專利名稱：多重光散射耦合的量子阱紅外探測器的制作方法
技術領域：
本發明涉及量子阱紅外探測器，具體是指n型半導體量子阱紅外探測器。
背景技術：
在目前的量子阱紅外探測器中，最接近商業性生產的是n型GaAs/AlGaAs多 量子阱紅外焦平面器件，已有法國、美國等公司即將完成商業開發，其規模己到 256x256甚至512x512，為此焦平面上的光敏元尺寸在線度上也到了 30微米甚至 更小的程度。但由于在原理上這類紅外探測器對正入射的紅外輻射無響應，人們必 須在焦平面器件上采用光柵耦合的基本結構。光柵的具體結構參數對紅外輻射的耦 合效率較為敏感，為此光柵必需進行精細地制備，這無疑增加了量子阱紅外焦平面 器件的制備難度，使器件在刻蝕工藝的精度控制上需要從對30微米尺度圖形的控 制提高到對3微米尺度圖形的控制。雖然光柵結構給量子阱紅外焦平面器件制備， 特別是大規模焦平面器件制備帶來了較大的困難，但光柵是量子阱焦平面探測器中 最適合實際應用的結構，目前被廣泛地應用于焦平面器件的研發中。人們也清楚地 看到，量子阱器件在正入射條件下不能實現探測已構成了這類探測器的主要缺點之 一，雖然光柵的制備可以解決這一原理上的缺點，但這是通過犧牲了工藝上的簡便 性來實現的。所以人們期望著能有一不犧牲工藝的簡便性，同時又能象光柵那樣進 行有效光電耦合的量子阱紅外探測器。
發明內容
本發明的目的就是要提出一種通過多重光散射實現象光柵那樣進行有效光電 耦合的量子阱紅外探測器。
本發明的多重光散射耦合的量子阱紅外探測器，包括襯底層l，在襯底層上 通過分子束外延或金屬有機化學汽相沉積依次逐層生長的下電極層2、50個周期的
多量子阱層3、上電極層4，其特征在于在上電極層4上有一浸沒在有機粘膠劑 中的金屬小球或表面鍍有金屬的小球所形成的列陣層5，列陣層5上有一金屬接觸 層6，金屬接觸層6上有一通過倒裝焊接互連的讀出電路7，實現探測信號的讀出。
所說的多量子阱層3為基于導帶子帶間躍遷的n型半導體多量子阱層，如 GaAs/AlGaAs、 InGaAs/InAlAs/InP、 InGaAs/GaAs。
所說的金屬小球的直徑與所探測的紅外波長有關，金屬小球的直徑在探測波 長的四分之一到五分之一之間。
所說的金屬小球與金屬小球的間距與所探測的紅外波長有關，球與球之間的 間距在探測波長的三分之十到三分之八之間。
本發明基于的工作原理是釆用金屬小球列陣替代傳統的二維光柵，由于小 球形成的列陣對光的多重散射作用，光線傳播方向發生了改變，形成的電矢量平行 于量子阱平面的傳播， 一方面使得量子阱子帶間躍遷能夠實現，另一方面有效地增 加了光線在量子阱中傳播的距離，從而增加了吸收厚度。此外，由于省去了光柵的 制備和銦柱的生長與互連，采用本發明的工藝步驟，完全類似于大規模集成電路中 的倒裝焊工藝，極大地簡化了工藝環節。
本發明的優點在于
1在多量子阱焦平面紅外探測器的光電耦合結構中提出新的設計，能夠取代 傳統的光柵耦合這一主要途徑，直接利用有機粘膠劑中的金屬小球所形成的列陣對 入射光的多重散射作用來進行光耦合，通過這樣的耦合方式能夠得到更高的耦合效
率。隨著光敏元尺寸的減小，光敏元上制備均勻的光柵變到越來越困難，而采用本 發明的金屬小球多重光散射耦合設計將可完全克服這一工藝困難，為此對發展大規 模焦平面器件是很有利的。
2 由于采用金屬小球對量子阱紅外探測器光敏元與讀出電路進行倒裝焊接 互連，省去了銦柱的生長和光刻等步驟，可大大降低制備的工藝難度。
圖1是本發明的結構示意圖，圖中尖頭表示被探測的紅外光入射后經金屬小 球列陣多重光散射之后的傳播示意。
圖2是采用本發明的結構，在金屬小球列陣下表面0.5 )im處衍射光場的二維 分布示意圖。
圖3是采用本發明的結構，在光敏元水平方向不同位置上光場強度隨著離開小 球列陣表面向下進入量子阱層的距離的變化關系。
圖4是采用本發明的金屬小球列陣耦合及標準45度磨角耦合得到的量子阱探 測器的量子效率的比較。
具體實施例方式
下面以峰值探測波長為9.5 pm的GaAs/AUGakAs量子阱紅外探測器為例，結 合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步的詳細說明。
見圖l，本發明所涉及的量子阱紅外探測器，包括GaAs襯底層l，在GaAs
襯底層1上通過分子束外延或金屬有機化學汽相沉積依次逐層生長
