[发明专利]一种无像元成像器件及其制备方法

说明书

本发明提供一种无像元成像器件及其制备方法，其中无像元成像器件包括光子频率上转换器件和硅基成像器件；所述光子频率上转换器件包括近红外探测器、发光二极管和渐变层，所述渐变层位于近红外探测器和发光二极管之间；所述发光二极管的发光侧与所述硅基成像器件的受光面相耦接。本发明的无像元成像器件的整个器件相对紧凑、结构简单，也无需额外的读出电路设计，这不仅大大简化了器件制备工艺，也大大节约了成像成本。

技术领域

本发明涉及半导体器件领域，尤其涉及无像元成像器件及其制备方法。

背景技术

红外探测技术是利用目标与背景之间的红外辐射差异，所形成的热点或图像来获取目标和背景信息的，其探测系统中最关键的为红外探测器部分。自二战以来，红外探测技术和红外成像技术经过多年的发展，已经相对比较完备成熟。迄今为止，人们已经可以制备从近红外到中红外包括部分远红外波段的红外探测器件和成像器件。其中，传统的成像器件主要由探测器阵列和硅基读出电路两部分组成。其中探测器阵列用来对红外光信号进行探测，将红外光子转换为电流；硅基读出电路则负责将阵列中每个像素产生的电流转换为电压并且输出；二者通过铟柱实现电连接。其中读出电路的设计和制备、铟柱的集成和连接导致了传统红外成像器件价格及其昂贵，并且制作工艺复杂。

红外上转换技术指的是将红外光信号转换为短波红外或者可见光信号再进行探测的一种技术手段，在激光冷却、材料质量检测、无像元成像、无像元成像等领域有着广泛的应用。其中，Luo(J.Vac.Sci.Technol.A 2004,22(3):788-791.)和Yang(Prog.Quant.Electron.2011,35(4):77-108.)等人提出的将红外探测器与发光二极管通过分别生长再进行晶片键合集成上转换器件，该技术最大的优势在于可以实现无像元成像，不需要额外的无读出电路，经过多年的发展已经取得了很大的成就。但是该技术两次的外延生长和晶片键合的高成本以及繁琐的制备工艺大大限制了这一上转换器件的应用。

基于以上前提，寻求一种成本低廉、制备方便、性能优良、结构紧凑的无像元成像器件对无像元成像有着重要意义和深远影响。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种基于直接外延生长上转换器件的无像元成像器件。该无像元成像器件包括光子频率上转换器件和硅基成像器件，其中，光子频率上转换器件包括近红外探测器、发光二极管和渐变层，所述渐变层位于近红外探测器和发光二极管之间；所述发光二极管的发光侧与所述硅基成像器件的受光面相耦接。

其中，所述渐变层的作用为物理连接近红外探测器和发光二极管，并且实现良好的电学连接。

进一步地，所述渐变层至少有一种元素组分逐渐变化。

进一步地，所述渐变层的组分渐变元素的原子百分比随厚度变化而改变。

进一步地，所述渐变层为In_yGa_1-yAs；所述)In_yGa_1-yAs中In组分(即y取值)由0.53渐变到0，渐变方向由近红外光电探测器向发光二极管逐渐变小。

进一步地，所述渐变层厚度为300nm～1000nm，优选地为400-600nm，更优选地为500nm。

其中，在所述光子频率上转换器件，所述近红外探测器用于实现对近红外光信号的接收和探测，将近红外通讯光信号转化为光生载流子，产生的光生载流子迁移到所述发光二极管的激活区并且发生复合，产生波长为短波近红外光子或者可见光光子，从而实现上转换。

进一步地，所述近红外光电探测器为InP基的Ⅲ-Ⅴ族半导体探测器。

进一步地，所述近红外光电探测器为InP/InGaAs p-i-n探测器或InP/InGaAs n-i探测器。

进一步地，所述近红外光电探测器从下往上包括n型帽层、本征吸收层。