本發明屬(shu)于半導體技術領域，尤其涉及一種高速紅(hong)外光電探(tan)測器及其制造方法。

背景技術：

自由(you)空間光(guang)通(tong)信(xin)系統是(shi)一種以大(da)氣(qi)為傳輸(shu)(shu)媒介進行高(gao)(gao)速(su)、有(you)(you)效數(shu)據傳輸(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)新型通(tong)信(xin)技術。該技術能(neng)(neng)夠提供足夠高(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)帶寬，相(xiang)當好的(de)(de)(de)(de)防竊聽能(neng)(neng)力(li)，并且不需要(yao)(yao)復(fu)雜昂貴的(de)(de)(de)(de)光(guang)纖系統。由(you)于(yu)自由(you)空間光(guang)通(tong)信(xin)系統的(de)(de)(de)(de)傳輸(shu)(shu)通(tong)道(dao)是(shi)自由(you)空間，受諸如大(da)氣(qi)分子吸收，懸浮粒子對光(guang)的(de)(de)(de)(de)散射，霧、雨、雪(xue)等各種因素的(de)(de)(de)(de)影響，使(shi)其傳輸(shu)(shu)通(tong)道(dao)更(geng)為復(fu)雜和具(ju)有(you)(you)不可控性(xing)(xing)。鑒(jian)于(yu)這(zhe)種特殊性(xing)(xing)，自由(you)空間通(tong)信(xin)的(de)(de)(de)(de)光(guang)載波(bo)波(bo)長一般位于(yu)中遠紅外波(bo)段(duan)，尤其是(shi)3-5μm和8～14μm的(de)(de)(de)(de)兩(liang)個(ge)大(da)氣(qi)窗(chuang)口，以獲得更(geng)穩(wen)定高(gao)(gao)效的(de)(de)(de)(de)傳輸(shu)(shu)性(xing)(xing)能(neng)(neng)。在(zai)(zai)中遠紅外波(bo)段(duan)，目前廣(guang)泛(fan)使(shi)用(yong)的(de)(de)(de)(de)是(shi)光(guang)導型量子阱(jing)高(gao)(gao)速(su)探(tan)測器(qi)(QWIPs)，該類探(tan)測器(qi)一般工(gong)作在(zai)(zai)液(ye)氮(dan)溫度(du)下(xia)，且需要(yao)(yao)配套外置的(de)(de)(de)(de)偏置源，器(qi)件(jian)暗(an)電(dian)流(liu)也較大(da)，容易使(shi)外部讀出電(dian)路(lu)的(de)(de)(de)(de)電(dian)容飽和。因此(ci)，本發明所述的(de)(de)(de)(de)零(ling)偏置、高(gao)(gao)響應(ying)速(su)度(du)、低暗(an)電(dian)流(liu)、高(gao)(gao)溫度(du)穩(wen)定性(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)紅外探(tan)測器(qi)具(ju)有(you)(you)重要(yao)(yao)意(yi)義(yi)。

技術實現要素：

本發明提供了一種高速紅外光電探測器及其制造方法，探測器為具有高本征響應速度的光伏型量子級聯探測器，其響應波長通過能帶工程很容易實現在中遠紅外范圍內調節，采用化學腐蝕的方法，獲得小尺寸的探測器有源區臺面(≤50×50μm²)，探(tan)測(ce)器的上下電(dian)極(ji)采(cai)用(yong)共面傳輸(shu)線(xian)結構，信號電(dian)極(ji)和地(di)電(dian)極(ji)分別為探(tan)測(ce)器的兩(liang)電(dian)極(ji)，信號電(dian)極(ji)與(yu)探(tan)測(ce)器上接(jie)(jie)觸(chu)電(dian)極(ji)間采(cai)用(yong)空(kong)氣橋結構連接(jie)(jie)，測(ce)試及應用(yong)時僅需將探(tan)頭或接(jie)(jie)頭與(yu)CPW傳輸(shu)線(xian)相接(jie)(jie)觸(chu)即可(ke)。

