片上集成光谱仪及其制作方法及电子设备与流程

1.本技术涉及半导体器件技术领域，更具体的说，涉及一种片上集成光谱仪及其制作方法及电子设备。


背景技术：

2.光学技术，尤其是光通信技术，因其本身信息承载量大、信息交换速度块、布网成本低以及保密程度高等特殊优势，在信息爆炸的时代得到了长足的发展。尤其当半导体技术不断的发展，电学结构在物理层面不断受到物理极限的限制，光学结构就表现出了更加突出的潜力。
3.光作为一种电磁波，覆盖了非常广泛的波段。而对光学技术研究的核心，就是对光谱结构进行分析，因而光谱仪成为了一种非常重要的科研和生产设备。尤其是覆盖通信波段的光谱仪设备，为了追求宽覆盖、快响应以及高精度等效果，一般都需要采用比较复杂的结构，成本高昂，体积巨大。在一些需要小型化但仍要求高带宽和高精度的应用场景中，例如小型穿戴设备，移动检测设备等，都无法有效的满足应用。因此，光谱仪的小型化和集成化，成为了一种重要的技术方向和需求。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本技术提供了一种片上集成光谱仪及其制作方法及电子设备，方案如下：
5.一种片上集成光谱仪，所述片上集成光谱仪包括：
6.芯片基底，所述芯片基底具有第一表面；
7.位于所述第一表面的探测器阵列，所述探测器阵列包括多个光电探测器，不同所述光电探测器具有不同的波长探测范围；
8.位于所述第一表面的分光系统，所述分光系统用于将入射所述分光系统的光线分为多束与所述光电探测器一一对应的子光束；所述子光束的波长范围位于所对应的光电探测器的波长探测范围内；
9.位于所述第一表面的光波导，所述光波导包括多个与所述子光束一一对应的光波导单元，所述光波导单元用于将所述子光束传输至所述子光束所对应的光电探测器。
10.优选的，在上述片上集成光谱仪中，所述探测器包括异质结，所述异质结包括：层叠设置的第一半导体层和第二半导体层；
11.所述第二半导体层设置在所述第一半导体层背离所述芯片基底一侧的表面，所述第二半导体层为二维材料膜层。
12.优选的，在上述片上集成光谱仪中，所述半导体基底上具有图形化的第一膜层，所述第一膜层包括：所述分光系统、所述第一半导体层以及所述光波导。
13.优选的，在上述片上集成光谱仪中，所述二维材料膜层包括：石墨烯膜层、黑磷膜层、硒化铟膜层、二硫化钼膜层、硒化钨膜层、氮化硼膜层中的一种；
14.不同所述探测器的所述二维材料膜层不同。
15.优选的，在上述片上集成光谱仪中，所述第一半导体层包括第一区域和第二区域，所述第一区域到所述芯片基底的距离大于所述第二区域到所述芯片基底的距离；
16.其中，所述二维材料膜层位于所述第二区域的表面，且露出所述第一区域。
17.优选的，在上述片上集成光谱仪中，所述第一半导体层包括第一区域和第二区域；其中，所述二维材料膜层位于所述第二区域的表面，且露出所述第一区域；
18.还包括：绝缘层，所述绝缘层覆盖分光系统、所述光电探测器以及所述光波导；所述绝缘层背离所述光电探测器的一侧表面具有第一电极和第二电极，所述第一电极通过第一通孔与所述第一区域的所述第一半导体层接触，所述第二电极通过第二通孔与所述二维材料接触。
19.优选的，在上述片上集成光谱仪中，所述芯片基底包括：si基底、inp基底、gaas基底以及铌酸锂基底中的任一者。
20.本技术实施例还提供了一种电子设备，其特征在于，包括：上述任一项所述的片上集成光谱仪。
21.本技术实施例还提供了一种制作方法，用于制作上述任一项所述的片上集成光谱仪，其特征在于，所述制作方法包括：
22.提供一芯片基底，所述芯片基底具有第一表面；
23.在所述第一表面上制备分光系统、光波导以及探测器阵列；
24.其中，
25.所述探测器阵列包括多个光电探测器，不同所述光电探测器具有不同的波长探测范围；
26.所述分光系统用于将入射所述分光系统的光线分为多束与所述光电探测器一一对应的子光束；所述子光束的波长范围位于所对应的光电探测器的波长探测范围内；
