调制传递函数，通过分析远红外上转换成像的效率考察图像的亮度情况，根据调制传递函数得到图像的锐度和分辨率的情况，进而可以得到优化的探测器和发光二极管的器件结构。

步骤(3)中，用分子束外延装置先生长优化的砷化镓同质结内光发射远红外探测器结构，在此结构上接着串联生长优化的近红外发光二极管结构，这样就可得到集成的半导体无像元远红外上转换成像装置，利用这种装置将远红外光转换为近红外光，此近红外光经过硅电荷耦合器件探测，就可实现远红外物体的成像。

本发明实现了一种半导体无像元远红外上转换成像装置的制造，在探测器发射层/本征层周期数足够多的情况下，本发明制备出的上转换成像装置，可以不必做成列阵的形式，直接与硅电荷耦合器件结合进行成像，大大降低了探测成像的成本。

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。

(1)确定要生长的探测器为探测中心波长在60微米的砷化镓同质结内光发射远红外探测器，考虑到晶格匹配，确定要生长的发光二极管为发射波长为0.87微米的砷化镓/铝镓砷近红外发光二极管。根据探测器和发光二极管的连续性方程，得到输出光电流以及近红外光的空间分布情况，进而得到上转换成像的效率η(f)为：

$\mathrm{\η}\left(f\right)=\frac{{\mathrm{\φ}}_{\stackrel{\→}{f}}^{\mathrm{out}}}{{\mathrm{\φ}}_{\stackrel{\→}{f}}^{\mathrm{in}}}=[1-\exp (-2{\mathrm{\α}}_p{w}_e)]\exp (-\frac{w_e}{l})\exp (-\frac{x_b}{l_s})\frac{1-{(1-p_c)}^N\exp (-4{\mathrm{\π}}^2{l}^2{f}^{2}N)}{1-(1-p_c)\exp (-4{\mathrm{\π}}^2{l}^2{f}^2)}$

$\×\frac{t(1-\mathrm{\σ}){\mathrm{\η}}_{\mathrm{int}}}{1+4{\mathrm{\π}}^2{l}_d^2{f}^2-{\mathrm{\σ\η}}_{\mathrm{int}}\left(\frac{{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\α}}_2}{{\mathrm{\α}}_2^2+4{\mathrm{\π}}^2{f}^2}\right)}\exp (-4{\mathrm{\π}}^2{l}^2{f}^2)$

调制传递函数T(f)表示为：

$T\left(f\right)=\frac{{\mathrm{\φ}}_{\stackrel{\→}{f}}^{\mathrm{out}}/{\mathrm{\φ}}_0^{\mathrm{out}}}{{\mathrm{\φ}}_{\stackrel{\→}{f}}^{\mathrm{in}}/{\mathrm{\φ}}_0^{\mathrm{in}}}=p_c\exp (-4{\mathrm{\π}}^2{l}^2{f}^2)\frac{1-{(1-p_c)}^N\exp (-4{\mathrm{\π}}^2{l}^2{f}^{2}N)}{1-(1-p_c)\exp (-4{\mathrm{\π}}^2{l}^2{f}^2)}$

$\×\frac{1-{\mathrm{\σ\η}}_{\mathrm{int}}\left(\frac{{\mathrm{\α}}_1}{{\mathrm{\α}}_2}\right)}{1+4{\mathrm{\π}}^2{l}_d^2{f}^2-{\mathrm{\σ\η}}_{\mathrm{int}}\left(\frac{{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\α}}_2}{{\mathrm{\α}}_2^2+4{\mathrm{\π}}^2{f}^2}\right)}$

其中

和

分别为入射远红外光和出射近红外光的光子通量的信号部分，φ₀ ⁱⁿ和φ₀ ^out分别为入射远红外光和出射近红外光的平均光子通量，a_p为探测器发射层中的自由载流子吸收系数，a_p＝8.28×10^-16cm²×N_a，(N_a＝4×10¹⁸cm^-3为探测器发射层的掺杂浓度)，p_c为探测器发射层中的自由载流子俘获率(p_c＝0.07)，w_e为发射层厚度(w_e＝200)，l为载流子扩散长度(l＝220±20)，x_b是探测器中界面到势垒极大的距离(x_b＝300±10)，l_s是镜像力势阱中的散射长度(l_s＝276±2)，f为空间频率(0~16.7线对/毫米)，N为探测器中周期性结构的数目(N＝20)，l_d为载流子在发光二极管激活层中的扩散长度(l_d≈1微米)，σ为发光二极管中受制于全反射而不能逃逸的光子部分(σ＝0.90~0.95)，η_int为发光二极管的内量子效率(η_int＝0.80~0.90)，α₁，α₂分别为发光二极管中激活层与限制层的吸收系数，其中 $a_1\≈15000\×\frac{d_a}{d_a+d_c},$ $a_2\≈15000\×\frac{d_a}{d_a+d_c}+30\×(1-\frac{d_a}{d_a+d_c})$ d_a为发光二极管激活层厚度(d_a＝3000)，d_c为发光二极管限制层的总的厚度(d_c＝2微米)。

通过考察上转换的效率可以得到成像的亮度情况，通过考察调制传递函数可以得到成像的锐度和分辨率情况。为了使成像质量达到最好，则需要最高的上转换效率及调制传递函数，而上转换效率和调制传递函数都是与探测器及发光二极管的器件参数密切相关的，这样就可以得到使成像效果达到最好的优化的探测器和发光二极管器件参数。