本發明提供一種高速(su)量子(zi)級聯(lian)紅(hong)外探測器，包括：

一(yi)襯底，該(gai)襯底為矩形，其一(yi)端(duan)向下為一(yi)斜面；

一CPW地(di)電極層(ceng)，其制作在襯(chen)底(di)上，該CPW地(di)電極層(ceng)開(kai)(kai)有一喇叭形的開(kai)(kai)口；

一CPW信號電(dian)(dian)極(ji)(ji)層(ceng)，其制作在(zai)襯底上(shang)面(mian)，并位于CPW地電(dian)(dian)極(ji)(ji)層(ceng)上(shang)的喇(la)叭形開口(kou)的中間(jian)，該CPW信號電(dian)(dian)極(ji)(ji)層(ceng)為錐形；

一下(xia)接觸電(dian)極層(ceng)，其制作在CPW地電(dian)極層(ceng)上(shang)的喇叭形開口的端(duan)部(bu)，與襯(chen)底和CPW地電(dian)極層(ceng)接觸；

一周期性量(liang)子阱(jing)壘(lei)層(ceng)，其制作(zuo)在(zai)下(xia)接觸電極層(ceng)上面(mian)的中間；

一上接觸電極層(ceng)，其制(zhi)作在(zai)周期性量子阱壘層(ceng)上；

一空氣橋連接結構，其一端連接CPW信號電極層，另(ling)一端連接上接觸(chu)電極層。

本發明還提供一種高速量子級聯紅外探(tan)測器(qi)的制(zhi)作方法，包括(kuo)如(ru)下步驟：

步驟1：在(zai)一襯底上依次生長下接觸(chu)電極層、周期性量子阱壘層和(he)上接觸(chu)電極層；

步驟2：在(zai)上接(jie)觸(chu)(chu)電(dian)極(ji)層(ceng)(ceng)向(xiang)下(xia)刻(ke)蝕，刻(ke)蝕深度到達下(xia)接(jie)觸(chu)(chu)層(ceng)(ceng)的表面，在(zai)下(xia)接(jie)觸(chu)(chu)層(ceng)(ceng)上面的一(yi)側形成一(yi)島(dao)形；

步驟3：將島形(xing)周圍的下接觸(chu)層(ceng)刻蝕(shi)掉，暴露出襯底(di)；

步驟(zou)4：在島形(xing)的一側涂光刻膠；

步驟5：在暴露出的襯底上面蒸鍍CPW地電極層；

步驟6：在CPW地電極層刻蝕(shi)出一(yi)喇叭形(xing)(xing)(xing)的開(kai)口(kou)，該喇叭形(xing)(xing)(xing)的開(kai)口(kou)21的中間(jian)形(xing)(xing)(xing)成(cheng)一(yi)錐(zhui)形(xing)(xing)(xing)的CPW信號電極層，該一(yi)喇叭形(xing)(xing)(xing)的開(kai)口(kou)的端部(bu)與(yu)接觸(chu)層接觸(chu)；

步驟7：在CPW地電極(ji)層(ceng)、CPW信號(hao)電極(ji)層(ceng)和空氣橋連接結構上(shang)電鍍一層(ceng)金；

步驟(zou)8：將襯(chen)底(di)靠(kao)近島形的一(yi)側的端面(mian)磨制(zhi)一(yi)向下的45度斜面(mian)，完成制(zhi)備。

從上述(shu)技(ji)術方案可以看出，本(ben)發明提供的一種高速(su)量子級聯紅(hong)外探測(ce)器(qi)，具有(you)(you)以下有(you)(you)益效果：

1.本(ben)發明提供(gong)的(de)紅外探(tan)(tan)測器采用了量子(zi)級聯探(tan)(tan)測器，該探(tan)(tan)測器可以零(ling)偏(pian)置(zhi)、低噪(zao)聲、室溫工作，同時本(ben)征響應速度高(gao)，響應波(bo)長易于調節。

2.本發明提供的(de)紅外探測(ce)器(qi)采用小尺(chi)寸(cun)的(de)有(you)源區臺面(mian)，減小了(le)芯(xin)片的(de)電(dian)容。

