一種表面等離子體增強量子阱紅外探測器及其制備方法
【專利摘要】一種表面等離子體增強量子阱紅外探測器，所述探測器包括頂部接觸層，其中所述頂部接觸層上有刻蝕的光柵結(jié)構(gòu)；所述頂部接觸層之上設(shè)置有沉積的絕緣保護層；所述絕緣保護層上設(shè)置有向下刻蝕出的電極窗口，所述電極窗口開設(shè)至下部的頂部接觸層；在所述電極窗口處沉積有金屬電極層，所述金屬電極層與所述頂部接觸層以及所述光柵接觸。該紅外探測器通過將金屬電極層與含光柵的頂部接觸層的接觸，在金屬與接觸層的接觸處形成了表面等離子激元，增強了量子阱紅外探測器的外量子效率。
【專利說明】
-種表面等離子體増強量子阱紅外探測器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于紅外量子阱探測器領(lǐng)域，具體設(shè)及一種表面等離子體增強的長波量子 紅外阱探測器，W及一種表面等離子增強量子阱紅外探測器的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 自19世紀(jì)早期，天文學(xué)家William化rschel在天體觀測的過程中發(fā)現(xiàn)了紅外福射 的存在之后，人們對于運種看不見的光便產(chǎn)生了濃厚的興趣，通過各種手段想要對于運種 看不見的光進行檢測，分析和研究。通過長達(dá)數(shù)百年的研究，紅外探測器被廣泛應(yīng)用于各行 各業(yè)，在工業(yè)上，通過使用紅外線探測，能夠發(fā)現(xiàn)一些肉眼觀察不到的異常發(fā)熱，高溫的區(qū) 域，可W用于進行紅外探傷，醫(yī)學(xué)上通過檢測人體中紅外線的異常，能夠探測一些疾病的病 原，同時紅外線探測與納米機器人結(jié)合能夠跟方便的使得納米機器人定位病原在疾病檢測 和治療方面取得了進一步的發(fā)展，在軍事上，隨著技術(shù)的發(fā)展，紅外探測用于預(yù)警，偵察，審U 導(dǎo)W及成像方面的優(yōu)勢愈發(fā)明顯，在惡劣的天氣下紅外福射仍然能有較強的穿透力，能夠 為整個戰(zhàn)場的戰(zhàn)局級戰(zhàn)術(shù)的指導(dǎo)提供重要的作用，可W說紅外探測技術(shù)發(fā)展對于一個國家 的軍事實力的發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。
[0003] 而現(xiàn)今較為主流的量子阱紅外光電探測器（QWIPs)由于易于形成大規(guī)模靈敏度 高，探測率高，低功耗，低成本，高均勻性高分辨率的焦平面探測器，而且通過結(jié)構(gòu)調(diào)整可W 形成雙色焦平面探測器，在焦平面(FPA)陣列的制造上占有非常重要的地位。然而QWIPs存 在入射紅外福射的選擇吸收性，運嚴(yán)重限制了量子阱紅外探測器的外量子效率，通常通過 一些表面入射光禪合結(jié)構(gòu)的制作能有效的提高其外量子效率。通過結(jié)合近年來興起的表面 等離子激元增強技術(shù)能夠更有效的實現(xiàn)量子阱紅外探測器的入射光禪合，提高量子阱紅外 探測器的外量子效率。
[0004] 1998年，T.W.E化esen的研究小組發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光通過亞波長孔陣的時候發(fā)生的異常透 射現(xiàn)象化0T)，并逐漸把運個效應(yīng)應(yīng)用在激光器和探測器領(lǐng)域上。2010年，美國西北大學(xué)的 一個研究小組成功嘗試了將微納結(jié)構(gòu)制作在了 InGaAs/InP結(jié)構(gòu)的多量子阱紅外激光器上， 而后K. K.化0 i的研究小組還針對運種結(jié)構(gòu)提出了尺寸優(yōu)化設(shè)計方案。
[0005] 西北大學(xué)研究小組的研究中，在整個量子阱紅外探測器結(jié)構(gòu)中引入了金屬光柵結(jié) 構(gòu)從而成功引入表面等離子激元，增強了量子阱紅外探測器的探測率，然而其在制備工藝 上通過多淀積一步金屬光柵來實現(xiàn)表面等離子激元的引入，同時其在金屬層上進行刻蝕， 限制了表面等離子激元的效果的同時增加了工藝難度和工藝要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種等離子體增強的量子阱紅外探測器W及制 備方法，W克服量子阱紅外探測器的外量子效率低、制備工藝復(fù)雜W及難度較高等問題。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種表面等離子體增強量子阱紅外探測器，所述探 測器包括外延片，W及順次制作在所述外延片一側(cè)上的底部接觸層、多量子阱層和頂部接 觸層，其中：所述頂部接觸層上具有刻蝕的光柵結(jié)構(gòu);所述頂部接觸層之上設(shè)置有絕緣保護 層;在所述絕緣保護層上，設(shè)置有向下刻蝕出的電極窗口，所述電極窗口開設(shè)至下部的頂部 接觸層的上下表面之間；W及在所述電極窗口處沉積有金屬電極層，所述金屬電極層與所 述頂部接觸層W及所述光柵接觸。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實施方式】，所述頂部接觸層為GaAs頂部接觸層。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實施方式】，所述外延片的另一側(cè)制作有UBM(凸點下金屬） 層，所述UBM層上沉積有銅柱，并且所述探測器經(jīng)過封裝形成單管。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實施方式】，所述金屬電極層的金屬是金，銀，銷金或侶。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實施方式】，所述光柵的周期為3.2μπι。