n型摻雜的GaAs下電極層2，慘雜濃度為1.0x1018 cm—3; 50個周期的多量子阱層3; n型摻雜的GaAs上電極層4; 在GaAs上電極層4上分布有與上電極層4牢固接觸的浸沒在有機粘膠劑中的 金屬小球所形成的列陣層5。覆蓋的金屬小球層的面積應為光敏元的面積。在金屬 小球所形成的列陣層5上蒸發一層金屬接觸層6，金屬接觸層6與讀出電路7倒裝 焊接互連，實現電接觸。所說的有機粘膠劑為環氧樹脂或硅膠。
所說的50個周期的多量子阱層3，每個周期包括1個55-60 ■的A^Ga^As 勢壘層，其中x^0.3; l個6-7nm的GaAs勢阱層，其中勢阱層的摻雜濃度為5xl017
<formula>formula see original document page 6</formula>針對探測波長9.5 pm，本實施例采用的金屬小球半徑為1 jim，形成周期為3 jam 的列陣。在此條件下，嚴格的理論計算表明，由于小球形成的列陣對光的多重散射 作用，光線傳播方向發生了改變，形成電矢量平行于量子阱平面的傳播。其衍射光 場的二維分布如圖2所示。而沿傳播方向光強的衰減分布如圖3所示。
圖4給出了采用本發明的耦合方式所得到的耦合量子效率。同時給出了標準 的采用45度磨角耦合的量子效率。該結果表明，采用本發明的耦合方法，光耦合 的量子效率最高能夠達到0.66，遠高于磨角耦合的最大值0.38，也高于 Yeong-Cheng等人采用的二維光柵耦合的0.52，具體見文獻Yeong-Cheng Wang and Sheng S. Li, Design of a two-dimensional square mesh metal grating coupler for a miniband transport GaAs quantum-well infrared photodetector, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS Vol.75, P.582。
權利要求
1.一種多重光散射耦合的量子阱紅外探測器，包括襯底層(1)，在襯底層上通過分子束外延或金屬有機化學汽相沉積依次逐層生長的下電極層(2)、50個周期的多量子阱層(3)、上電極層(4)，其特征在于在上電極層(4)上有一浸沒在有機粘膠劑中的金屬小球所形成的列陣層(5)，列陣層(5)上有一金屬接觸層(6)，金屬接觸層(6)上有一通過倒裝焊接互連的讀出電路(7)，實現探測信號的讀出；所說的金屬小球的直徑和金屬小球之間的間距與所探測的紅外波長有關。
2. 根據權利要求1的一種多重光散射耦合的量子阱紅外探測器，其特征在于 所說的金屬小球的直徑為探測波長的四分之一到五分之一之間。
3. 根據權利要求1的一種多重光散射耦合的量子阱紅外探測器，其特征在于 所說的金屬小球與金屬小球的間距為探測波長的三分之十到三分之八之間。
4. 根據權利要求1的一種多重光散射耦合的量子阱紅外探測器，其特征在于 所說的多量子阱層(3)為基于導帶子帶間躍遷的n型半導體多量子阱層。
5. 根據權利要求1的一種多重光散射耦合的量子阱紅外探測器，其特征在于:所說的金屬小球為表面鍍有金屬層的小球或金屬材料制成的小球。
6. 根據權利要求4的一種多重光散射耦合的量子阱紅外探測器，其特征在于: 基于導帶子帶間躍遷的n型半導體多量子阱層為GaAs/AlGaAs、InGaAs/InAlAs/InP 或InGaAs/GaAs。
全文摘要
本發明公開了一種多重光散射耦合的量子阱紅外探測器，該探測器由襯底層，依次逐層生長的下電極層、50個周期的多量子阱層、上電極層，在上電極層上有一浸沒在有機粘膠劑中的金屬小球或表面鍍有金屬的小球所形成的列陣層，列陣層上有一金屬接觸層，金屬接觸層上有一通過倒裝焊接互連的讀出電路，實現探測信號的讀出。本發明的優點是1.金屬小球列陣取代了傳統的光柵，通過金屬小球之間的多重光散射產生能夠被量子阱子帶躍遷吸收的電矢量，該電矢量平行于量子阱層的分量，完成正入射光對量子阱的耦合。2.由金屬小球列陣替代了傳統的倒焊互連的銦柱，形成各向異性導電層，完成導電功能。由于以上特點，一方面能夠提高正入射光的耦合效率，另一方面省去了銦柱的生長，簡化了倒焊工藝。
文檔編號H01L25/16GK101188234SQ20071017190
公開日2008年5月28日 申請日期2007年12月7日 優先權日2007年12月7日
發明者波 張, 寧 李, 李天信, 李志鋒, 熊大元, 甄紅樓, 衛 陸, 陳平平, 陳效雙 申請人:中國科學院上海技術物理研究所