專利名稱：無分立像元光學(xué)讀出的量子阱紅外焦平面芯片的制作方法
本專利是關(guān)于一種無分立象元且采用光學(xué)方法直接進(jìn)行紅外信號讀出的量子阱紅外焦平面芯片設(shè)計。
在目前的量子型紅外焦平面技術(shù)中，光敏元芯片都是由若干通過空間上電學(xué)與光學(xué)上分離的象元組成(如HgCdTe,InSb,PtSi,GaAs/AlGaAs多量子阱等紅外焦平面器件)，焦平面的規(guī)模完全由象元數(shù)的多少決定，因此焦平面規(guī)模完全由當(dāng)前紅外光電子技術(shù)與微電子技術(shù)的水平?jīng)Q定。至今位于中波和長波紅外窗口波段(如3-5μm和8-14μm)紅外焦平面的技術(shù)水平仍未突破516×516元。而可見光或近紅外波段的SiCCD焦平面規(guī)模已超過1024×1024元，且發(fā)展勢頭很強(qiáng)，中波或長波紅外焦平面規(guī)模與硅CCD焦平面規(guī)模之間的差異主要是由于中、長波紅外材料及器件工藝的相對不成熟所致。同時工業(yè)界在Si基器件上投入的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于紅外器件上的投入，且還將繼續(xù)保持這種不均等的態(tài)勢，因此任何一種有可能將紅外焦平面功能轉(zhuǎn)化成由SiCCD輔助實現(xiàn)的技術(shù)都是很有實用價值的。
現(xiàn)有的量子型紅外焦平面芯片技術(shù)可分解成以下二個方面1．優(yōu)質(zhì)材料的制備該材料必須有很好的光學(xué)和電學(xué)性能，最終器件的性能是光學(xué)與電學(xué)性能的綜合表現(xiàn)，即光學(xué)性能必須保證入射的紅外光應(yīng)盡可能完全地被材料吸收并產(chǎn)生相應(yīng)的光電子，接著材料的電學(xué)性能要保證電子有足夠的平均自由程，從而可以在器件中遷移和輸出一個電信號，完成將紅外光轉(zhuǎn)換成電信號的任務(wù)。
2．器件芯片結(jié)構(gòu)的制備這一過程需要完成可與讀出電路耦合的、在電學(xué)上相互隔離的、具有良好光電響應(yīng)的、空間上均勻分布的、各單元性能一致性好的眾多單元列陣，其中要保證擁有成千上萬個單元的列陣中各單元性能相一致是極為困難，給整個工藝的流程提出了非常嚴(yán)格的要求。
一旦上述芯片完成，照射在某一單元上紅外光引起的面積分電學(xué)信號可以通過該單元體現(xiàn)。所以對照射在芯片上紅外圖像而言，單元器件的尺寸決定了象元的大小，而元數(shù)的多少決定了空間分辨率。
本發(fā)明的目的是提供一種無分立像元光學(xué)讀出的量子阱紅外焦平面芯片。它獨立于上述傳統(tǒng)原理，將紅外光信號轉(zhuǎn)換成可見或近紅外光信號，從而可直接用硅CCD器件進(jìn)行探測，且可以使整個工藝過程被大大地簡化。
本發(fā)明的目的通過如下技術(shù)方案達(dá)到所說的量子阱芯片利用外延手段生長出帶有n型摻雜和p型摻雜的量子阱結(jié)構(gòu)材料，其兩個量子阱中的載流子均可由紅外光激發(fā)到連續(xù)態(tài)并在外場作用下導(dǎo)致電子與空穴相互靠攏，最后復(fù)合發(fā)光。在量子阱芯片上形成下、下電極，靠近n型量子阱的電極上所加的偏壓相對加在靠近p型量子阱的偏壓是正的，將高靈敏度的SiCCD器件與透鏡及量子阱芯片在組件上一體化，將量子阱芯片在低于80K的低溫下工作，以避免可見與近紅外波段的雜散光進(jìn)入及降低由熱激發(fā)導(dǎo)致的可見光發(fā)光本底。而用SiCCD器件記錄量子阱芯片將紅外光圖象轉(zhuǎn)換成的可見光圖象直接光學(xué)讀出。
為了便于說明，我們給出了闡述本發(fā)明的示意圖如下

圖1為本發(fā)明中新型量子阱紅外焦平面芯片的焦平面功能實施示意圖。
圖2為GaAs/AlGaAs多量子阱新型紅外焦平面芯片光電響應(yīng)及光學(xué)輸出的原理示意圖。
圖3為本發(fā)明中量子阱芯片材料結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本發(fā)明中量子阱芯片電極結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為本發(fā)明中減薄襯底形成光柵示意圖。
圖6為本發(fā)明中芯片置于制冷杜瓦中示意圖。
下面我們結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細(xì)的闡述。