[0012] 本發(fā)明還提供一種表面等離子體增強量子阱紅外探測器的制備方法，方法包括如 下步驟：
[OOU] (1)外延片預(yù)處理；
[0014] (2)在所述外延片上依次進行底接觸層生長，多量子阱層生長W及對應(yīng)頂部接觸 層生長；
[0015] (3)對頂部接觸層光刻，形成光柵結(jié)構(gòu)；
[0016] (4)在頂部接觸層上生長絕緣保護層；
[0017] (5)在所述絕緣保護層上通過光刻開設(shè)電極窗口，所述電極窗口開設(shè)至下部的頂 部接觸層；
[0018] (6)在所述電極窗口處沉積金屬電極層，所述金屬電極層與所述頂部接觸層W及 所述光柵接觸。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實施方式】，在制備方法中，所述頂部接觸層為GaAs頂部接 觸層，所述金屬電極層的金屬是金，銀，銷金或侶。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實施方式】，在制備方法中，所述外延片的另一側(cè)制作UBM 層，在所述UBM層上進一步沉積銅柱，并且所述探測器經(jīng)過封裝形成單管。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實施方式】，在制備方法中，步驟（1)中的預(yù)處理為通過超聲 波和特定溶液對所述外延片進行清洗。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實施方式】，在制備方法中，所述光柵結(jié)構(gòu)為圓孔狀陣列光 柵。
[0023] 根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實施方式】，在制備方法中，所述光柵的周期為3.2μπι。
[0024] 基于上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明的紅外探測器具有W下有益效果：
[0025] (1)通過將金屬電極層與含光柵的頂部接觸層的接觸，在金屬與接觸層的接觸處 形成了表面等離子激元，增強了量子阱紅外探測器的外量子效率；
[0026] (2)通過將光柵周期設(shè)置為3.2皿，結(jié)合金光柵和GaAs頂部接觸層，圓形孔狀陣列 光柵結(jié)構(gòu)，可W實現(xiàn)對9μπι紅外波段的探測；
[0027] (3)通過在所述電極窗口處沉積金屬電極層，所述金屬電極層與所述頂部接觸層 W及所述光柵接觸，將量子阱紅外探測器制作工藝與激發(fā)表面等離子體的微納結(jié)構(gòu)工藝有 機整合起來，從而更為簡單快捷的通過引入表面等離子激元來增強量子阱紅外探測器的探 測效果，同時進一步提高微納結(jié)構(gòu)提供的禪合效果，提高探測器的探測率。
【附圖說明】
[0028] 圖1為本發(fā)明具體實施方案一的探測器的橫截面示意圖；
[0029] 圖2為本發(fā)明具體實施方案一的探測器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030] 圖3為本發(fā)明具體實施方案一的探測器的制備方法的工藝流程圖。
【具體實施方式】
[0031] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，W下結(jié)合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細(xì)說明。
[0032] 在本發(fā)明中，"之上"僅表示各層之間的相對關(guān)系，如頂部接觸層"之上"包括絕緣 保護層，則絕緣保護層可位于頂部接觸層的相鄰上方或者至少部分與所述頂部接觸層接 觸，或者絕緣保護層可位于頂部接觸層的非相鄰的上方或者至少部分與所述頂部接觸層重 疊，"之下"具有類似含義。
[0033] 具體實施方案一：
[0034] 根據(jù)圖3所示，本發(fā)明提供一種基于表面等離子激元增強的長波紅外量子阱紅外 探測器的制備方法，包括W下步驟：
[0035] 外延片準(zhǔn)備及臺面制作：外延片使用GaAs外延片，對其表面進行清洗W去除表面 雜質(zhì)，單管臺面尺寸直徑在50-60μπι，主要是考慮到納米結(jié)構(gòu)區(qū)域的作用效果?？紤]到現(xiàn)有 的量子阱紅外探測其技術(shù)，外延片也可使用ΙηΡ外延W及其他可W用在量子阱紅外探測器 中的外延片。
[0036] 底部接觸層生長:在GaAs外延片上通過使用M0CVD生長技術(shù)，生長1層500-800nm厚 度的GaAs接觸層，同理該接觸層也可使用基于其他材料體系的量子阱紅外探測器的接觸層 材料。
[0037] 多量子阱區(qū)生長：WGaAs/InGaAs多量子阱為例，通過M0CVD在下接觸層上生長多 量子阱層，層數(shù)在40-60層，材料體系可W為GaAs^nGaAs體系，也可W是InP/InGaAs材料體 系。
[0038] 頂部接觸層生長：在多量子阱層上方通過M0CVD的方法生長頂部接觸層，厚度為 300-500nm，頂部接觸層材料與底接觸層材料一致。
[0039] 頂部接觸層光刻:在頂部接觸層上方進行光刻，依據(jù)SPPs波矢補償?shù)南嚓P(guān)原理，其 具體公式為
