專利名稱：半導(dǎo)體無(wú)像元遠(yuǎn)紅外上轉(zhuǎn)換成像裝置制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種半導(dǎo)體光電探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種半導(dǎo)體無(wú)像元遠(yuǎn)紅外上轉(zhuǎn)換成像裝置制造方法。
背景技術(shù)：
硅電荷耦合器件(硅CCD)是一種性能優(yōu)異、并已成熟的可見(jiàn)及近紅外光(最長(zhǎng)到1.1微米)成像器件，紫外及更短波段的探測(cè)可通過(guò)在硅電荷耦合器件上涂以合適的發(fā)光材料加以實(shí)現(xiàn)。波長(zhǎng)更長(zhǎng)的遠(yuǎn)紅外和亞毫米波段(40-1000微米)包含了天體運(yùn)動(dòng)、固體紅外材料中的許多信息，其探測(cè)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(yīng)用前景。目前對(duì)半導(dǎo)體遠(yuǎn)紅外探測(cè)器的研究還處于早期階段，在這些波段，商業(yè)化的探測(cè)器是熱敏探測(cè)器，如測(cè)輻射熱，焦熱電和Ge基非本征半導(dǎo)體遠(yuǎn)紅外探測(cè)器等。這些探測(cè)器要么比較昂貴，要么由于技術(shù)上的限制，難以做成大規(guī)模列陣。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，H.C.Liu等人在《Electronics Letters》(電子快報(bào))第31卷第10期(1995)832頁(yè)發(fā)表的“Integrated quantum wellintersub-band photodetector and light emitting diode”(集成的量子阱子帶間光電探測(cè)器與發(fā)光二極管)一文中提出利用光子頻率上轉(zhuǎn)換的概念，在由砷化鎵/鋁鎵砷量子阱紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)及其上面集成生長(zhǎng)的銦鎵砷/砷化鎵發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)串聯(lián)而成的光學(xué)上轉(zhuǎn)換裝置上加一恒定的正向偏壓，中紅外信號(hào)(MIR)通過(guò)透明的砷化鎵襯底被量子阱紅外探測(cè)器檢測(cè)到，引起探測(cè)器電阻的下降，并由此導(dǎo)致發(fā)光二極管上電壓降的增加，使發(fā)光二極管發(fā)出可被高效硅電荷耦合器件收集的近紅外(NIR)發(fā)射，從而實(shí)現(xiàn)了中紅外信號(hào)的成像，然而遠(yuǎn)紅外上轉(zhuǎn)換成像裝置的制造至今沒(méi)有被研究過(guò)。
在進(jìn)一步的檢索中，尚未發(fā)現(xiàn)與本發(fā)明主題相同或者類似的文獻(xiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于利用光子頻率上轉(zhuǎn)換的原理將遠(yuǎn)紅外光轉(zhuǎn)換為近紅外光，從而通過(guò)硅電荷耦合器件探測(cè)成像的機(jī)制，提供一種半導(dǎo)體無(wú)像元遠(yuǎn)紅外上轉(zhuǎn)換成像裝置的制造方法，區(qū)別于現(xiàn)有的遠(yuǎn)紅外成像機(jī)理及裝置。本發(fā)明克服了現(xiàn)有遠(yuǎn)紅外成像技術(shù)中成本高，難以做成大規(guī)模列陣的困難。
本發(fā)明是通過(guò)以下的技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的，針對(duì)半導(dǎo)體無(wú)像元遠(yuǎn)紅外上轉(zhuǎn)換成像機(jī)理的特點(diǎn)，本發(fā)明制造方法步驟如下(1)確定需要生長(zhǎng)的探測(cè)器和發(fā)光二極管的類型探測(cè)器類型為探測(cè)中心波長(zhǎng)在60微米的同質(zhì)結(jié)內(nèi)光發(fā)射遠(yuǎn)紅外探測(cè)器，發(fā)光二極管類型為發(fā)射光波長(zhǎng)在硅電荷耦合器件響應(yīng)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的近紅外發(fā)光二極管；(2)利用頻譜分析方法，分別對(duì)探測(cè)器及發(fā)光二極管列出連續(xù)性方程，通過(guò)求解連續(xù)性方程得到上轉(zhuǎn)換成像效率及調(diào)制傳遞函數(shù)，通過(guò)考察上轉(zhuǎn)換成像效率及成像性能，來(lái)得到優(yōu)化的器件結(jié)構(gòu)。