3.本發明采用了空氣(qi)(qi)橋結(jie)構(gou)(gou)，空氣(qi)(qi)橋結(jie)構(gou)(gou)電容(rong)填充介質為(wei)空氣(qi)(qi)，使寄生電容(rong)減小(xiao)到最小(xiao)，同時消除金絲連接所帶(dai)來的(de)寄生電感的(de)影響。

4.本發(fa)明采(cai)(cai)用共面傳輸線作為探測器電極，減小了高頻信號(hao)(hao)在傳輸過程中(zhong)的損耗(hao)，提(ti)高了探測器高速信號(hao)(hao)的采(cai)(cai)集(ji)能(neng)力。

附圖說明

為使本發明(ming)的目的、技術(shu)方案和優點更(geng)加清(qing)楚明(ming)白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明(ming)進一步詳(xiang)細說明(ming)，其中：

圖1為(wei)本發明(ming)提供(gong)的高速紅外探(tan)測器的結構示意圖；

圖2為本發明(ming)的制備流(liu)程圖；

圖3為本(ben)發明的工藝流程結構圖。

圖4為根據本發明的(de)一個(ge)實例的(de)量子級聯探測(ce)器的(de)能帶(dai)結構圖。

圖5為根據(ju)本(ben)發明的(de)(de)一個實例的(de)(de)量子(zi)級聯探測(ce)器的(de)(de)頻率響應(ying)曲線圖。

具體實施方式

請參(can)閱圖1所示，本發明(ming)提供一種(zhong)高速量(liang)子級聯紅外(wai)探測器(qi)，包括(kuo)：

一(yi)襯(chen)底(di)(di)1，該襯(chen)底(di)(di)1為(wei)矩形，其一(yi)端向下為(wei)一(yi)斜面，所述(shu)的襯(chen)底(di)(di)1為(wei)半絕(jue)緣襯(chen)底(di)(di)，材(cai)料為(wei)InP材(cai)料；該斜面為(wei)一(yi)拋光(guang)45°角斜面，紅(hong)外光(guang)垂(chui)直所述(shu)斜面入(ru)(ru)射(she)，此入(ru)(ru)射(she)方式可(ke)使量子級聯探測器對入(ru)(ru)射(she)光(guang)的吸(xi)收利用效率達到最(zui)優水平；

一(yi)(yi)CPW地電(dian)極層2，其制作在襯底1上，該CPW地電(dian)極層2開有(you)一(yi)(yi)喇叭形(xing)的開口21；

一CPW信(xin)號(hao)電(dian)極(ji)層3，其制(zhi)作在襯底1上面(mian)，并位于(yu)CPW地電(dian)極(ji)層2上的喇叭形(xing)(xing)開口(kou)21的中間(jian)，該CPW信(xin)號(hao)電(dian)極(ji)層3為錐(zhui)形(xing)(xing)；

一下(xia)接(jie)觸電極(ji)層(ceng)4，其制作在CPW地電極(ji)層(ceng)2上(shang)的喇叭(ba)形開口(kou)21的端部，與襯底1和(he)CPW地電極(ji)層(ceng)2接(jie)觸；由地電極(ji)層(ceng)2和(he)信號電極(ji)層(ceng)3構(gou)成的CPW傳輸線結構(gou)特性阻(zu)抗為50歐姆，該結構(gou)可高效(xiao)低損的傳輸高速信號；

一(yi)(yi)周(zhou)期性量(liang)子(zi)(zi)阱(jing)(jing)壘層5，其制作(zuo)在(zai)(zai)下(xia)接觸電極(ji)層4上(shang)面(mian)的中間，該周(zhou)期性量(liang)子(zi)(zi)阱(jing)(jing)壘層5為交替生長的銦(yin)鎵(jia)砷(shen)(shen)和(he)銦(yin)鋁(lv)砷(shen)(shen)材(cai)料；其所(suo)述(shu)周(zhou)期性交替生長的銦(yin)鎵(jia)砷(shen)(shen)阱(jing)(jing)和(he)銦(yin)鋁(lv)砷(shen)(shen)壘，組成量(liang)子(zi)(zi)級聯結構，在(zai)(zai)光照下(xia)，電子(zi)(zi)由基(ji)態泵(beng)浦到(dao)高能(neng)態，高能(neng)態電子(zi)(zi)經過一(yi)(yi)系列聲(sheng)子(zi)(zi)臺階后回到(dao)下(xia)一(yi)(yi)個周(zhou)期的基(ji)態，經過多個周(zhou)期的級聯后得(de)到(dao)較強的光電流輸出(chu)；

