一种表面等离子体增强量子阱红外探测器及其制备方法
【专利摘要】一种表面等离子体增强量子阱红外探测器，所述探测器包括顶部接触层，其中所述顶部接触层上有刻蚀的光栅结构；所述顶部接触层之上设置有沉积的绝缘保护层；所述绝缘保护层上设置有向下刻蚀出的电极窗口，所述电极窗口开设至下部的顶部接触层；在所述电极窗口处沉积有金属电极层，所述金属电极层与所述顶部接触层以及所述光栅接触。该红外探测器通过将金属电极层与含光栅的顶部接触层的接触，在金属与接触层的接触处形成了表面等离子激元，增强了量子阱红外探测器的外量子效率。
【专利说明】
-种表面等离子体増强量子阱红外探测器及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明属于红外量子阱探测器领域，具体设及一种表面等离子体增强的长波量子 红外阱探测器，W及一种表面等离子增强量子阱红外探测器的制备方法。
【背景技术】
[0002] 自19世纪早期，天文学家William化rschel在天体观测的过程中发现了红外福射 的存在之后，人们对于运种看不见的光便产生了浓厚的兴趣，通过各种手段想要对于运种 看不见的光进行检测，分析和研究。通过长达数百年的研究，红外探测器被广泛应用于各行 各业，在工业上，通过使用红外线探测，能够发现一些肉眼观察不到的异常发热，高溫的区 域，可W用于进行红外探伤，医学上通过检测人体中红外线的异常，能够探测一些疾病的病 原，同时红外线探测与纳米机器人结合能够跟方便的使得纳米机器人定位病原在疾病检测 和治疗方面取得了进一步的发展，在军事上，随着技术的发展，红外探测用于预警，侦察，审U 导W及成像方面的优势愈发明显，在恶劣的天气下红外福射仍然能有较强的穿透力，能够 为整个战场的战局级战术的指导提供重要的作用，可W说红外探测技术发展对于一个国家 的军事实力的发展有着至关重要的作用。
[0003] 而现今较为主流的量子阱红外光电探测器（QWIPs)由于易于形成大规模灵敏度 高，探测率高，低功耗，低成本，高均匀性高分辨率的焦平面探测器，而且通过结构调整可W 形成双色焦平面探测器，在焦平面(FPA)阵列的制造上占有非常重要的地位。然而QWIPs存 在入射红外福射的选择吸收性，运严重限制了量子阱红外探测器的外量子效率，通常通过 一些表面入射光禪合结构的制作能有效的提高其外量子效率。通过结合近年来兴起的表面 等离子激元增强技术能够更有效的实现量子阱红外探测器的入射光禪合，提高量子阱红外 探测器的外量子效率。
[0004] 1998年，T.W.E化esen的研究小组发现，当光通过亚波长孔阵的时候发生的异常透 射现象化0T)，并逐渐把运个效应应用在激光器和探测器领域上。2010年，美国西北大学的 一个研究小组成功尝试了将微纳结构制作在了 InGaAs/InP结构的多量子阱红外激光器上， 而后K. K.化0 i的研究小组还针对运种结构提出了尺寸优化设计方案。
[0005] 西北大学研究小组的研究中，在整个量子阱红外探测器结构中引入了金属光栅结 构从而成功引入表面等离子激元，增强了量子阱红外探测器的探测率，然而其在制备工艺 上通过多淀积一步金属光栅来实现表面等离子激元的引入，同时其在金属层上进行刻蚀， 限制了表面等离子激元的效果的同时增加了工艺难度和工艺要求。
【发明内容】
[0006] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种等离子体增强的量子阱红外探测器W及制 备方法，W克服量子阱红外探测器的外量子效率低、制备工艺复杂W及难度较高等问题。
[0007] 为实现上述目的，本发明提出一种表面等离子体增强量子阱红外探测器，所述探 测器包括外延片，W及顺次制作在所述外延片一侧上的底部接触层、多量子阱层和顶部接 触层，其中：所述顶部接触层上具有刻蚀的光栅结构;所述顶部接触层之上设置有绝缘保护 层;在所述绝缘保护层上，设置有向下刻蚀出的电极窗口，所述电极窗口开设至下部的顶部 接触层的上下表面之间；W及在所述电极窗口处沉积有金属电极层，所述金属电极层与所 述顶部接触层W及所述光栅接触。
[0008] 根据本发明的一种【具体实施方式】，所述顶部接触层为GaAs顶部接触层。
[0009] 根据本发明的一种【具体实施方式】，所述外延片的另一侧制作有UBM(凸点下金属） 层，所述UBM层上沉积有铜柱，并且所述探测器经过封装形成单管。
[0010] 根据本发明的一种【具体实施方式】，所述金属电极层的金属是金，银，销金或侣。
