本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高速紅外光電探測(cè)器及其制造方法。

背景技術(shù)：

自由空間光通信系統(tǒng)是一種以大氣為傳輸媒介進(jìn)行高速、有效數(shù)據(jù)傳輸?shù)男滦屯ㄐ偶夹g(shù)。該技術(shù)能夠提供足夠高的帶寬，相當(dāng)好的防竊聽(tīng)能力，并且不需要復(fù)雜昂貴的光纖系統(tǒng)。由于自由空間光通信系統(tǒng)的傳輸通道是自由空間，受諸如大氣分子吸收，懸浮粒子對(duì)光的散射，霧、雨、雪等各種因素的影響，使其傳輸通道更為復(fù)雜和具有不可控性。鑒于這種特殊性，自由空間通信的光載波波長(zhǎng)一般位于中遠(yuǎn)紅外波段，尤其是3-5μm和8～14μm的兩個(gè)大氣窗口，以獲得更穩(wěn)定高效的傳輸性能。在中遠(yuǎn)紅外波段，目前廣泛使用的是光導(dǎo)型量子阱高速探測(cè)器(QWIPs)，該類探測(cè)器一般工作在液氮溫度下，且需要配套外置的偏置源，器件暗電流也較大，容易使外部讀出電路的電容飽和。因此，本發(fā)明所述的零偏置、高響應(yīng)速度、低暗電流、高溫度穩(wěn)定性的紅外探測(cè)器具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種高速紅外光電探測(cè)器及其制造方法，探測(cè)器為具有高本征響應(yīng)速度的光伏型量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器，其響應(yīng)波長(zhǎng)通過(guò)能帶工程很容易實(shí)現(xiàn)在中遠(yuǎn)紅外范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，采用化學(xué)腐蝕的方法，獲得小尺寸的探測(cè)器有源區(qū)臺(tái)面(≤50×50μm²)，探測(cè)器的上下電極采用共面?zhèn)鬏斁€結(jié)構(gòu)，信號(hào)電極和地電極分別為探測(cè)器的兩電極，信號(hào)電極與探測(cè)器上接觸電極間采用空氣橋結(jié)構(gòu)連接，測(cè)試及應(yīng)用時(shí)僅需將探頭或接頭與CPW傳輸線相接觸即可。

本發(fā)明提供一種高速量子級(jí)聯(lián)紅外探測(cè)器，包括：

一襯底，該襯底為矩形，其一端向下為一斜面；

一CPW地電極層，其制作在襯底上，該CPW地電極層開(kāi)有一喇叭形的開(kāi)口；

一CPW信號(hào)電極層，其制作在襯底上面，并位于CPW地電極層上的喇叭形開(kāi)口的中間，該CPW信號(hào)電極層為錐形；

一下接觸電極層，其制作在CPW地電極層上的喇叭形開(kāi)口的端部，與襯底和CPW地電極層接觸；

一周期性量子阱壘層，其制作在下接觸電極層上面的中間；

一上接觸電極層，其制作在周期性量子阱壘層上；

一空氣橋連接結(jié)構(gòu)，其一端連接CPW信號(hào)電極層，另一端連接上接觸電極層。

本發(fā)明還提供一種高速量子級(jí)聯(lián)紅外探測(cè)器的制作方法，包括如下步驟：

步驟1：在一襯底上依次生長(zhǎng)下接觸電極層、周期性量子阱壘層和上接觸電極層；

步驟2：在上接觸電極層向下刻蝕，刻蝕深度到達(dá)下接觸層的表面，在下接觸層上面的一側(cè)形成一島形；

步驟3：將島形周圍的下接觸層刻蝕掉，暴露出襯底；

步驟4：在島形的一側(cè)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地電極層刻蝕出一喇叭形的開(kāi)口，該喇叭形的開(kāi)口21的中間形成一錐形的CPW信號(hào)電極層，該一喇叭形的開(kāi)口的端部與接觸層接觸；

步驟7：在CPW地電極層、CPW信號(hào)電極層和空氣橋連接結(jié)構(gòu)上電鍍一層金；

步驟8：將襯底靠近島形的一側(cè)的端面磨制一向下的45度斜面，完成制備。

從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明提供的一種高速量子級(jí)聯(lián)紅外探測(cè)器，具有以下有益效果：