一上接觸電極層(ceng)6，其制作在周(zhou)期性量子阱壘層(ceng)5上；

其中上、下接觸電極(ji)層6、4為電子(zi)施(shi)主(zhu)重摻雜銦鎵砷材料；

一(yi)空(kong)氣(qi)橋連接(jie)(jie)(jie)結構7，其一(yi)端(duan)連接(jie)(jie)(jie)CPW信號(hao)電(dian)(dian)(dian)極(ji)層(ceng)3，另(ling)一(yi)端(duan)連接(jie)(jie)(jie)上(shang)接(jie)(jie)(jie)觸電(dian)(dian)(dian)極(ji)層(ceng)6；該空(kong)氣(qi)橋結構7將位(wei)于不同(tong)平面上(shang)的兩(liang)電(dian)(dian)(dian)極(ji)相連，確保信號(hao)高速低(di)損耗的從量子級聯探測器輸出到CPW信號(hao)電(dian)(dian)(dian)極(ji)層(ceng)3，然(ran)后被(bei)相關設備提取(qu)使(shi)用。

請(qing)參閱(yue)圖2及圖3，并結合(he)參閱(yue)圖1，本發明提(ti)供(gong)一種高速量(liang)子級聯(lian)紅外探(tan)測器的制作方法(fa)，包(bao)括如下步驟：

步驟1：在一襯底(di)(di)1上(shang)(shang)依(yi)次生長(chang)下接觸(chu)電(dian)(dian)極層(ceng)(ceng)4、周(zhou)期性(xing)(xing)量(liang)子(zi)(zi)(zi)阱壘層(ceng)(ceng)5和(he)上(shang)(shang)接觸(chu)電(dian)(dian)極層(ceng)(ceng)6，所(suo)述的(de)襯底(di)(di)1為(wei)半絕緣襯底(di)(di)，材(cai)料(liao)為(wei)InP材(cai)料(liao)，該(gai)周(zhou)期性(xing)(xing)量(liang)子(zi)(zi)(zi)阱壘層(ceng)(ceng)5為(wei)交替生長(chang)的(de)銦(yin)鎵砷和(he)銦(yin)鋁砷材(cai)料(liao)；該(gai)量(liang)子(zi)(zi)(zi)級聯探(tan)測(ce)器外延(yan)(yan)片(pian)是采(cai)用分子(zi)(zi)(zi)束(shu)外延(yan)(yan)技術生長(chang)目標響應(ying)波長(chang)的(de)超晶格材(cai)料(liao)；

步驟2：在上接觸電極層6向下刻蝕，刻蝕深度到達下接觸層4的表面，在下接觸層4上面的一側形成一島形；刻蝕該島形探測器臺面采用光刻膠掩膜層的辦法，光刻膠采用S1805，堅膜時間5min；將制備好掩膜的外延片經過打膠清潔處理后采用H₃PO₄∶H₂O₂∶H₂O＝1∶1∶10腐蝕(shi)液對樣片進行腐蝕(shi)，控制好(hao)腐蝕(shi)深度(du)至下接觸(chu)電極層(ceng)4截止(zhi)，腐蝕(shi)完(wan)后去膠，完(wan)成島形探測(ce)器臺面的制備(bei)；

步驟3：將島形周(zhou)圍的下接觸層4刻(ke)蝕掉，暴露出襯底1；該步采用稀釋(shi)的AZ6130光刻(ke)膠制作腐蝕掩膜，掩膜膠的厚度為3.5μm左右，此步中(zhong)光刻(ke)膠要有足(zu)夠的厚度以保護步驟2中(zhong)完成(cheng)的探測器臺面；