[0011] 根据本发明的一种【具体实施方式】，所述光栅的周期为3.2μπι。
[0012] 本发明还提供一种表面等离子体增强量子阱红外探测器的制备方法，方法包括如 下步骤：
[OOU] (1)外延片预处理；
[0014] (2)在所述外延片上依次进行底接触层生长，多量子阱层生长W及对应顶部接触 层生长；
[0015] (3)对顶部接触层光刻，形成光栅结构；
[0016] (4)在顶部接触层上生长绝缘保护层；
[0017] (5)在所述绝缘保护层上通过光刻开设电极窗口，所述电极窗口开设至下部的顶 部接触层；
[0018] (6)在所述电极窗口处沉积金属电极层，所述金属电极层与所述顶部接触层W及 所述光栅接触。
[0019] 根据本发明的一种【具体实施方式】，在制备方法中，所述顶部接触层为GaAs顶部接 触层，所述金属电极层的金属是金，银，销金或侣。
[0020] 根据本发明的一种【具体实施方式】，在制备方法中，所述外延片的另一侧制作UBM 层，在所述UBM层上进一步沉积铜柱，并且所述探测器经过封装形成单管。
[0021] 根据本发明的一种【具体实施方式】，在制备方法中，步骤（1)中的预处理为通过超声 波和特定溶液对所述外延片进行清洗。
[0022] 根据本发明的一种【具体实施方式】，在制备方法中，所述光栅结构为圆孔状阵列光 栅。
[0023] 根据本发明的一种【具体实施方式】，在制备方法中，所述光栅的周期为3.2μπι。
[0024] 基于上述技术方案可知，本发明的红外探测器具有W下有益效果：
[0025] (1)通过将金属电极层与含光栅的顶部接触层的接触，在金属与接触层的接触处 形成了表面等离子激元，增强了量子阱红外探测器的外量子效率；
[0026] (2)通过将光栅周期设置为3.2皿，结合金光栅和GaAs顶部接触层，圆形孔状阵列 光栅结构，可W实现对9μπι红外波段的探测；
[0027] (3)通过在所述电极窗口处沉积金属电极层，所述金属电极层与所述顶部接触层 W及所述光栅接触，将量子阱红外探测器制作工艺与激发表面等离子体的微纳结构工艺有 机整合起来，从而更为简单快捷的通过引入表面等离子激元来增强量子阱红外探测器的探 测效果，同时进一步提高微纳结构提供的禪合效果，提高探测器的探测率。
【附图说明】
[0028] 图1为本发明具体实施方案一的探测器的横截面示意图；
[0029] 图2为本发明具体实施方案一的探测器的结构示意图；
[0030] 图3为本发明具体实施方案一的探测器的制备方法的工艺流程图。
【具体实施方式】
[0031] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，W下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0032] 在本发明中，"之上"仅表示各层之间的相对关系，如顶部接触层"之上"包括绝缘 保护层，则绝缘保护层可位于顶部接触层的相邻上方或者至少部分与所述顶部接触层接 触，或者绝缘保护层可位于顶部接触层的非相邻的上方或者至少部分与所述顶部接触层重 叠，"之下"具有类似含义。
[0033] 具体实施方案一：
[0034] 根据图3所示，本发明提供一种基于表面等离子激元增强的长波红外量子阱红外 探测器的制备方法，包括W下步骤：
[0035] 外延片准备及台面制作：外延片使用GaAs外延片，对其表面进行清洗W去除表面 杂质，单管台面尺寸直径在50-60μπι，主要是考虑到纳米结构区域的作用效果。考虑到现有 的量子阱红外探测其技术，外延片也可使用ΙηΡ外延W及其他可W用在量子阱红外探测器 中的外延片。
[0036] 底部接触层生长:在GaAs外延片上通过使用M0CVD生长技术，生长1层500-800nm厚 度的GaAs接触层，同理该接触层也可使用基于其他材料体系的量子阱红外探测器的接触层 材料。
[0037] 多量子阱区生长：WGaAs/InGaAs多量子阱为例，通过M0CVD在下接触层上生长多 量子阱层，层数在40-60层，材料体系可W为GaAs^nGaAs体系，也可W是InP/InGaAs材料体 系。
[0038] 顶部接触层生长：在多量子阱层上方通过M0CVD的方法生长顶部接触层，厚度为 300-500nm，顶部接触层材料与底接触层材料一致。
[0039] 顶部接触层光刻:在顶部接触层上方进行光刻，依据SPPs波矢补偿的相关原理，其 具体公式为
