半導體無像元遠紅外上轉換成像裝置製造方法

2023-06-08 13:24:36 1

專利名稱：半導體無像元遠紅外上轉換成像裝置製造方法
技術領域：
本發明涉及的是一種半導體光電探測技術領域的方法，具體是一種半導體無像元遠紅外上轉換成像裝置製造方法。
背景技術：
矽電荷耦合器件(矽CCD)是一種性能優異、並已成熟的可見及近紅外光(最長到1.1微米)成像器件，紫外及更短波段的探測可通過在矽電荷耦合器件上塗以合適的發光材料加以實現。波長更長的遠紅外和亞毫米波段(40-1000微米)包含了天體運動、固體紅外材料中的許多信息，其探測及成像在天體物理、紅外物理和新材料探索等研究方面具有廣泛的應用前景。目前對半導體遠紅外探測器的研究還處於早期階段，在這些波段，商業化的探測器是熱敏探測器，如測輻射熱，焦熱電和Ge基非本徵半導體遠紅外探測器等。這些探測器要麼比較昂貴，要麼由於技術上的限制，難以做成大規模列陣。
經對現有技術的文獻檢索發現，H.C.Liu等人在《Electronics Letters》(電子快報)第31卷第10期(1995)832頁發表的「Integrated quantum wellintersub-band photodetector and light emitting diode」(集成的量子阱子帶間光電探測器與發光二極體)一文中提出利用光子頻率上轉換的概念，在由砷化鎵/鋁鎵砷量子阱紅外探測器結構及其上面集成生長的銦鎵砷/砷化鎵發光二極體結構串聯而成的光學上轉換裝置上加一恆定的正向偏壓，中紅外信號(MIR)通過透明的砷化鎵襯底被量子阱紅外探測器檢測到，引起探測器電阻的下降，並由此導致發光二極體上電壓降的增加，使發光二極體發出可被高效矽電荷耦合器件收集的近紅外(NIR)發射，從而實現了中紅外信號的成像，然而遠紅外上轉換成像裝置的製造至今沒有被研究過。
在進一步的檢索中，尚未發現與本發明主題相同或者類似的文獻報導。

發明內容
本發明的目的在於利用光子頻率上轉換的原理將遠紅外光轉換為近紅外光，從而通過矽電荷耦合器件探測成像的機制，提供一種半導體無像元遠紅外上轉換成像裝置的製造方法，區別於現有的遠紅外成像機理及裝置。本發明克服了現有遠紅外成像技術中成本高，難以做成大規模列陣的困難。
本發明是通過以下的技術方案來實現的，針對半導體無像元遠紅外上轉換成像機理的特點，本發明製造方法步驟如下(1)確定需要生長的探測器和發光二極體的類型探測器類型為探測中心波長在60微米的同質結內光發射遠紅外探測器，發光二極體類型為發射光波長在矽電荷耦合器件響應波長範圍內的近紅外發光二極體；(2)利用頻譜分析方法，分別對探測器及發光二極體列出連續性方程，通過求解連續性方程得到上轉換成像效率及調製傳遞函數，通過考察上轉換成像效率及成像性能，來得到優化的器件結構。
(3)用分子束外延裝置先生長遠紅外探測器結構，接著在探測器上生長近紅外發光二極體結構，即得到這種集成的半導體遠紅外無像元上轉換成像裝置，從而實現遠紅外物體的上轉換成像。
步驟(1)中，確定要生長的探測器為砷化鎵同質結內光發射遠紅外探測器，發射層和本徵層分別為摻雜和非摻雜的砷化鎵材料，其探測中心波長在60微米；考慮到晶格匹配，確定要生長的發光二極體為砷化鎵/鋁鎵砷近紅外發光二極體，選擇砷化鎵為發光二極體的激活層材料，使得出射波長在0.87微米附近，在矽電荷耦合器件的響應波長之內。
步驟(2)中，從探測器的連續性方程出發，採用頻譜分析方法，由入射遠紅外光的空間分布可以得到輸出光電流的空間分布，然後通過發光二極體的連續性方程，得到發射的近紅外光的空間分布情況。依據光生電流的信號部分以及出射的近紅外光的信號部分，可以得到上轉換的成像效率，和表徵圖像質量的調製傳遞函數，通過分析遠紅外上轉換成像的效率考察圖像的亮度情況，根據調製傳遞函數得到圖像的銳度和解析度的情況，進而可以得到優化的探測器和發光二極體的器件結構。
步驟(3)中，用分子束外延裝置先生長優化的砷化鎵同質結內光發射遠紅外探測器結構，在此結構上接著串聯生長優化的近紅外發光二極體結構，這樣就可得到集成的半導體無像元遠紅外上轉換成像裝置，利用這種裝置將遠紅外光轉換為近紅外光，此近紅外光經過矽電荷耦合器件探測，就可實現遠紅外物體的成像。
本發明實現了一種半導體無像元遠紅外上轉換成像裝置的製造，在探測器發射層/本徵層周期數足夠多的情況下，本發明製備出的上轉換成像裝置，可以不必做成列陣的形式，直接與矽電荷耦合器件結合進行成像，大大降低了探測成像的成本。