(2)根据优化得到的远红外探测器参数，用分子束外延装置生长的砷化镓远红外探测器结构包括：基片为半绝缘的砷化镓衬底，在20个周期的砷化镓(20)/铝镓砷(Al_0.30Ga_0.70As，20)的超晶格缓冲层上，生长3000的底部电极层(铍掺杂，掺杂浓度为p型2×10¹⁹cm^-3)，然后是20个周期的发射层(铍掺杂砷化镓，厚度200，掺杂浓度p型4×10¹⁸m^-3)/本征层(非掺杂砷化镓，厚度1000)，接着生长400非掺杂铝镓砷(Al_0.24Ga_0.76As)缓冲层。

(3)根据优化得到的近红外发光二极管参数，用分子束外延装置生长的砷化镓/铝镓砷近红外发光二极管结构包括：在探测器结构上依次生长2000的铝镓砷(Al_0.30Ga_0.70As，铍掺杂，掺杂浓度为D型2.5×10¹⁸cm^-3)的p型限制层，300组分渐变层(Al_xGa_1-xAs，x从0.30渐变至0.10)，然后是3000的砷化镓激活层，其掺杂浓度为p型1×10¹⁸cm^-3；接着生长300铝镓砷组分渐变层(Al_xGa_1-xAs，x从0.10渐变至0.30)，2000的铝镓砷(Al_0.30Ga_0.70As，硅掺杂，掺杂浓度为n型2.5×10¹⁸cm^-3)n型限制层，以及300的铝镓砷(Al_0.30Ga_0.70As，硅掺杂，掺杂浓度为n型4×10¹⁹cm^-3)的缓冲层，最后覆盖5000的硅掺杂砷化镓顶部电极层，掺杂浓度为n型2×10¹⁸cm^-3。

(4)生长出这种优化的集成结构以后，除去衬底，在上下两个电极层上加稳定的偏压，使得器件内部的场强在300伏特/厘米附近，这样就制备出了中心波长在60微米的远红外光到0.87微米的近红外光的上转换成像装置，用硅电荷耦合器件探测发出的近红外光，即可实现远红外物体的成像。

本实施例制造的是一种半导体无像元远红外上转换成像装置，利用这种装置进行远红外成像有许多优点：首先，可采用与砷化镓/铝镓砷量子阱红外探测器一样的常规器件制备方法制作光学上转换器件单元，利用大尺寸(厘米量级)光学上转换器件单元自然的载流子密度分布与硅电荷耦合器件结合直接可形成无像元远红外成像器件，从而避免将大面积成像仪分成许多个像素并且每个都制作电极(接线柱金属焊接)的复杂和昂贵；其次，这种半导体远红外成像器件不需要任何特殊的混合读出电路，成像是通过充分利用高效、成熟的硅电荷耦合器件实现的；再次，由于探测器的探测波长可通过发射层的掺杂浓度及偏压来控制，相应地，远红外成像的波段也较容易调节；最后，这种由单一III-V成熟半导体材料组成的系统又很容易通过分子束外延生长，且可避免混合焊接及任何热失配。因此，这类半导体远红外成像器件完全没有锗基非本征半导体远红外探测器在制造大规模列阵方面的技术困难，并具有成本低、简单、响应波长可调和高效等特点。

Claims (5)

1、一种半导体无像元远红外上转换成像装置制造方法，其特征在于步骤如下：

(1)确定需要生长的探测器和发光二极管的类型：探测器类型为探测中心波长在60微米的同质结内光发射远红外探测器，发光二极管类型为发射光波长在硅电荷耦合器件响应波长范围内的近红外发光二极管；

(2)利用频谱分析方法分别对探测器及发光二极管列出连续性方程，通过求解连续性方程得到上转换成像效率及调制传递函数，通过考察上转换成像效率及成像性能，得到优化的器件结构；

(3)用分子束外延装置先生长远红外探测器结构，接着在探测器上生长近红外发光二极管结构，得到集成的半导体远红外无像元上转换成像装置。

2、根据权利要求1所述的半导体无像元远红外上转换成像装置制造方法，其特征是，步骤(1)中，所述的探测器为砷化镓同质结内光发射远红外探测器，发射层和本征层分别为掺杂和非掺杂的砷化镓材料。

3、根据权利要求1所述的半导体无像元远红外上转换成像装置制造方法，其特征是，步骤(1)中，所述的发光二极管，为砷化镓/铝镓砷近红外发光二极管，砷化镓为发光二极管的激活层材料，出射波长在0.87微米附近，在硅电荷耦合器件的响应波长之内。

4、根据权利要求1所述的半导体无像元远红外上转换成像装置制造方法，其特征是，步骤(2)中，具体为：根据探测器的连续性方程，采用频谱分析方法，由入射远红外光的空间分布得到输出光电流的空间分布，然后通过发光二极管的连续性方程，得到发射的近红外光的空间分布情况；依据光生电流的信号部分以及出射的近红外光的信号部分，得到上转换的成像效率和表征图像质量的调制传递函数，通过分析远红外上转换成像的效率考察图像的亮度情况，根据调制传递函数得到图像的锐度和分辨率的情况，进而得到优化的探测器和发光二极管的器件结构。

5、根据权利要求1所述的半导体无像元远红外上转换成像装置制造方法，其特征是，步骤(3)中，用分子束外延装置先生长优化的砷化镓同质结内光发射远红外探测器结构，在此结构上接着串联生长优化的近红外发光二极管结构，得到集成的半导体无像元远红外上转换成像装置，利用该装置将远红外光转换为近红外光，此近红外光经过硅电荷耦合器件探测，就能实现远红外物体的成像。