多重光散射耦合的量子阱红外探测器

摘要

本发明公开了一种多重光散射耦合的量子阱红外探测器，该探测器由衬底层，依次逐层生长的下电极层、50个周期的多量子阱层、上电极层，在上电极层上有一浸没在有机粘胶剂中的金属小球或表面镀有金属的小球所形成的列阵层，列阵层上有一金属接触层，金属接触层上有一通过倒装焊接互连的读出电路，实现探测信号的读出。本发明的优点是：1.金属小球列阵取代了传统的光栅，通过金属小球之间的多重光散射产生能够被量子阱子带跃迁吸收的电矢量，该电矢量平行于量子阱层的分量，完成正入射光对量子阱的耦合。2.由金属小球列阵替代了传统的倒焊互连的铟柱，形成各向异性导电层，完成导电功能。由于以上特点，一方面能够提高正入射光的耦合效率，另一方面省去了铟柱的生长，简化了倒焊工艺。

说明书

技术领域

本发明涉及量子阱红外探测器，具体是指n型半导体量子阱红外探测器。

背景技术

在目前的量子阱红外探测器中，最接近商业性生产的是n型GaAs/AlGaAs多量子阱红外焦平面器件，已有法国、美国等公司即将完成商业开发，其规模已到256×256甚至512×512，为此焦平面上的光敏元尺寸在线度上也到了30微米甚至更小的程度。但由于在原理上这类红外探测器对正入射的红外辐射无响应，人们必须在焦平面器件上采用光栅耦合的基本结构。光栅的具体结构参数对红外辐射的耦合效率较为敏感，为此光栅必需进行精细地制备，这无疑增加了量子阱红外焦平面器件的制备难度，使器件在刻蚀工艺的精度控制上需要从对30微米尺度图形的控制提高到对3微米尺度图形的控制。虽然光栅结构给量子阱红外焦平面器件制备，特别是大规模焦平面器件制备带来了较大的困难，但光栅是量子阱焦平面探测器中最适合实际应用的结构，目前被广泛地应用于焦平面器件的研发中。人们也清楚地看到，量子阱器件在正入射条件下不能实现探测已构成了这类探测器的主要缺点之一，虽然光栅的制备可以解决这一原理上的缺点，但这是通过牺牲了工艺上的简便性来实现的。所以人们期望着能有一不牺牲工艺的简便性，同时又能象光栅那样进行有效光电耦合的量子阱红外探测器。

发明内容

本发明的目的就是要提出一种通过多重光散射实现象光栅那样进行有效光电耦合的量子阱红外探测器。

本发明的多重光散射耦合的量子阱红外探测器，包括：衬底层1，在衬底层上通过分子束外延或金属有机化学汽相沉积依次逐层生长的下电极层2、50个周期的多量子阱层3、上电极层4，其特征在于：在上电极层4上有一浸没在有机粘胶剂中的金属小球或表面镀有金属的小球所形成的列阵层5，列阵层5上有一金属接触层6，金属接触层6上有一通过倒装焊接互连的读出电路7，实现探测信号的读出。

所说的多量子阱层3为基于导带子带间跃迁的n型半导体多量子阱层，如GaAs/AlGaAs、InGaAs/InAlAs/InP、InGaAs/GaAs。

所说的金属小球的直径与所探测的红外波长有关，金属小球的直径在探测波长的四分之一到五分之一之间。

所说的金属小球与金属小球的间距与所探测的红外波长有关，球与球之间的间距在探测波长的三分之十到三分之八之间。

本发明基于的工作原理是：采用金属小球列阵替代传统的二维光栅，由于小球形成的列阵对光的多重散射作用，光线传播方向发生了改变，形成的电矢量平行于量子阱平面的传播，一方面使得量子阱子带间跃迁能够实现，另一方面有效地增加了光线在量子阱中传播的距离，从而增加了吸收厚度。此外，由于省去了光栅的制备和铟柱的生长与互连，采用本发明的工艺步骤，完全类似于大规模集成电路中的倒装焊工艺，极大地简化了工艺环节。

本发明的优点在于：

1在多量子阱焦平面红外探测器的光电耦合结构中提出新的设计，能够取代传统的光栅耦合这一主要途径，直接利用有机粘胶剂中的金属小球所形成的列阵对入射光的多重散射作用来进行光耦合，通过这样的耦合方式能够得到更高的耦合效率。随着光敏元尺寸的减小，光敏元上制备均匀的光栅变到越来越困难，而采用本发明的金属小球多重光散射耦合设计将可完全克服这一工艺困难，为此对发展大规模焦平面器件是很有利的。

2由于采用金属小球对量子阱红外探测器光敏元与读出电路进行倒装焊接互连，省去了铟柱的生长和光刻等步骤，可大大降低制备的工艺难度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，图中尖头表示被探测的红外光入射后经金属小球列阵多重光散射之后的传播示意。

图2是采用本发明的结构，在金属小球列阵下表面0.5μm处衍射光场的二维分布示意图。

图3是采用本发明的结构，在光敏元水平方向不同位置上光场强度随着离开小球列阵表面向下进入量子阱层的距离的变化关系。

图4是采用本发明的金属小球列阵耦合及标准45度磨角耦合得到的量子阱探测器的量子效率的比较。

具体实施方式

下面以峰值探测波长为9.5μm的GaAs/Al_xGa_1-xAs量子阱红外探测器为例，结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

见图1，本发明所涉及的量子阱红外探测器，包括：GaAs衬底层1，在GaAs衬底层1上通过分子束外延或金属有机化学汽相沉积依次逐层生长：

n型掺杂的GaAs下电极层2，掺杂浓度为1.0×10¹⁸cm^-3；

50个周期的多量子阱层3；

n型掺杂的GaAs上电极层4；

在GaAs上电极层4上分布有与上电极层4牢固接触的浸没在有机粘胶剂中的金属小球所形成的列阵层5。覆盖的金属小球层的面积应为光敏元的面积。在金属小球所形成的列阵层5上蒸发一层金属接触层6，金属接触层6与读出电路7倒装焊接互连，实现电接触。所说的有机粘胶剂为环氧树脂或硅胶。

所说的50个周期的多量子阱层3，每个周期包括1个55-60nm的Al_xGa_1-xAs势垒层，其中x＝0.3；1个6-7nm的GaAs势阱层，其中势阱层的掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3。

针对探测波长9.5μm，本实施例采用的金属小球半径为1μm，形成周期为3μm的列阵。在此条件下，严格的理论计算表明，由于小球形成的列阵对光的多重散射作用，光线传播方向发生了改变，形成电矢量平行于量子阱平面的传播。其衍射光场的二维分布如图2所示。而沿传播方向光强的衰减分布如图3所示。

图4给出了采用本发明的耦合方式所得到的耦合量子效率。同时给出了标准的采用45度磨角耦合的量子效率。该结果表明，采用本发明的耦合方法，光耦合的量子效率最高能够达到0.66，远高于磨角耦合的最大值0.38，也高于Yeong-Cheng等人采用的二维光栅耦合的0.52，具体见文献Yeong-Cheng Wang andSheng S.Li，Design of a two-dimensional square mesh metal grating coupler for aminiband transport GaAs quantum-well infrared photodetector，JOURNAL OFAPPLIED PHYSICS Vol.75，P.582。