具體實施例方式
下面對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。
(1)確定要生長的探測器為探測中心波長在60微米的砷化鎵同質結內光發射遠紅外探測器，考慮到晶格匹配，確定要生長的發光二極體為發射波長為0.87微米的砷化鎵/鋁鎵砷近紅外發光二極體。根據探測器和發光二極體的連續性方程，得到輸出光電流以及近紅外光的空間分布情況，進而得到上轉換成像的效率η(f)為(f)=foutfin=[1-exp(-2pwe)]exp(-wel)exp(-xbls)1-(1-pc)Nexp(-42l2f2N)1-(1-pc)exp(-42l2f2)]]>t(1-)int1+42ld2f2-int(1222+42f2)exp(-42l2f2)]]>調製傳遞函數T(f)表示為T(f)=fout/0outfin/0in=pcexp(-42l2f2)1-(1-pc)Nexp(-42l2f2N)1-(1-pc)exp(-42l2f2)]]>1-int(12)1+42ld2f2-int(1222+42f2)]]>
其中 和 分別為入射遠紅外光和出射近紅外光的光子通量的信號部分，φ0in和φ0out分別為入射遠紅外光和出射近紅外光的平均光子通量，ap為探測器發射層中的自由載流子吸收係數，ap＝8.28×10-16cm2×Na，(Na＝4×1018cm-3為探測器發射層的摻雜濃度)，pc為探測器發射層中的自由載流子俘獲率(pc＝0.07)，we為發射層厚度(we＝200)，l為載流子擴散長度(l＝220±20)，xb是探測器中界面到勢壘極大的距離(xb＝300±10)，ls是鏡像力勢阱中的散射長度(ls＝276±2)，f為空間頻率(0~16.7線對/毫米)，N為探測器中周期性結構的數目(N＝20)，ld為載流子在發光二極體激活層中的擴散長度(ld≈1微米)，σ為發光二極體中受制於全反射而不能逃逸的光子部分(σ＝0.90~0.95)，ηint為發光二極體的內量子效率(ηint＝0.80~0.90)，α1，α2分別為發光二極體中激活層與限制層的吸收係數，其中a115000dada+dc,]]>a215000dada+dc+30(1-dada+dc)]]>da為發光二極體激活層厚度(da＝3000)，dc為發光二極體限制層的總的厚度(dc＝2微米)。
通過考察上轉換的效率可以得到成像的亮度情況，通過考察調製傳遞函數可以得到成像的銳度和解析度情況。為了使成像質量達到最好，則需要最高的上轉換效率及調製傳遞函數，而上轉換效率和調製傳遞函數都是與探測器及發光二極體的器件參數密切相關的，這樣就可以得到使成像效果達到最好的優化的探測器和發光二極體器件參數。
(2)根據優化得到的遠紅外探測器參數，用分子束外延裝置生長的砷化鎵遠紅外探測器結構包括基片為半絕緣的砷化鎵襯底，在20個周期的砷化鎵(20)/鋁鎵砷(Al0.30Ga0.70As，20)的超晶格緩衝層上，生長3000的底部電極層(鈹摻雜，摻雜濃度為p型2×1019cm-3)，然後是20個周期的發射層(鈹摻雜砷化鎵，厚度200，摻雜濃度p型4×1018m-3)/本徵層(非摻雜砷化鎵，厚度1000)，接著生長400非摻雜鋁鎵砷(Al0.24Ga0.76As)緩衝層。
(3)根據優化得到的近紅外發光二極體參數，用分子束外延裝置生長的砷化鎵/鋁鎵砷近紅外發光二極體結構包括在探測器結構上依次生長2000的鋁鎵砷(Al0.30Ga0.70As，鈹摻雜，摻雜濃度為D型2.5×1018cm-3)的p型限制層，300組分漸變層(AlxGa1-xAs，x從0.30漸變至0.10)，然後是3000的砷化鎵激活層，其摻雜濃度為p型1×1018cm-3；接著生長300鋁鎵砷組分漸變層(AlxGa1-xAs，x從0.10漸變至0.30)，2000的鋁鎵砷(Al0.30Ga0.70As，矽摻雜，摻雜濃度為n型2.5×1018cm-3)n型限制層，以及300的鋁鎵砷(Al0.30Ga0.70As，矽摻雜，摻雜濃度為n型4×1019cm-3)的緩衝層，最後覆蓋5000的矽摻雜砷化鎵頂部電極層，摻雜濃度為n型2×1018cm-3。