由紅外光4輔助產(chǎn)生的光電子僅在入射光方向上傳輸與復(fù)合，在垂直于入射方向上的擴(kuò)散而引起的受紅外光輔助增加的可見光5發(fā)光在焦平面上的位置與紅外光照射點在焦平面上位置的差別最大極限是載流子平均自由程和由光柵引起的光學(xué)串音，只要芯片厚度足夠薄(如已報道的小于10μm)，則這一差異將小于15μm。所以紅外光輔助的可見光5發(fā)光在芯片上的圖案與照射在芯片上的紅外光4自身形成的圖案將在誤差小于15μm的精度上重合。因此由SiCCD器件3觀察到的芯片上紅外光輔助的可見光發(fā)光圖案就表征了在芯片上紅外光的熱像圖案。實現(xiàn)了對紅外熱像圖案的光學(xué)直接讀出。
1．芯片的具體制備如下為了能將原理闡述更清晰，下面以GaAs/AlGaAs量子阱材料為例。
(1)芯片薄膜材料的生長參見圖3，采用分子束外延(MBE)或金屬有機(jī)氣相沉積(M0CVD)等薄膜生長技術(shù)，生長典型的量子阱結(jié)構(gòu)材料，如在GaAs襯底110上順次生長以下結(jié)構(gòu)1018/cm3濃度的Si摻雜GaAs(1μm)層109，Al0.35Ga0.65As(50nm)層108,GaAs(2.55nm 9個原子層)Si摻雜濃度為1018/cm3層107,Al0.35Ga0.65As(50nm)層106,GaAs(2.36nm 8個原子層)Be摻雜濃度為1018/cm3的層105,Al0.35Ga0.65As(50nm)層104,1018/cm3濃度的Si摻雜GaAs 100nm層103。
在上述結(jié)構(gòu)中寬度為2.55nm的107層GaAs量子阱中第一激發(fā)態(tài)已處于連續(xù)態(tài)位置，而基態(tài)上由于Si的摻入而有大量電子積累；寬度為2.36nm的105層GaAs量子阱中第一激發(fā)態(tài)也已進(jìn)入連續(xù)態(tài)，而基態(tài)上由于Be的摻雜而有大量空穴積累。同時二個阱中基態(tài)與第一激發(fā)態(tài)之間的能量差相同(120meV)。
(2)電極制備參見圖4，上電極101用于加負(fù)偏壓，直接做在最頂部的103層上。下電極102加正偏壓，直接做在底部的109層上，通過腐蝕把部分103層，104層，105層，106層，107層，108層去除，裸露出109層，再在該層上制備電極。
(3)參見圖5，減薄GaAs襯底110到10μm，并在襯底上通過腐蝕方法形成光柵，使入射的紅外光能被充分地耦合到量子阱中去，產(chǎn)生量子阱105層中的空穴與量子阱107層中的電子從基態(tài)向第一激發(fā)態(tài)躍遷。
2、芯片工作條件如下為了能將原理闡述清楚，繼續(xù)以上述GaAs/AlGaAs量子阱材料為例。
參見圖6，將芯片1放置在一個帶有一邊為可見光光學(xué)窗口7，另一邊為紅外波段的紅外光光學(xué)窗口6的致冷杜瓦8中，紅外光4入射光線透過紅外光學(xué)窗口6進(jìn)入杜瓦8到達(dá)量子阱芯片1上，轉(zhuǎn)換成可見光5透過可見光光學(xué)窗口7出射出杜瓦。芯片致冷到約80K。
用MBE方法生長出含有n型摻雜和p型摻雜的雙量子阱薄膜材料，在二個量子阱外側(cè)分別做電極，在n型量子阱一側(cè)加正偏壓，p型量子阱一側(cè)加負(fù)偏壓，此時由于熱激發(fā)引起的二個阱中的逸出電子與空穴將相互靠攏，最終相互散射或形成激子并由輻射復(fù)合產(chǎn)生熒光(類似于光二極管的發(fā)光過程)。由于把n型摻雜量子阱與p型摻雜阱的基態(tài)與第一激發(fā)態(tài)之差(對n摻雜阱指導(dǎo)帶阱中的子能級，對p型摻雜阱指價帶阱中的子能級)相同并為120meV左右(對應(yīng)光子波長約為10μm)，所以當(dāng)外部有10μm左右的紅外輻射照在該結(jié)構(gòu)上時，處于基態(tài)上的電子和空穴會吸收紅外光子后躍遷到第一激發(fā)態(tài)，類似于常規(guī)的量子阱紅外探測器中量子阱的設(shè)計，將第一激發(fā)態(tài)置于阱的勢壘口邊或更高能量位置，則激發(fā)到第一激發(fā)態(tài)上的電子與空穴也會在外電場驅(qū)動下相互接近并產(chǎn)生輻射復(fù)合。這樣就完成了紅外光輔助的可見熒光加強(qiáng)。從某種意義上講，這樣的光電子過程使我們能夠把紅外光與電能結(jié)合后產(chǎn)生可見光光子，從而使我們能夠把對紅外光的探測轉(zhuǎn)換成對可見光的探測。