(3)用分子束外延裝置先生長(zhǎng)遠(yuǎn)紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)，接著在探測(cè)器上生長(zhǎng)近紅外發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，即得到這種集成的半導(dǎo)體遠(yuǎn)紅外無(wú)像元上轉(zhuǎn)換成像裝置，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)紅外物體的上轉(zhuǎn)換成像。
步驟(1)中，確定要生長(zhǎng)的探測(cè)器為砷化鎵同質(zhì)結(jié)內(nèi)光發(fā)射遠(yuǎn)紅外探測(cè)器，發(fā)射層和本征層分別為摻雜和非摻雜的砷化鎵材料，其探測(cè)中心波長(zhǎng)在60微米；考慮到晶格匹配，確定要生長(zhǎng)的發(fā)光二極管為砷化鎵/鋁鎵砷近紅外發(fā)光二極管，選擇砷化鎵為發(fā)光二極管的激活層材料，使得出射波長(zhǎng)在0.87微米附近，在硅電荷耦合器件的響應(yīng)波長(zhǎng)之內(nèi)。
步驟(2)中，從探測(cè)器的連續(xù)性方程出發(fā)，采用頻譜分析方法，由入射遠(yuǎn)紅外光的空間分布可以得到輸出光電流的空間分布，然后通過(guò)發(fā)光二極管的連續(xù)性方程，得到發(fā)射的近紅外光的空間分布情況。依據(jù)光生電流的信號(hào)部分以及出射的近紅外光的信號(hào)部分，可以得到上轉(zhuǎn)換的成像效率，和表征圖像質(zhì)量的調(diào)制傳遞函數(shù)，通過(guò)分析遠(yuǎn)紅外上轉(zhuǎn)換成像的效率考察圖像的亮度情況，根據(jù)調(diào)制傳遞函數(shù)得到圖像的銳度和分辨率的情況，進(jìn)而可以得到優(yōu)化的探測(cè)器和發(fā)光二極管的器件結(jié)構(gòu)。
步驟(3)中，用分子束外延裝置先生長(zhǎng)優(yōu)化的砷化鎵同質(zhì)結(jié)內(nèi)光發(fā)射遠(yuǎn)紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)，在此結(jié)構(gòu)上接著串聯(lián)生長(zhǎng)優(yōu)化的近紅外發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，這樣就可得到集成的半導(dǎo)體無(wú)像元遠(yuǎn)紅外上轉(zhuǎn)換成像裝置，利用這種裝置將遠(yuǎn)紅外光轉(zhuǎn)換為近紅外光，此近紅外光經(jīng)過(guò)硅電荷耦合器件探測(cè)，就可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)紅外物體的成像。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了一種半導(dǎo)體無(wú)像元遠(yuǎn)紅外上轉(zhuǎn)換成像裝置的制造，在探測(cè)器發(fā)射層/本征層周期數(shù)足夠多的情況下，本發(fā)明制備出的上轉(zhuǎn)換成像裝置，可以不必做成列陣的形式，直接與硅電荷耦合器件結(jié)合進(jìn)行成像，大大降低了探測(cè)成像的成本。
具體實(shí)施例方式
下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