1.本發(fā)明提供的紅外探測(cè)器采用了量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器，該探測(cè)器可以零偏置、低噪聲、室溫工作，同時(shí)本征響應(yīng)速度高，響應(yīng)波長(zhǎng)易于調(diào)節(jié)。

2.本發(fā)明提供的紅外探測(cè)器采用小尺寸的有源區(qū)臺(tái)面，減小了芯片的電容。

3.本發(fā)明采用了空氣橋結(jié)構(gòu)，空氣橋結(jié)構(gòu)電容填充介質(zhì)為空氣，使寄生電容減小到最小，同時(shí)消除金絲連接所帶來(lái)的寄生電感的影響。

4.本發(fā)明采用共面?zhèn)鬏斁€作為探測(cè)器電極，減小了高頻信號(hào)在傳輸過(guò)程中的損耗，提高了探測(cè)器高速信號(hào)的采集能力。

附圖說(shuō)明

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，其中：

圖1為本發(fā)明提供的高速紅外探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的制備流程圖；

圖3為本發(fā)明的工藝流程結(jié)構(gòu)圖。

圖4為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例的量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器的能帶結(jié)構(gòu)圖。

圖5為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例的量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器的頻率響應(yīng)曲線圖。

具體實(shí)施方式

請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明提供一種高速量子級(jí)聯(lián)紅外探測(cè)器，包括：

一襯底1，該襯底1為矩形，其一端向下為一斜面，所述的襯底1為半絕緣襯底，材料為InP材料；該斜面為一拋光45°角斜面，紅外光垂直所述斜面入射，此入射方式可使量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器對(duì)入射光的吸收利用效率達(dá)到最優(yōu)水平；

一CPW地電極層2，其制作在襯底1上，該CPW地電極層2開(kāi)有一喇叭形的開(kāi)口21；

一CPW信號(hào)電極層3，其制作在襯底1上面，并位于CPW地電極層2上的喇叭形開(kāi)口21的中間，該CPW信號(hào)電極層3為錐形；

一下接觸電極層4，其制作在CPW地電極層2上的喇叭形開(kāi)口21的端部，與襯底1和CPW地電極層2接觸；由地電極層2和信號(hào)電極層3構(gòu)成的CPW傳輸線結(jié)構(gòu)特性阻抗為50歐姆，該結(jié)構(gòu)可高效低損的傳輸高速信號(hào)；

一周期性量子阱壘層5，其制作在下接觸電極層4上面的中間，該周期性量子阱壘層5為交替生長(zhǎng)的銦鎵砷和銦鋁砷材料；其所述周期性交替生長(zhǎng)的銦鎵砷阱和銦鋁砷壘，組成量子級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，在光照下，電子由基態(tài)泵浦到高能態(tài)，高能態(tài)電子經(jīng)過(guò)一系列聲子臺(tái)階后回到下一個(gè)周期的基態(tài)，經(jīng)過(guò)多個(gè)周期的級(jí)聯(lián)后得到較強(qiáng)的光電流輸出；

一上接觸電極層6，其制作在周期性量子阱壘層5上；

其中上、下接觸電極層6、4為電子施主重?fù)诫s銦鎵砷材料；

一空氣橋連接結(jié)構(gòu)7，其一端連接CPW信號(hào)電極層3，另一端連接上接觸電極層6；該空氣橋結(jié)構(gòu)7將位于不同平面上的兩電極相連，確保信號(hào)高速低損耗的從量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器輸出到CPW信號(hào)電極層3，然后被相關(guān)設(shè)備提取使用。

請(qǐng)參閱圖2及圖3，并結(jié)合參閱圖1，本發(fā)明提供一種高速量子級(jí)聯(lián)紅外探測(cè)器的制作方法，包括如下步驟：

步驟1：在一襯底1上依次生長(zhǎng)下接觸電極層4、周期性量子阱壘層5和上接觸電極層6，所述的襯底1為半絕緣襯底，材料為InP材料，該周期性量子阱壘層5為交替生長(zhǎng)的銦鎵砷和銦鋁砷材料；該量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器外延片是采用分子束外延技術(shù)生長(zhǎng)目標(biāo)響應(yīng)波長(zhǎng)的超晶格材料；

