[发明专利]一种底部耦合光栅量子阱红外焦平面光敏元芯片及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件领域，特别是一种底部耦合光栅量子阱红外焦平面光敏元芯片及其制备方法。

背景技术

GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器（Quantum Well Infrared Photodetector，简称QWIP）以其材料生长和制备工艺成熟，易于大面阵集成、稳定性好、器件均匀性好、成本低、容易实现双色及多色焦平面器件、抗辐射等优点，在国防探测、森林防火、工业监控及医疗卫生等领域有广泛的应用前景，成为近年来红外探测领域的研究热点。

然而根据量子跃迁的选择定则，QWIP器件对正入射的红外光具有禁戒性。因此必须采用一定的光耦合方式，使入射光的电场方向平行于量子阱的生长方向来激发子带跃迁，实现红外光的探测。常见的光耦合方式有45°角斜入射、二维周期光栅、漫反射光栅、波纹耦合光栅等多种光耦合方式。

二维周期光栅是最适合大面积焦平面红外量子阱探测器的光耦合方式，但其存在如下的问题：（1）红外光是经过光栅反射后被量子阱层吸收的，因此耦合效率较低；（2）目前二维周期光栅均位于焦平面光敏元芯片的顶部，为了将焦平面光敏元芯片与读出电路互联形成完整的焦平面器件，往往需要在顶部二维周期光栅上采用套刻技术制作电极，这不但破坏了二维周期光栅的完整性，而且增加了制作工艺的难度。因此，其改进和创新势在必行。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种底部耦合光栅量子阱红外焦平面光敏元芯片及其制备方法，可有效解决改进芯片的光栅耦合方式，简化焦平面光敏元芯片制作工艺，提高光栅耦合效率的问题。

本发明解决的技术方案是，本发明光敏元芯片其结构是由自下而上的几部分组合在一起构成： 

在砷化镓衬底上面有由n型砷化镓和金交替周期性排列构成的透射光栅，透射光栅上面有n型砷化镓下接触层，n型砷化镓下接触层上有GaAs/AlGaAs多量子阱层，GaAs/AlGaAs多量子阱层上有n型砷化镓上接触层，n型砷化镓上接触层上有金（Au）反射层，金（Au）反射层上面有金/锗/镍（Au/Ge/Ni）合金上电极， n型砷化镓下接触层的一端上有金/锗/镍合金公共下电极，n型砷化镓下接触层、GaAs/AlGaAs多量子阱层、n型砷化镓上接触层、金（Au）反射层、金/锗/镍（Au/Ge/Ni）合金上电极和金/锗/镍合金公共下电极的两侧有二氧化硅（SiO₂）钝化层；其制备方法是，采用晶片键合工艺和常规半导体工艺将透射光栅置于GaAs/AlGaAs多量子阱层的底部，形成一体结构。

本发明产品结构新颖独特，提高了量子阱红外焦平面光敏元芯片的光耦合效率，避免了以往在顶部二维周期光栅上采用套刻技术制作电极时所需要的复杂制作工艺，方法简单，是半导体器件生产上的创新。

附图说明

图1为本发明的结构主视图。

图2为本发明的底部透射方孔二维周期光栅刨面示意图。

图3为本发明的实施实例中多量子阱区内电场方向平行于量子阱生长方向的光波的光场分布示意图。

图4为本发明的实施中多量子阱层内不同刨面处的光波电场相对强度分布图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

由图1给出，本发明光敏元芯片是由自下而上的几部分组合在一起构成： 

在砷化镓衬底01上面有由n型砷化镓02和金03交替周期性排列构成的透射光栅，透射光栅上面有n型砷化镓下接触层04，n型砷化镓下接触层上有GaAs/AlGaAs多量子阱层06，GaAs/AlGaAs多量子阱层上有n型砷化镓上接触层07，n型砷化镓上接触层上有金（Au）反射层08，金（Au）反射层上面有金/锗/镍（Au/Ge/Ni）合金上电极09， n型砷化镓下接触层04的一端上有金/锗/镍合金公共下电极10，n型砷化镓下接触层、GaAs/AlGaAs多量子阱层、n型砷化镓上接触层、金反射层、金/锗/镍合金上电极和金/锗/镍合金公共下电极的两侧有二氧化硅（SiO₂）钝化层05。