步(bu)驟4：在(zai)島形的(de)(de)一側涂光刻膠；該(gai)步(bu)采用較厚(hou)的(de)(de)光刻膠AZ6130，目標膠厚(hou)約(yue)4μm；芯片制備完(wan)成(cheng)去(qu)膠后，該(gai)區域即可形成(cheng)良好的(de)(de)空(kong)氣橋連接結(jie)構，為便于(yu)后面的(de)(de)順利去(qu)膠，該(gai)步(bu)堅(jian)(jian)膜溫(wen)度不(bu)能(neng)太(tai)高，120℃堅(jian)(jian)膜10min即可；

步驟(zou)5：在(zai)暴露出的襯底1上面(mian)蒸(zheng)鍍CPW地電極層(ceng)(ceng)2；鍍層(ceng)(ceng)為(wei)Ti/Au：50nm/100nm；該步采(cai)用電子(zi)束蒸(zheng)鍍的辦法，可以獲(huo)得(de)質(zhi)量較(jiao)高的金(jin)鍍層(ceng)(ceng)，通過步驟(zou)7的電鍍可進一步獲(huo)得(de)目標厚度的金(jin)層(ceng)(ceng)。

步驟6：在CPW地電極層2腐蝕出一喇叭形的開口21，該喇叭形的開口21的中間形成一錐形的CPW信號電極層3，該一喇叭形的開口21的端部與接觸層4接觸；該步腐蝕采用AZ5214光刻膠作為掩膜，金層腐蝕液利用I₂∶KI∶H₂O＝1∶1∶4，鈦(tai)層(ceng)腐(fu)蝕液利用HF溶(rong)液；

步驟7：在CPW地電極(ji)層(ceng)2、CPW信號電極(ji)層(ceng)3和(he)空氣橋連接結構7上電鍍一(yi)層(ceng)金；電鍍金層(ceng)厚度(du)為2μm左右，CPW區域的尺寸(cun)及(ji)電鍍層(ceng)的厚度(du)可根據滿足50歐姆特性阻抗的要求來(lai)調(diao)整(zheng)；

步驟8：將襯底1靠近島(dao)形的(de)一側的(de)端面(mian)磨(mo)制一向下的(de)45度(du)斜面(mian)，完成(cheng)制備，紅外光垂直所(suo)述斜面(mian)入(ru)射，該(gai)入(ru)射方式可以使探(tan)測器對入(ru)射光的(de)吸收(shou)利(li)用(yong)效率達到最(zui)優(you)水平。

其中上、下(xia)接觸電(dian)極層6、4為電(dian)子施主(zhu)重(zhong)摻雜銦鎵砷材料(liao)。

參閱圖4及圖5，本發明提供一種高速量子級聯紅外探測器的實施例，包括：一種4.3μm高速室溫工作的量子級聯探測器的能帶圖及其20×20μm²，50×50μm²臺面尺寸器件的頻率響應曲線圖。圖4展示了量子級聯探測器的一個周期的能帶圖，電子完成A1→A2→B→C→D→E→F→G→H→A的過程為一個周期，經多個重復周期后產生較強的光電流。圖5展示出依照本發明之方法制備的4.3μm量子級聯探測器20×20μm²，50×50μm²臺面尺寸器件的頻率響應曲線圖，該高速紅外探測器具有較高的響應帶寬，其中20×20μm²器件為9GHz，50×50μm²器件為4GHz，同時，50×50μm²器件響應高達11mA/W和20×20μm²器(qi)件響應為7.8mA/W。該實例體現了本發明(ming)探測器(qi)的室溫、高速、大響應工(gong)作的優點(dian)。

以上(shang)所述(shu)的(de)(de)具體(ti)實(shi)施例(li)，對本(ben)(ben)發明(ming)(ming)的(de)(de)目(mu)的(de)(de)、技術方案和有益效果進行了進一步詳細(xi)說明(ming)(ming)，所應理解的(de)(de)是，以上(shang)所述(shu)僅為本(ben)(ben)發明(ming)(ming)的(de)(de)具體(ti)實(shi)施例(li)而已，并不用(yong)于(yu)限制本(ben)(ben)發明(ming)(ming)，凡在本(ben)(ben)發明(ming)(ming)的(de)(de)精神和原則之內(nei)，所做的(de)(de)任何修(xiu)改、等同替換、改進等，均應包含在本(ben)(ben)發明(ming)(ming)的(de)(de)保護(hu)范圍之內(nei)。