27.所述光波导包括多个与所述子光束一一对应的光波导单元，所述光波导单元用于将所述子光束传输至所述子光束所对应的光电探测器。
28.优选的，在上述制作方法中，所述探测器包括异质结，所述异质结包括：层叠设置的第一半导体层和第二半导体层；
29.在所述第一表面上制备分光系统、光波导以及探测器阵列，包括：
30.在所述第一表面上形成缓冲层；
31.在所述缓冲层背离所述芯片基底的一侧表面形成图形化的第一膜层，所述第一膜层包括所述分光系统、所述光波导以及所述第一半导体层；
32.通过二维材料转移技术，在所述第一半导体层背离所述缓冲层的表面设置二维材料膜层，所述二维材料膜层为所述第二半导体层。
33.通过上述描述可知，本技术技术方案提供的片上集成光谱仪及其制作方法及电子设备中，所述片上集成光谱仪包括：芯片基底，所述芯片基底具有第一表面；位于所述第一表面的探测器阵列，所述探测器阵列包括多个光电探测器，不同所述光电探测器具有不同的波长探测范围；位于所述第一表面的分光系统，所述分光系统用于将入射所述分光系统的光线分为多束与所述光电探测器一一对应的子光束；所述子光束的波长范围位于所对应的光电探测器的波长探测范围内；位于所述第一表面的光波导，所述光波导包括多个与所
述子光束一一对应的光波导单元，所述光波导单元用于将所述子光束传输至所述子光束所对应的光电探测器。本技术技术方案所述片上集成光谱仪在同一芯片基底上同时集成有多个波长探测范围不同的光电探测器，通过分光系统以及光波导将入射所述分光系统的光线分为多束与所述光电探测器一一对应的子光束，以便于各个所述光电探测器探测对应波长范围内的子光束，可以实现宽波段的光线探测，且提高了集成度，具有较小的体积。
附图说明
34.为了更清楚地说明本技术实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
35.本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本技术可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本技术所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本技术所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
36.图1为本技术实施例提供的一种片上集成光谱仪的俯视图；
37.图2为图1所示片上集成光谱仪在a-a’方向的切面图；
38.图3为本技术实施例提供的一种片上集成光谱仪的局部切面图；
39.图4为本技术实施例提供的一种片上集成光谱仪的制作方法的方法流程图。
具体实施方式
40.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术中的实施例进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
41.光谱仪的工作原理是通过色散等方式，将一束光分成多个子光束，不同子光束的波长范围不同，再通过准直器等光学部件，将分出的光束集中照射在探测器上，读取光强。光谱仪集成的方案类似，同样需要借助于光栅或微棱镜结构，进行分光。之后利用光波导将光照射到探测器上，实现光探测，并通过计算形成光谱。常规的光谱仪一般是通过独立的分光模块、光传输模块将光线分束后照射到对应探测器上进行光信号探测，系统集成度低，体积大。
42.而且常规光谱仪中，受探测器波长探测范围显示，只能在比较狭窄的波段内工作。而为了进行更宽谱的探测，就需要设置多个波长探测范围不同的探测器，这样对应需要更加复杂的分光模块和光传输模块，会进一步增大系统体积。对于集成芯片来说，不同波段的探测器往往无法做到有效的工艺集成，限制了片上集成光谱仪方案的性能拓展。
