高速量子级联红外探测器及其制作方法与流程

本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种高速红外光电探测器及其制造方法。

背景技术：

自由空间光通信系统是一种以大气为传输媒介进行高速、有效数据传输的新型通信技术。该技术能够提供足够高的带宽，相当好的防窃听能力，并且不需要复杂昂贵的光纤系统。由于自由空间光通信系统的传输通道是自由空间，受诸如大气分子吸收，悬浮粒子对光的散射，雾、雨、雪等各种因素的影响，使其传输通道更为复杂和具有不可控性。鉴于这种特殊性，自由空间通信的光载波波长一般位于中远红外波段，尤其是3-5μm和8～14μm的两个大气窗口，以获得更稳定高效的传输性能。在中远红外波段，目前广泛使用的是光导型量子阱高速探测器(QWIPs)，该类探测器一般工作在液氮温度下，且需要配套外置的偏置源，器件暗电流也较大，容易使外部读出电路的电容饱和。因此，本发明所述的零偏置、高响应速度、低暗电流、高温度稳定性的红外探测器具有重要意义。

技术实现要素：

本发明提供了一种高速红外光电探测器及其制造方法，探测器为具有高本征响应速度的光伏型量子级联探测器，其响应波长通过能带工程很容易实现在中远红外范围内调节，采用化学腐蚀的方法，获得小尺寸的探测器有源区台面(≤50×50μm²)，探测器的上下电极采用共面传输线结构，信号电极和地电极分别为探测器的两电极，信号电极与探测器上接触电极间采用空气桥结构连接，测试及应用时仅需将探头或接头与CPW传输线相接触即可。

本发明提供一种高速量子级联红外探测器，包括：

一衬底，该衬底为矩形，其一端向下为一斜面；

一CPW地电极层，其制作在衬底上，该CPW地电极层开有一喇叭形的开口；

一CPW信号电极层，其制作在衬底上面，并位于CPW地电极层上的喇叭形开口的中间，该CPW信号电极层为锥形；

一下接触电极层，其制作在CPW地电极层上的喇叭形开口的端部，与衬底和CPW地电极层接触；

一周期性量子阱垒层，其制作在下接触电极层上面的中间；

一上接触电极层，其制作在周期性量子阱垒层上；

一空气桥连接结构，其一端连接CPW信号电极层，另一端连接上接触电极层。

本发明还提供一种高速量子级联红外探测器的制作方法，包括如下步骤：

步骤1：在一衬底上依次生长下接触电极层、周期性量子阱垒层和上接触电极层；

步骤2：在上接触电极层向下刻蚀，刻蚀深度到达下接触层的表面，在下接触层上面的一侧形成一岛形；

步骤3：将岛形周围的下接触层刻蚀掉，暴露出衬底；

步骤4：在岛形的一侧涂光刻胶；

步骤5：在暴露出的衬底上面蒸镀CPW地电极层；

步骤6：在CPW地电极层刻蚀出一喇叭形的开口，该喇叭形的开口21的中间形成一锥形的CPW信号电极层，该一喇叭形的开口的端部与接触层接触；

步骤7：在CPW地电极层、CPW信号电极层和空气桥连接结构上电镀一层金；

步骤8：将衬底靠近岛形的一侧的端面磨制一向下的45度斜面，完成制备。

从上述技术方案可以看出，本发明提供的一种高速量子级联红外探测器，具有以下有益效果：

1.本发明提供的红外探测器采用了量子级联探测器，该探测器可以零偏置、低噪声、室温工作，同时本征响应速度高，响应波长易于调节。

2.本发明提供的红外探测器采用小尺寸的有源区台面，减小了芯片的电容。

3.本发明采用了空气桥结构，空气桥结构电容填充介质为空气，使寄生电容减小到最小，同时消除金丝连接所带来的寄生电感的影响。

4.本发明采用共面传输线作为探测器电极，减小了高频信号在传输过程中的损耗，提高了探测器高速信号的采集能力。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：

图1为本发明提供的高速红外探测器的结构示意图；

图2为本发明的制备流程图；

图3为本发明的工艺流程结构图。

图4为根据本发明的一个实例的量子级联探测器的能带结构图。

图5为根据本发明的一个实例的量子级联探测器的频率响应曲线图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种高速量子级联红外探测器，包括：

一衬底1，该衬底1为矩形，其一端向下为一斜面，所述的衬底1为半绝缘衬底，材料为InP材料；该斜面为一抛光45°角斜面，红外光垂直所述斜面入射，此入射方式可使量子级联探测器对入射光的吸收利用效率达到最优水平；

一CPW地电极层2，其制作在衬底1上，该CPW地电极层2开有一喇叭形的开口21；

一CPW信号电极层3，其制作在衬底1上面，并位于CPW地电极层2上的喇叭形开口21的中间，该CPW信号电极层3为锥形；

一下接触电极层4，其制作在CPW地电极层2上的喇叭形开口21的端部，与衬底1和CPW地电极层2接触；由地电极层2和信号电极层3构成的CPW传输线结构特性阻抗为50欧姆，该结构可高效低损的传输高速信号；