，所述kssp為光柵周期（圓形孔狀陣列 光柵中相鄰兩個光柵中屯、的距離），α和0為常數(shù)，Em為金屬材料介電常數(shù)，Ed為頂部接觸層材 料介電常數(shù)，通過已知的界面兩端材料的對應(yīng)介電常數(shù)參數(shù)，能夠計算得到對應(yīng)波長所使 用的光柵的結(jié)構(gòu)W及對應(yīng)的各個周期，運里我們采用的對應(yīng)9WI1長波波段的量子阱紅外探 測器，對應(yīng)金光柵和GaAs頂部接觸層，圓形孔狀陣列光柵結(jié)構(gòu)，最終選取的光柵周期為3.化 m(參見圖2)。
[0040] 絕緣層淀積:在頂部接觸層上方使用PECVD方法淀積一層厚度為350-400皿的絕緣 層，依據(jù)材料可W使用Si化或者Si3N4等絕緣材料，在此我們使用Si3N4。
[0041] 制作隔離窗口：在臺面上套刻出電極引入窗口，將對應(yīng)窗口留下的Si3N4絕緣介質(zhì) 通過濕法腐蝕的方法進行腐蝕去除，之后對整個形成光刻圖案的頂部接觸層進行清潔，獲 得一個清潔的接觸層表面。
[0042] 金屬電極淀積即金屬光柵結(jié)構(gòu)制作:在制作好的隔離窗口淀積薄層Au/Pt制作歐 姆接觸，在歐姆接觸的合金上淀積厚度的金屬金電極。
[0043] 將底接觸層面的襯底減薄至150-200μπι，同時進行拋光，作為入射面使用。
[0044] 在金屬電極窗口面淀積UBM，封裝之后生長銅柱，倒扣在讀出電路上。并測試相關(guān) 的探測器性能。
[0045] 圖1為所得探測器的截面示意圖。圖中1為經(jīng)過減薄拋光的襯底，2襯底上方生長的 底部接觸層，3為量子阱探測器有源區(qū)，4為頂部接觸層，5為金屬光柵結(jié)構(gòu)及電極。
[0046] W上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳 細(xì)說明，應(yīng)理解的是，W上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在 本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護 范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種表面等離子體增強量子阱紅外探測器，所述探測器包括外延片，以及順次制作 在所述外延片一側(cè)上的底部接觸層、多量子阱層和頂部接觸層，其中， 所述頂部接觸層上具有刻蝕的光柵結(jié)構(gòu)； 所述頂部接觸層之上設(shè)置有絕緣保護層； 在所述絕緣保護層上，設(shè)置有向下刻蝕出的電極窗口，所述電極窗口開設(shè)至下部的頂 部接觸層的上下表面之間；以及 在所述電極窗口處沉積有金屬電極層，所述金屬電極層與所述頂部接觸層以及所述光 柵接觸。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面等離子體增強量子阱紅外探測器，其特征在于，所述頂部 接觸層為GaAs頂部接觸層。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面等離子體增強量子阱紅外探測器，其特征在于，所述外延 片的另一側(cè)制作有UBM層，所述UBM層上沉積有銦柱，并且所述探測器經(jīng)過封裝形成單管。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面等離子體增強量子阱紅外探測器，其特征在于，所述金屬 電極層的金屬是金、銀、鉑金或鋁。5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項所述的表面等離子體增強量子阱紅外探測器，其特征在于， 所述光柵之間的周期為3.2μπι。6. -種表面等離子體增強量子阱紅外探測器的制備方法，其特征在于所述制備方法包 括如下步驟： (1) 外延片預(yù)處理； (2) 在所述外延片一側(cè)上進行底接觸層生長，多量子阱層生長以及對應(yīng)頂部接觸層生 長； (3) 對頂部接觸層光刻，形成光柵結(jié)構(gòu)； (4) 在頂部接觸層上生長絕緣保護層； (5) 在所述絕緣保護層上通過光刻開設(shè)電極窗口，所述電極窗口開設(shè)至下部的頂部接 觸層； (6) 在所述電極窗口處沉積金屬電極層，所述金屬電極層與所述頂部接觸層以及所述 光柵接觸。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述頂部接觸層為GaAs頂部接觸層， 所述金屬電極層的金屬是金、銀、鉑金或鋁。8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述外延片的另一側(cè)制作UBM層，在所 述UBM層上進一步沉積銦柱，并且所述探測器經(jīng)過封裝形成單管。9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，步驟（1)中的預(yù)處理為通過超聲波和 特定溶液對所述外延片進行清洗。10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述光柵結(jié)構(gòu)為圓孔狀陣列光柵。
【文檔編號】H01L31/18GK105870219SQ201610388352
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月2日
【發(fā)明人】陳良惠, 廖垠鑫, 宋國峰, 徐云
【申請人】中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所