43.有鉴于此，本技术技术方案提供了一种片上集成光谱仪及其制作方法及电子设备，所述片上集成光谱仪在同一芯片基底上同时集成有多个波长探测范围不同的光电探测器，通过分光系统以及光波导将入射所述分光系统的光线分为多束与所述光电探测器一一对应的子光束，以便于各个所述光电探测器探测对应波长范围内的子光束，可以实现宽波
段的光线探测，且提高了集成度，具有较小的体积。
44.为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步详细的说明。
45.如图1所示，图1为本技术实施例提供的一种片上集成光谱仪的俯视图，图2为图1所示片上集成光谱仪在a-a’方向的切面图，所述片上集成光谱仪包括：
46.芯片基底11，所述芯片基底11具有第一表面s1；
47.位于所述第一表面s1的探测器阵列12，所述探测器阵列12包括多个光电探测器121，不同所述光电探测器121具有不同的波长探测范围；
48.位于所述第一表面s1的分光系统13，所述分光系统13用于将入射所述分光系统13的光线分为多束与所述光电探测器121一一对应的子光束；所述子光束的波长范围位于所对应的光电探测器121的波长探测范围内；
49.位于所述第一表面的光波导14，所述光波导14包括多个与所述子光束一一对应的光波导单元141，所述光波导单元141用于将所述子光束传输至所述子光束所对应的光电探测器121。
50.本技术实施例提供的片上集成光谱仪中，在同一芯片基底11表面上同时集成有多个波长探测范围不同的所述光电探测器121，能够实现宽波段的光线探测。而且在同一芯片基底11上同时集成有多个波长探测范围不同的光电探测器121，通过分光系统13以及光波导14将入射所述分光系统13的光线分为多束与所述光电探测器121一一对应的子光束，以便于各个所述光电探测器121探测对应波长范围内的子光束，不仅可以实现宽波段的光线探测，还提高了集成度，具有较小的体积。
51.如图2所示，所述探测器121包括异质结，所述异质结包括：层叠设置的第一半导体层121a和第二半导体层121b；所述第二半导体层121b设置在所述第一半导体层121a背离所述芯片基底11一侧的表面，所述第二半导体层121b为二维材料膜层。
52.其中，所述二维材料膜层包括：石墨烯膜层、黑磷膜层、硒化铟(inse)膜层、二硫化钼(mos2)膜层、硒化钨(wse)膜层、氮化硼(bn)膜层中的一种；不同所述探测器121的所述二维材料膜层不同，从而使得不同的所述探测器121具有不同的波长探测范围。例如，二维材料氮化硼搭建的异质结能够探测紫外光以及深紫外光，二维材料二硫化钼搭建的异质结能够探测可见光，二维材料黑磷搭建的异质结能够探测红外光。
53.由于二维材料本身的特性，层间结合力非常的弱，采用剥离等手段可以简单的获得单层的二维材料膜层。在采用不同二维材料膜层的搭建异质结时，不同二维材料膜层在芯片基底11上的混合集成工艺方案没有本质的区别，可以使得基于多种二维材料的多种探测器可以同时集成在同一芯片基底11上，有效解决了常规片上集成光电探测器给光谱仪带来的局限性。
54.本技术实施例所述片上集成光谱仪中，所述半导体基底11上具有图形化的第一膜层，所述第一膜层包括：所述分光系统13、所述第一半导体层121a以及所述光波导14。采用同一膜层，同时制备所述分光系统13、所述第一半导体层121a以及所述光波导14，简化了制作工艺，降低了制作成本。可以先在所述芯片基底11的第一表面s1上形成缓冲层16，在所述缓冲层16上形成所述第一膜层，通过所述缓冲层增加所述第一膜层在所述芯片基底11表面的贴合稳定性。
55.本技术实施例所述片上集成光谱仪中，所述探测器121集成方案的关键在于采用合适带隙的二维材料，进行异质结搭建，形成包括光电探测器121的探测器阵列12，所述探测器阵列12中，所述光电探测器121所采用的二维材料不同，故所述光电探测器121的波长探测范围不同。