步驟2：在上接觸電極層6向下刻蝕，刻蝕深度到達(dá)下接觸層4的表面，在下接觸層4上面的一側(cè)形成一島形；刻蝕該島形探測(cè)器臺(tái)面采用光刻膠掩膜層的辦法，光刻膠采用S1805，堅(jiān)膜時(shí)間5min；將制備好掩膜的外延片經(jīng)過(guò)打膠清潔處理后采用H₃PO₄∶H₂O₂∶H₂O＝1∶1∶10腐蝕液對(duì)樣片進(jìn)行腐蝕，控制好腐蝕深度至下接觸電極層4截止，腐蝕完后去膠，完成島形探測(cè)器臺(tái)面的制備；

步驟3：將島形周圍的下接觸層4刻蝕掉，暴露出襯底1；該步采用稀釋的AZ6130光刻膠制作腐蝕掩膜，掩膜膠的厚度為3.5μm左右，此步中光刻膠要有足夠的厚度以保護(hù)步驟2中完成的探測(cè)器臺(tái)面；

步驟4：在島形的一側(cè)涂光刻膠；該步采用較厚的光刻膠AZ6130，目標(biāo)膠厚約4μm；芯片制備完成去膠后，該區(qū)域即可形成良好的空氣橋連接結(jié)構(gòu)，為便于后面的順利去膠，該步堅(jiān)膜溫度不能太高，120℃堅(jiān)膜10min即可；

步驟5：在暴露出的襯底1上面蒸鍍CPW地電極層2；鍍層為T(mén)i/Au：50nm/100nm；該步采用電子束蒸鍍的辦法，可以獲得質(zhì)量較高的金鍍層，通過(guò)步驟7的電鍍可進(jìn)一步獲得目標(biāo)厚度的金層。

步驟6：在CPW地電極層2腐蝕出一喇叭形的開(kāi)口21，該喇叭形的開(kāi)口21的中間形成一錐形的CPW信號(hào)電極層3，該一喇叭形的開(kāi)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，鈦層腐蝕液利用HF溶液；

步驟7：在CPW地電極層2、CPW信號(hào)電極層3和空氣橋連接結(jié)構(gòu)7上電鍍一層金；電鍍金層厚度為2μm左右，CPW區(qū)域的尺寸及電鍍層的厚度可根據(jù)滿足50歐姆特性阻抗的要求來(lái)調(diào)整；

步驟8：將襯底1靠近島形的一側(cè)的端面磨制一向下的45度斜面，完成制備，紅外光垂直所述斜面入射，該入射方式可以使探測(cè)器對(duì)入射光的吸收利用效率達(dá)到最優(yōu)水平。

其中上、下接觸電極層6、4為電子施主重?fù)诫s銦鎵砷材料。

參閱圖4及圖5，本發(fā)明提供一種高速量子級(jí)聯(lián)紅外探測(cè)器的實(shí)施例，包括：一種4.3μm高速室溫工作的量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器的能帶圖及其20×20μm²，50×50μm²臺(tái)面尺寸器件的頻率響應(yīng)曲線圖。圖4展示了量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器的一個(gè)周期的能帶圖，電子完成A1→A2→B→C→D→E→F→G→H→A的過(guò)程為一個(gè)周期，經(jīng)多個(gè)重復(fù)周期后產(chǎn)生較強(qiáng)的光電流。圖5展示出依照本發(fā)明之方法制備的4.3μm量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器20×20μm²，50×50μm²臺(tái)面尺寸器件的頻率響應(yīng)曲線圖，該高速紅外探測(cè)器具有較高的響應(yīng)帶寬，其中20×20μm²器件為9GHz，50×50μm²器件為4GHz，同時(shí)，50×50μm²器件響應(yīng)高達(dá)11mA/W和20×20μm²器件響應(yīng)為7.8mA/W。該實(shí)例體現(xiàn)了本發(fā)明探測(cè)器的室溫、高速、大響應(yīng)工作的優(yōu)點(diǎn)。

以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。