(1)確定要生長(zhǎng)的探測(cè)器為探測(cè)中心波長(zhǎng)在60微米的砷化鎵同質(zhì)結(jié)內(nèi)光發(fā)射遠(yuǎn)紅外探測(cè)器，考慮到晶格匹配，確定要生長(zhǎng)的發(fā)光二極管為發(fā)射波長(zhǎng)為0.87微米的砷化鎵/鋁鎵砷近紅外發(fā)光二極管。根據(jù)探測(cè)器和發(fā)光二極管的連續(xù)性方程，得到輸出光電流以及近紅外光的空間分布情況，進(jìn)而得到上轉(zhuǎn)換成像的效率η(f)為η(f)=φf→outφf→in=[1-exp(-2αpwe)]exp(-wel)exp(-xbls)1-(1-pc)Nexp(-4π2l2f2N)1-(1-pc)exp(-4π2l2f2)]]>×t(1-σ)ηint1+4π2ld2f2-σηint(α1α2α22+4π2f2)exp(-4π2l2f2)]]>調(diào)制傳遞函數(shù)T(f)表示為T(mén)(f)=φf→out/φ0outφf→in/φ0in=pcexp(-4π2l2f2)1-(1-pc)Nexp(-4π2l2f2N)1-(1-pc)exp(-4π2l2f2)]]>×1-σηint(α1α2)1+4π2ld2f2-σηint(α1α2α22+4π2f2)]]>
其中 和 分別為入射遠(yuǎn)紅外光和出射近紅外光的光子通量的信號(hào)部分，φ0in和φ0out分別為入射遠(yuǎn)紅外光和出射近紅外光的平均光子通量，ap為探測(cè)器發(fā)射層中的自由載流子吸收系數(shù)，ap＝8.28×10-16cm2×Na，(Na＝4×1018cm-3為探測(cè)器發(fā)射層的摻雜濃度)，pc為探測(cè)器發(fā)射層中的自由載流子俘獲率(pc＝0.07)，we為發(fā)射層厚度(we＝200)，l為載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度(l＝220±20)，xb是探測(cè)器中界面到勢(shì)壘極大的距離(xb＝300±10)，ls是鏡像力勢(shì)阱中的散射長(zhǎng)度(ls＝276±2)，f為空間頻率(0~16.7線對(duì)/毫米)，N為探測(cè)器中周期性結(jié)構(gòu)的數(shù)目(N＝20)，ld為載流子在發(fā)光二極管激活層中的擴(kuò)散長(zhǎng)度(ld≈1微米)，σ為發(fā)光二極管中受制于全反射而不能逃逸的光子部分(σ＝0.90~0.95)，ηint為發(fā)光二極管的內(nèi)量子效率(ηint＝0.80~0.90)，α1，α2分別為發(fā)光二極管中激活層與限制層的吸收系數(shù)，其中a1≈15000×dada+dc,]]>a2≈15000×dada+dc+30×(1-dada+dc)]]>da為發(fā)光二極管激活層厚度(da＝3000)，dc為發(fā)光二極管限制層的總的厚度(dc＝2微米)。
通過(guò)考察上轉(zhuǎn)換的效率可以得到成像的亮度情況，通過(guò)考察調(diào)制傳遞函數(shù)可以得到成像的銳度和分辨率情況。為了使成像質(zhì)量達(dá)到最好，則需要最高的上轉(zhuǎn)換效率及調(diào)制傳遞函數(shù)，而上轉(zhuǎn)換效率和調(diào)制傳遞函數(shù)都是與探測(cè)器及發(fā)光二極管的器件參數(shù)密切相關(guān)的，這樣就可以得到使成像效果達(dá)到最好的優(yōu)化的探測(cè)器和發(fā)光二極管器件參數(shù)。
(2)根據(jù)優(yōu)化得到的遠(yuǎn)紅外探測(cè)器參數(shù)，用分子束外延裝置生長(zhǎng)的砷化鎵遠(yuǎn)紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)包括基片為半絕緣的砷化鎵襯底，在20個(gè)周期的砷化鎵(20)/鋁鎵砷(Al0.30Ga0.70As，20)的超晶格緩沖層上，生長(zhǎng)3000的底部電極層(鈹摻雜，摻雜濃度為p型2×1019cm-3)，然后是20個(gè)周期的發(fā)射層(鈹摻雜砷化鎵，厚度200，摻雜濃度p型4×1018m-3)/本征層(非摻雜砷化鎵，厚度1000)，接著生長(zhǎng)400非摻雜鋁鎵砷(Al0.24Ga0.76As)緩沖層。
(3)根據(jù)優(yōu)化得到的近紅外發(fā)光二極管參數(shù)，用分子束外延裝置生長(zhǎng)的砷化鎵/鋁鎵砷近紅外發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)包括在探測(cè)器結(jié)構(gòu)上依次生長(zhǎng)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)，然后是3000的砷化鎵激活層，其摻雜濃度為p型1×1018cm-3；接著生長(zhǎng)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，硅摻雜，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，硅摻雜，摻雜濃度為n型4×1019cm-3)的緩沖層，最后覆蓋5000的硅摻雜砷化鎵頂部電極層，摻雜濃度為n型2×1018cm-3。