56.如上述，常规技术中，不同波段的探测器往往无法做到有效的工艺集成，限制了片上集成光谱仪方案的性能拓展。本技术实施例中，针对常规片上集成光谱仪探测器方案的局限性，采用二维材料薄膜制作所述探测器121，通过二维材料形成的异质结作为所述探测器121，可以采用多种不同的二维材料，制备多个不同波长探测范围的所述探测器121，利用二维材料易于与当前光电芯片工艺集成的特征，制备可以对大带宽光谱进行响应的片上集成光谱仪。而且基于二维材料在波段上广泛覆盖和能隙可调的性质，可以用较少种类的二维材料，制备较少数量的所述探测器121，即可实现从深紫外到红外的全波段覆盖，解决因探测器响应宽度造成的片上光谱仪性能限制的问题。
57.其中，所述芯片基底11包括：硅(si)基底、磷化铟(inp)基底、砷化镓(gaas)基底以及铌酸锂(linbo3)基底中的任一者。
58.如图3所示，图3为本技术实施例提供的一种片上集成光谱仪的局部切面图，结合图1至图3所示，所述第一半导体层121a包括第一区域和第二区域；其中，所述二维材料膜层位于所述第二区域的表面，且露出所述第一区域；所述片上集成光谱仪还包括：绝缘层15，所述绝缘层15覆盖分光系统13、所述光电探测器121以及所述光波导14；所述绝缘层15背离所述光电探测器121的一侧表面具有第一电极121c和第二电极121d，所述第一电极121c通过第一通孔与所述第一区域的所述第一半导体层121a接触，所述第二电极121d通过第二通孔与所述二维材料膜层接触。通过设置所述第一电极121c和所述第二电极121d，可以实现所述片上集成光谱仪与外部电路的连接，以便于外部电路获取所述片上集成光谱仪检测的光谱信息。
59.在图3所示方式中，所述第一半导体层121a的第一区域和第二区域高度相同，即所述第一半导体层121a背离所述芯片基底11的一侧表面为平行于所述芯片基底11的平面。
60.其他方式中，所述第一半导体层121a包括第一区域和第二区域，所述第一区域到所述芯片基底11的距离大于所述第二区域到所述芯片基底11的距离，其中，所述二维材料膜层位于所述第二区域的表面，且露出所述第一区域。由于所述第二区域相对于所述第一区域高度较小，因此在进行二维材料转移时，可以通过第二区域外围的高度较大的第一区域对二维材料进行限位。其中，所述二维材料膜层与下方的第一半导体层121a之间通过范德华力结合固定。可选的，所述第一区域包围所述第二区域。
61.基于上述描述可知，本技术实施例一个核心发明点是，在常规芯片基底11上，如上述si基底、inp基底、gaas基底、或铌酸锂基底上，通过二维材料转移工艺，通过多种二维材料搭建对应多个光电探测器121，一方面，能够利用二维材料易于与当前光电芯片工艺集成的特征，制备可以对大带宽光谱进行响应的片上集成光谱仪；另一方面，基于二维材料在波段上广泛覆盖和能隙可调的性质，可以用较少种类的二维材料，制备较少数量的所述探测器121，即可实现从深紫外到红外的全波段覆盖，解决因探测器响应宽度造成的片上光谱仪性能限制的问题。
62.基于上述实施例，本技术另一实施例还提供了一种电子设备，所述电子设备包括：
上述实施例任一种方式所述的片上集成光谱仪。
63.本技术实施例所述电子设备能够基于所述片上集成光谱仪检测个光谱信息，获取生物参数，所述生物特征参数包括但不局限于乳酸、葡萄糖、水合作用、血压和核心体温等。
64.将多个光电探测器及其所需的分光系统和光波导集成在同一芯片基底上，实现了片上集成光谱仪的微型化，所述电子设备可以为可穿戴设备，如手环或手表，也可以为便携式手持检测设备，可以随时随地检测生物特征数据可以实现持续的、非侵入性的监测多模式生物特征参数。
65.基于上述实施例，本技术另一实施例还提供了一种制作方法，用于制作如上述实施例所述的片上集成光谱仪，其特征在于，所述制作方法如图4所示，图4为本技术实施例提供的一种片上集成光谱仪的制作方法的方法流程图，所述制作方法包括：
66.步骤s11：提供一芯片基底，所述芯片基底具有第一表面；