，所述kssp为光栅周期（圆形孔状阵列 光栅中相邻两个光栅中屯、的距离），α和0为常数，Em为金属材料介电常数，Ed为顶部接触层材 料介电常数，通过已知的界面两端材料的对应介电常数参数，能够计算得到对应波长所使 用的光栅的结构W及对应的各个周期，运里我们采用的对应9WI1长波波段的量子阱红外探 测器，对应金光栅和GaAs顶部接触层，圆形孔状阵列光栅结构，最终选取的光栅周期为3.化 m(参见图2)。
[0040] 绝缘层淀积:在顶部接触层上方使用PECVD方法淀积一层厚度为350-400皿的绝缘 层，依据材料可W使用Si化或者Si3N4等绝缘材料，在此我们使用Si3N4。
[0041] 制作隔离窗口：在台面上套刻出电极引入窗口，将对应窗口留下的Si3N4绝缘介质 通过湿法腐蚀的方法进行腐蚀去除，之后对整个形成光刻图案的顶部接触层进行清洁，获 得一个清洁的接触层表面。
[0042] 金属电极淀积即金属光栅结构制作:在制作好的隔离窗口淀积薄层Au/Pt制作欧 姆接触，在欧姆接触的合金上淀积厚度的金属金电极。
[0043] 将底接触层面的衬底减薄至150-200μπι，同时进行抛光，作为入射面使用。
[0044] 在金属电极窗口面淀积UBM，封装之后生长铜柱，倒扣在读出电路上。并测试相关 的探测器性能。
[0045] 图1为所得探测器的截面示意图。图中1为经过减薄抛光的衬底，2衬底上方生长的 底部接触层，3为量子阱探测器有源区，4为顶部接触层，5为金属光栅结构及电极。
[0046] W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，应理解的是，W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。
【主权项】
1. 一种表面等离子体增强量子阱红外探测器，所述探测器包括外延片，以及顺次制作 在所述外延片一侧上的底部接触层、多量子阱层和顶部接触层，其中， 所述顶部接触层上具有刻蚀的光栅结构； 所述顶部接触层之上设置有绝缘保护层； 在所述绝缘保护层上，设置有向下刻蚀出的电极窗口，所述电极窗口开设至下部的顶 部接触层的上下表面之间；以及 在所述电极窗口处沉积有金属电极层，所述金属电极层与所述顶部接触层以及所述光 栅接触。2. 根据权利要求1所述的表面等离子体增强量子阱红外探测器，其特征在于，所述顶部 接触层为GaAs顶部接触层。3. 根据权利要求1所述的表面等离子体增强量子阱红外探测器，其特征在于，所述外延 片的另一侧制作有UBM层，所述UBM层上沉积有铟柱，并且所述探测器经过封装形成单管。4. 根据权利要求1所述的表面等离子体增强量子阱红外探测器，其特征在于，所述金属 电极层的金属是金、银、铂金或铝。5. 根据权利要求1-4任一项所述的表面等离子体增强量子阱红外探测器，其特征在于， 所述光栅之间的周期为3.2μπι。6. -种表面等离子体增强量子阱红外探测器的制备方法，其特征在于所述制备方法包 括如下步骤： (1) 外延片预处理； (2) 在所述外延片一侧上进行底接触层生长，多量子阱层生长以及对应顶部接触层生 长； (3) 对顶部接触层光刻，形成光栅结构； (4) 在顶部接触层上生长绝缘保护层； (5) 在所述绝缘保护层上通过光刻开设电极窗口，所述电极窗口开设至下部的顶部接 触层； (6) 在所述电极窗口处沉积金属电极层，所述金属电极层与所述顶部接触层以及所述 光栅接触。7. 根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述顶部接触层为GaAs顶部接触层， 所述金属电极层的金属是金、银、铂金或铝。8. 根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述外延片的另一侧制作UBM层，在所 述UBM层上进一步沉积铟柱，并且所述探测器经过封装形成单管。9. 根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤（1)中的预处理为通过超声波和 特定溶液对所述外延片进行清洗。10. 根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述光栅结构为圆孔状阵列光栅。
【文档编号】H01L31/18GK105870219SQ201610388352
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月2日
【发明人】陈良惠, 廖垠鑫, 宋国峰, 徐云
【申请人】中国科学院半导体研究所