(4)生長(zhǎng)出這種優(yōu)化的集成結(jié)構(gòu)以后，除去襯底，在上下兩個(gè)電極層上加穩(wěn)定的偏壓，使得器件內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)在300伏特/厘米附近，這樣就制備出了中心波長(zhǎng)在60微米的遠(yuǎn)紅外光到0.87微米的近紅外光的上轉(zhuǎn)換成像裝置，用硅電荷耦合器件探測(cè)發(fā)出的近紅外光，即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)紅外物體的成像。
本實(shí)施例制造的是一種半導(dǎo)體無(wú)像元遠(yuǎn)紅外上轉(zhuǎn)換成像裝置，利用這種裝置進(jìn)行遠(yuǎn)紅外成像有許多優(yōu)點(diǎn)首先，可采用與砷化鎵/鋁鎵砷量子阱紅外探測(cè)器一樣的常規(guī)器件制備方法制作光學(xué)上轉(zhuǎn)換器件單元，利用大尺寸(厘米量級(jí))光學(xué)上轉(zhuǎn)換器件單元自然的載流子密度分布與硅電荷耦合器件結(jié)合直接可形成無(wú)像元遠(yuǎn)紅外成像器件，從而避免將大面積成像儀分成許多個(gè)像素并且每個(gè)都制作電極(接線柱金屬焊接)的復(fù)雜和昂貴；其次，這種半導(dǎo)體遠(yuǎn)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(guò)充分利用高效、成熟的硅電荷耦合器件實(shí)現(xiàn)的；再次，由于探測(cè)器的探測(cè)波長(zhǎng)可通過(guò)發(fā)射層的摻雜濃度及偏壓來(lái)控制，相應(yīng)地，遠(yuǎn)紅外成像的波段也較容易調(diào)節(jié)；最后，這種由單一III-V成熟半導(dǎo)體材料組成的系統(tǒng)又很容易通過(guò)分子束外延生長(zhǎng)，且可避免混合焊接及任何熱失配。因此，這類半導(dǎo)體遠(yuǎn)紅外成像器件完全沒(méi)有鍺基非本征半導(dǎo)體遠(yuǎn)紅外探測(cè)器在制造大規(guī)模列陣方面的技術(shù)困難，并具有成本低、簡(jiǎn)單、響應(yīng)波長(zhǎng)可調(diào)和高效等特點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體無(wú)像元遠(yuǎn)紅外上轉(zhuǎn)換成像裝置制造方法，其特征在于步驟如下(1)確定需要生長(zhǎng)的探測(cè)器和發(fā)光二極管的類型探測(cè)器類型為探測(cè)中心波長(zhǎng)在60微米的同質(zhì)結(jié)內(nèi)光發(fā)射遠(yuǎn)紅外探測(cè)器，發(fā)光二極管類型為發(fā)射光波長(zhǎng)在硅電荷耦合器件響應(yīng)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的近紅外發(fā)光二極管；(2)利用頻譜分析方法分別對(duì)探測(cè)器及發(fā)光二極管列出連續(xù)性方程，通過(guò)求解連續(xù)性方程得到上轉(zhuǎn)換成像效率及調(diào)制傳遞函數(shù)，通過(guò)考察上轉(zhuǎn)換成像效率及成像性能，得到優(yōu)化的器件結(jié)構(gòu)；(3)用分子束外延裝置先生長(zhǎng)遠(yuǎn)紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)，接著在探測(cè)器上生長(zhǎng)近紅外發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，得到集成的半導(dǎo)體遠(yuǎn)紅外無(wú)像元上轉(zhuǎn)換成像裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體無(wú)像元遠(yuǎn)紅外上轉(zhuǎn)換成像裝置制造方法，其特征是，步驟(1)中，所述的探測(cè)器為砷化鎵同質(zhì)結(jié)內(nèi)光發(fā)射遠(yuǎn)紅外探測(cè)器，發(fā)射層和本征層分別為摻雜和非摻雜的砷化鎵材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體無(wú)像元遠(yuǎn)紅外上轉(zhuǎn)換成像裝置制造