67.步骤s12：在所述第一表面上制备分光系统、光波导以及探测器阵列；
68.其中，
69.所述探测器阵列包括多个光电探测器，不同所述光电探测器具有不同的波长探测范围；
70.所述分光系统用于将入射所述分光系统的光线分为多束与所述光电探测器一一对应的子光束；所述子光束的波长范围位于所对应的光电探测器的波长探测范围内；
71.所述光波导包括多个与所述子光束一一对应的光波导单元，所述光波导单元用于将所述子光束传输至所述子光束所对应的光电探测器。
72.本技术实施例所述制作方法制备的片上集成光谱仪的结构可以参考上述实施例图示说明。所述制作方法制备的片上集成光谱仪在同一芯片基底上同时集成有多个波长探测范围不同的光电探测器，通过分光系统以及光波导将入射所述分光系统的光线分为多束与所述光电探测器一一对应的子光束，以便于各个所述光电探测器探测对应波长范围内的子光束，可以实现宽波段的光线探测，且提高了集成度，具有较小的体积。
73.本技术实施例所述制作方法中，所述探测器包括异质结，所述异质结包括：层叠设置的第一半导体层和第二半导体层；
74.在步骤s12中，在所述第一表面上制备分光系统、光波导以及探测器阵列，包括：
75.首先，在所述第一表面上形成缓冲层。
76.然后，在所述缓冲层背离所述芯片基底的一侧表面形成图形化的第一膜层，所述第一膜层包括所述分光系统、所述光波导以及所述第一半导体层。基于刻蚀工艺形成所需图形的第一膜层。图形化的第一膜层预留二维材料膜层转移搭建的位置，以便于搭建异质结。其中，可以采用剥离方法，将层状的二维材料剥离成单层的二维材料膜层，如上述所述二维材料膜层包括但不局限于为石墨烯膜层、黑磷膜层、硒化铟(inse)膜层、二硫化钼(mos2)膜层、硒化钨(wse)膜层以及氮化硼(bn)膜层。
77.最后，通过二维材料转移技术，在所述第一半导体层背离所述缓冲层的表面设置二维材料膜层，所述二维材料膜层为所述第二半导体层。将剥离出的单层的二维材料膜层逐个搭建到指定的光电探测器位置，根据波长探测范围的不同和分光光路的区分，分别转移到对应的光电探测器位置。基于二维材料膜层转移形成所述探测器阵列后，采用金属沉积和刻蚀工艺，制作光电探测器的电极，进而完成探测器阵列的制作。
78.本技术实施例所述制作方法中，采用多种二维材料构建异质结光电探测器，因其二维材料属性相近，加工方式类似，因可以实现多种二维材料集成搭建，可以在同一块芯片基底上实现多个波长探测范围不同的光电探测器集成，避免常规集成光电探测器的缺陷，实现从红外到深紫外波段的全波段片上集成光电探测器，大为拓展了集成光谱仪的应用范围。
79.本说明书中各个实施例采用递进、或并列、或递进和并列结合的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的电子设备以及制作方法而言，由于其与实施例公开的片上集成光谱仪相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见片上集成光谱仪对应部分说明即可。
80.需要说明的是，在本技术的描述中，需要理解的是，幅图和实施例的描述是说明性的而不是限制性的。贯穿说明书实施例的同样的幅图标记标识同样的结构。另外，处于理解和易于描述，幅图可能夸大了一些层、膜、面板、区域等厚度。同时可以理解的是，当诸如层、膜、区域或基板的元件被称作“在”另一元件“上”时，该元件可以直接在其他元件上或者可以存在中间元件。另外，“在
…
上”是指将元件定位在另一元件上或者另一元件下方，但是本质上不是指根据重力方向定位在另一元件的上侧上。
81.术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。
82.还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
83.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。