(4)生長出這種優化的集成結構以後，除去襯底，在上下兩個電極層上加穩定的偏壓，使得器件內部的場強在300伏特/釐米附近，這樣就製備出了中心波長在60微米的遠紅外光到0.87微米的近紅外光的上轉換成像裝置，用矽電荷耦合器件探測發出的近紅外光，即可實現遠紅外物體的成像。
本實施例製造的是一種半導體無像元遠紅外上轉換成像裝置，利用這種裝置進行遠紅外成像有許多優點首先，可採用與砷化鎵/鋁鎵砷量子阱紅外探測器一樣的常規器件製備方法製作光學上轉換器件單元，利用大尺寸(釐米量級)光學上轉換器件單元自然的載流子密度分布與矽電荷耦合器件結合直接可形成無像元遠紅外成像器件，從而避免將大面積成像儀分成許多個像素並且每個都製作電極(接線柱金屬焊接)的複雜和昂貴；其次，這種半導體遠紅外成像器件不需要任何特殊的混合讀出電路，成像是通過充分利用高效、成熟的矽電荷耦合器件實現的；再次，由於探測器的探測波長可通過發射層的摻雜濃度及偏壓來控制，相應地，遠紅外成像的波段也較容易調節；最後，這種由單一III-V成熟半導體材料組成的系統又很容易通過分子束外延生長，且可避免混合焊接及任何熱失配。因此，這類半導體遠紅外成像器件完全沒有鍺基非本徵半導體遠紅外探測器在製造大規模列陣方面的技術困難，並具有成本低、簡單、響應波長可調和高效等特點。
權利要求
1.一種半導體無像元遠紅外上轉換成像裝置製造方法，其特徵在於步驟如下(1)確定需要生長的探測器和發光二極體的類型探測器類型為探測中心波長在60微米的同質結內光發射遠紅外探測器，發光二極體類型為發射光波長在矽電荷耦合器件響應波長範圍內的近紅外發光二極體；(2)利用頻譜分析方法分別對探測器及發光二極體列出連續性方程，通過求解連續性方程得到上轉換成像效率及調製傳遞函數，通過考察上轉換成像效率及成像性能，得到優化的器件結構；(3)用分子束外延裝置先生長遠紅外探測器結構，接著在探測器上生長近紅外發光二極體結構，得到集成的半導體遠紅外無像元上轉換成像裝置。
2.根據權利要求1所述的半導體無像元遠紅外上轉換成像裝置製造方法，其特徵是，步驟(1)中，所述的探測器為砷化鎵同質結內光發射遠紅外探測器，發射層和本徵層分別為摻雜和非摻雜的砷化鎵材料。
3.根據權利要求1所述的半導體無像元遠紅外上轉換成像裝置製造方法，其特徵是，步驟(1)中，所述的發光二極體，為砷化鎵/鋁鎵砷近紅外發光二極體，砷化鎵為發光二極體的激活層材料，出射波長在0.87微米附近，在矽電荷耦合器件的響應波長之內。
4.根據權利要求1所述的半導體無像元遠紅外上轉換成像裝置製造方法，其特徵是，步驟(2)中，具體為根據探測器的連續性方程，採用頻譜分析方法，由入射遠紅外光的空間分布得到輸出光電流的空間分布，然後通過發光二極體的連續性方程，得到發射的近紅外光的空間分布情況；依據光生電流的信號部分以及出射的近紅外光的信號部分，得到上轉換的成像效率和表徵圖像質量的調製傳遞函數，通過分析遠紅外上轉換成像的效率考察圖像的亮度情況，根據調製傳遞函數得到圖像的銳度和解析度的情況，進而得到優化的探測器和發光二極體的器件結構。
5.根據權利要求1所述的半導體無像元遠紅外上轉換成像裝置製造方法，其特徵是，步驟(3)中，用分子束外延裝置先生長優化的砷化鎵同質結內光發射遠紅外探測器結構，在此結構上接著串聯生長優化的近紅外發光二極體結構，得到集成的半導體無像元遠紅外上轉換成像裝置，利用該裝置將遠紅外光轉換為近紅外光，此近紅外光經過矽電荷耦合器件探測，就能實現遠紅外物體的成像。
全文摘要
一種半導體光電探測技術領域的半導體無像元遠紅外上轉換成像裝置製造方法。步驟如下(1)確定探測器類型為探測中心波長在60微米的同質結內光發射遠紅外探測器，發光二極體類型為發射光波長在矽電荷耦合器件響應波長範圍內的近紅外發光二極體；(2)利用頻譜分析方法分別對探測器及發光二極體列出連續性方程，通過求解連續性方程得到上轉換成像效率及調製傳遞函數，通過考察上轉換成像效率及成像性能，得到優化的器件結構；(3)用分子束外延裝置先生長遠紅外探測器結構，接著在探測器上生長近紅外發光二極體結構，得到半導體遠紅外無像元上轉換成像裝置。本發明大大降低了探測成像的成本，可實現更長波長光的上轉換成像。
文檔編號H01L31/18GK1945859SQ200610117889
公開日2007年4月11日 申請日期2006年11月2日 優先權日2006年11月2日
發明者沈文忠, 武樂可 申請人:上海交通大學