方法，其特征是，步驟(1)中，所述的發(fā)光二極管，為砷化鎵/鋁鎵砷近紅外發(fā)光二極管，砷化鎵為發(fā)光二極管的激活層材料，出射波長(zhǎng)在0.87微米附近，在硅電荷耦合器件的響應(yīng)波長(zhǎng)之內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體無(wú)像元遠(yuǎn)紅外上轉(zhuǎn)換成像裝置制造方法，其特征是，步驟(2)中，具體為根據(jù)探測(cè)器的連續(xù)性方程，采用頻譜分析方法，由入射遠(yuǎn)紅外光的空間分布得到輸出光電流的空間分布，然后通過(guò)發(fā)光二極管的連續(xù)性方程，得到發(fā)射的近紅外光的空間分布情況；依據(jù)光生電流的信號(hào)部分以及出射的近紅外光的信號(hào)部分，得到上轉(zhuǎn)換的成像效率和表征圖像質(zhì)量的調(diào)制傳遞函數(shù)，通過(guò)分析遠(yuǎn)紅外上轉(zhuǎn)換成像的效率考察圖像的亮度情況，根據(jù)調(diào)制傳遞函數(shù)得到圖像的銳度和分辨率的情況，進(jìn)而得到優(yōu)化的探測(cè)器和發(fā)光二極管的器件結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體無(wú)像元遠(yuǎn)紅外上轉(zhuǎn)換成像裝置制造方法，其特征是，步驟(3)中，用分子束外延裝置先生長(zhǎng)優(yōu)化的砷化鎵同質(zhì)結(jié)內(nèi)光發(fā)射遠(yuǎn)紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)，在此結(jié)構(gòu)上接著串聯(lián)生長(zhǎng)優(yōu)化的近紅外發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，得到集成的半導(dǎo)體無(wú)像元遠(yuǎn)紅外上轉(zhuǎn)換成像裝置，利用該裝置將遠(yuǎn)紅外光轉(zhuǎn)換為近紅外光，此近紅外光經(jīng)過(guò)硅電荷耦合器件探測(cè)，就能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)紅外物體的成像。
全文摘要
一種半導(dǎo)體光電探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的半導(dǎo)體無(wú)像元遠(yuǎn)紅外上轉(zhuǎn)換成像裝置制造方法。步驟如下(1)確定探測(cè)器類型為探測(cè)中心波長(zhǎng)在60微米的同質(zhì)結(jié)內(nèi)光發(fā)射遠(yuǎn)紅外探測(cè)器，發(fā)光二極管類型為發(fā)射光波長(zhǎng)在硅電荷耦合器件響應(yīng)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的近紅外發(fā)光二極管；(2)利用頻譜分析方法分別對(duì)探測(cè)器及發(fā)光二極管列出連續(xù)性方程，通過(guò)求解連續(xù)性方程得到上轉(zhuǎn)換成像效率及調(diào)制傳遞函數(shù)，通過(guò)考察上轉(zhuǎn)換成像效率及成像性能，得到優(yōu)化的器件結(jié)構(gòu)；(3)用分子束外延裝置先生長(zhǎng)遠(yuǎn)紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)，接著在探測(cè)器上生長(zhǎng)近紅外發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，得到半導(dǎo)體遠(yuǎn)紅外無(wú)像元上轉(zhuǎn)換成像裝置。本發(fā)明大大降低了探測(cè)成像的成本，可實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)波長(zhǎng)光的上轉(zhuǎn)換成像。
文檔編號(hào)H01L31/18GK1945859SQ200610117889
公開(kāi)日2007年4月11日 申請(qǐng)日期2006年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月2日
發(fā)明者沈文忠, 武樂(lè)可 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)