一周期性量子阱垒层5，其制作在下接触电极层4上面的中间，该周期性量子阱垒层5为交替生长的铟镓砷和铟铝砷材料；其所述周期性交替生长的铟镓砷阱和铟铝砷垒，组成量子级联结构，在光照下，电子由基态泵浦到高能态，高能态电子经过一系列声子台阶后回到下一个周期的基态，经过多个周期的级联后得到较强的光电流输出；

一上接触电极层6，其制作在周期性量子阱垒层5上；

其中上、下接触电极层6、4为电子施主重掺杂铟镓砷材料；

一空气桥连接结构7，其一端连接CPW信号电极层3，另一端连接上接触电极层6；该空气桥结构7将位于不同平面上的两电极相连，确保信号高速低损耗的从量子级联探测器输出到CPW信号电极层3，然后被相关设备提取使用。

请参阅图2及图3，并结合参阅图1，本发明提供一种高速量子级联红外探测器的制作方法，包括如下步骤：

步骤1：在一衬底1上依次生长下接触电极层4、周期性量子阱垒层5和上接触电极层6，所述的衬底1为半绝缘衬底，材料为InP材料，该周期性量子阱垒层5为交替生长的铟镓砷和铟铝砷材料；该量子级联探测器外延片是采用分子束外延技术生长目标响应波长的超晶格材料；

步骤2：在上接触电极层6向下刻蚀，刻蚀深度到达下接触层4的表面，在下接触层4上面的一侧形成一岛形；刻蚀该岛形探测器台面采用光刻胶掩膜层的办法，光刻胶采用S1805，坚膜时间5min；将制备好掩膜的外延片经过打胶清洁处理后采用H₃PO₄∶H₂O₂∶H₂O＝1∶1∶10腐蚀液对样片进行腐蚀，控制好腐蚀深度至下接触电极层4截止，腐蚀完后去胶，完成岛形探测器台面的制备；

步骤3：将岛形周围的下接触层4刻蚀掉，暴露出衬底1；该步采用稀释的AZ6130光刻胶制作腐蚀掩膜，掩膜胶的厚度为3.5μm左右，此步中光刻胶要有足够的厚度以保护步骤2中完成的探测器台面；

步骤4：在岛形的一侧涂光刻胶；该步采用较厚的光刻胶AZ6130，目标胶厚约4μm；芯片制备完成去胶后，该区域即可形成良好的空气桥连接结构，为便于后面的顺利去胶，该步坚膜温度不能太高，120℃坚膜10min即可；

步骤5：在暴露出的衬底1上面蒸镀CPW地电极层2；镀层为Ti/Au：50nm/100nm；该步采用电子束蒸镀的办法，可以获得质量较高的金镀层，通过步骤7的电镀可进一步获得目标厚度的金层。

步骤6：在CPW地电极层2腐蚀出一喇叭形的开口21，该喇叭形的开口21的中间形成一锥形的CPW信号电极层3，该一喇叭形的开口21的端部与接触层4接触；该步腐蚀采用AZ5214光刻胶作为掩膜，金层腐蚀液利用I₂∶KI∶H₂O＝1∶1∶4，钛层腐蚀液利用HF溶液；

步骤7：在CPW地电极层2、CPW信号电极层3和空气桥连接结构7上电镀一层金；电镀金层厚度为2μm左右，CPW区域的尺寸及电镀层的厚度可根据满足50欧姆特性阻抗的要求来调整；

步骤8：将衬底1靠近岛形的一侧的端面磨制一向下的45度斜面，完成制备，红外光垂直所述斜面入射，该入射方式可以使探测器对入射光的吸收利用效率达到最优水平。

其中上、下接触电极层6、4为电子施主重掺杂铟镓砷材料。

参阅图4及图5，本发明提供一种高速量子级联红外探测器的实施例，包括：一种4.3μm高速室温工作的量子级联探测器的能带图及其20×20μm²，50×50μm²台面尺寸器件的频率响应曲线图。图4展示了量子级联探测器的一个周期的能带图，电子完成A1→A2→B→C→D→E→F→G→H→A的过程为一个周期，经多个重复周期后产生较强的光电流。图5展示出依照本发明之方法制备的4.3μm量子级联探测器20×20μm²，50×50μm²台面尺寸器件的频率响应曲线图，该高速红外探测器具有较高的响应带宽，其中20×20μm²器件为9GHz，50×50μm²器件为4GHz，同时，50×50μm²器件响应高达11mA/W和20×20μm²器件响应为7.8mA/W。该实例体现了本发明探测器的室温、高速、大响应工作的优点。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。