有了上述結(jié)構(gòu)的芯片，我們可把該芯片放在SiCCD器件3之前并用一聚光透鏡2將芯片上的可見光聚焦到SiCCD器件3上。樣品上加的電壓方向與紅外入射光方向一致。在芯片引出的二個電極按極性加5V的偏置電壓，此時類似于發(fā)光二極管，芯片會產(chǎn)生微弱的電致發(fā)光，并從可見光光學(xué)窗口7出射出可見光5(波長約為800nm)，再將入射的紅外光4(波長約10μm)射入紅外光光學(xué)窗口6，照到芯片上。這時由于紅外光輔助躍遷的電子與空穴會按圖2的工作模式參與可見光的發(fā)光。
3、參見圖1和圖6，在杜瓦的可見光學(xué)窗口7前放置一個透鏡2和一個SiCCD器件3，直接探測由量子阱芯片1發(fā)射出的可見光以及可見光發(fā)光點在芯片上的分布。由偏置電壓直接產(chǎn)生的發(fā)光在芯片上是均勻分布的。但紅外光輔助的發(fā)光點在芯片上分布是與照射在芯片上的紅外圖像相一致的。這樣由SiCCD器件3提供的芯片發(fā)光分布圖案上是一個均勻的發(fā)光本底與一個與在芯片上的紅外圖像一致的發(fā)光圖案疊加，至此紅外圖象信號被光學(xué)地讀出了。
本發(fā)明有如下有益效果和優(yōu)點1、本發(fā)明可以很方便地將紅外圖象轉(zhuǎn)變成可見光圖象，從而把相對不成熟的紅外光電探測技術(shù)問題轉(zhuǎn)化成十分成熟的可見光波段的光電探測技術(shù)問題，并直接與SiCCD器件這一發(fā)展得十分成熟的技術(shù)相結(jié)合。
2、本發(fā)明對紅外圖象讀出的方式比通常紅外焦平面讀出方式要簡單得多，可以明確地回避在超大規(guī)模(如1024×1024元規(guī)模)時遇到的對微電子工藝的極高要求。
3、本發(fā)明芯片在接受紅外圖象時不需要分立的象元。從而不需要目前普遍的制備紅外焦平面及芯片時的象元分離技術(shù)，大大地簡化了工藝環(huán)節(jié)。
4、本發(fā)明在圖象成象應(yīng)用中可以有很好的均勻性。從而大大地改善作為焦平面最為重要指標(biāo)之一的均勻性特性。不同于普遍使用的紅外焦平面制備技術(shù)，本發(fā)明中的芯片均勻性將主要由材料自身性能以及SiCCD器件均勻性決定。而GaAs系列材料已有十分好的均勻性，同樣SiCCD器件的均勻性也遠(yuǎn)優(yōu)于紅外焦平面的均勻性。
5、本發(fā)明將消除焦平面中需排除的盲點存在的可能性。芯片起著一種無需電子束掃描的紅外熒光屏的作用。
權(quán)利要求
1．一種無分立象元光學(xué)讀出的量子阱紅外焦平面芯片，包括量子阱芯片、聚焦透鏡和SiCCD器件，其特征在于(a)所說的量子阱芯片(1)是利用外延手段生長出帶有n型摻雜和p型摻雜的量子阱結(jié)構(gòu)材料，其二個量子阱中的載流子均可由紅外光激發(fā)到連續(xù)態(tài)并在外電場作用下導(dǎo)致電子與空穴相互靠攏，最后復(fù)合發(fā)光；在量子阱芯片(1)上形成上、下電極，靠近n型量子阱的電極上所加的偏壓相對加在靠近p型量子阱電極的偏壓是正的；(b)將高靈敏度的SiCCD器件(3)與透鏡(2)及量子阱芯片(1)在組件上一體化，將量子阱芯片(1)置于低于80K的低溫下工作，用SiCCD器件(3)記錄量子阱芯片(1)將紅外光圖象轉(zhuǎn)換成的可見光圖象直接光學(xué)讀出。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種無分立象元光學(xué)讀出的量子阱紅外焦平面芯片的設(shè)計。它可以把在芯片上的紅外圖像直接轉(zhuǎn)換成可見光圖象,從而把紅外探測技術(shù)轉(zhuǎn)換到可見光探測技術(shù),使對紅外目標(biāo)成像的芯片在空間分辨上達(dá)到可見光成像的水平。還介紹了該芯片的結(jié)構(gòu)。包括量子阱材料具體結(jié)構(gòu)設(shè)計、摻雜條件、芯片的電極設(shè)計、偏置電壓條件及與可見光探測系統(tǒng)的相互結(jié)合。
文檔編號H04N5/74GK1219788SQ98121959
公開日1999年6月16日 申請日期1998年10月22日 優(yōu)先權(quán)日1998年10月22日
發(fā)明者陸衛(wèi), 陳效雙, 劉興權(quán), 李寧, 李娜, 陳益棟, 劉平, 竇紅飛, 付英, W·馬格納斯 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所