專利名稱：帶反射鏡的無像元遠紅外上轉換成像裝置制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種半導體光電探測技術領域的方法，具體是一種帶反射鏡的無像元遠紅外上轉換成像裝置制造方法。
背景技術：
遠紅外探測成像在天體物理、生物醫(yī)學和新材料探索等研究方面具有廣泛的應用前景。由于遠紅外成像技術上的困難、遠紅外探測器的昂貴、以及復雜的讀出電路，遠紅外探測成像只用于特殊的用途。通過低廉的砷化鎵同質結遠紅外探測器與砷化鎵和鋁鎵砷發(fā)光二極管的集成結構，在遠紅外光輻射下，探測器的電阻下降，引起發(fā)光二極管上電壓的增加，使發(fā)光二極管發(fā)出可被硅電荷耦合器件探測的近紅外光，這樣就可以實現(xiàn)遠紅外光的成像。這種半導體無像元遠紅外成像裝置不需要讀出電路，因此降低了遠紅外成像成本。然而由于發(fā)光二極管中的光子出射效率較低，導致成像的效率不高，不利于遠紅外成像商業(yè)化的應用。
經(jīng)對現(xiàn)有技術的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，Dana Delbeke等人在《IEEE Journal ofSelected Topics in Quantum Electronics》(量子電子學精選話題雜志)第8卷第2期(2002)189頁發(fā)表的“High-Efficiency SemiconductorResonant-Cavity Light-Emitting DiodesA Review”(高效半導體共振腔發(fā)光二極管綜述)中分別提出在發(fā)光二極管頂部和底部加分布式布拉格反射鏡(DBR)，可以使發(fā)光二極管中光子的出射角大部分落在布儒斯特角以內，從而提高光子的出射效率，使得利用反射鏡提高砷化鎵同質結遠紅外探測器與砷化鎵和鋁鎵砷發(fā)光二極管集成的無像元遠紅外上轉換成像器件的成像效率成為可能。
在進一步的檢索中，尚未發(fā)現(xiàn)與本發(fā)明主題相同或者類似的文獻報道。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于通過在發(fā)光二極管頂部和底部加上DBR反射鏡來提高發(fā)光二極管中光子的出射效率，提供一種帶反射鏡的無像元遠紅外上轉換成像裝置制造方法。本發(fā)明克服了半導體遠紅外成像器件效率低，難以實現(xiàn)有效成像的困難。
本發(fā)明是通過以下的技術方案來實現(xiàn)的，針對半導體無像元遠紅外上轉換成像機理的特點，本發(fā)明制造方法步驟如下(1)確定帶反射鏡的無像元遠紅外上轉換成像裝置的結構，以及發(fā)光二極管DBR反射鏡的材料；本發(fā)明所要制造的帶反射鏡的無像元遠紅外上轉換成像裝置由砷化鎵同質結遠紅外探測器與砷化鎵和鋁鎵砷發(fā)光二極管串聯(lián)集成得到，在砷化鎵和鋁鎵砷發(fā)光二極管的頂部和底部分別增加DBR反射鏡?？紤]到晶格匹配，確定DBR反射鏡為交替生長的砷化鎵層和鋁鎵砷層的周期性結構。
(2)利用電磁波矢量分解的方法，同時考慮駐波效應，進而得到發(fā)光二極管中光子的出射效率，通過使發(fā)光二極管中光子出射效率最高來優(yōu)化DBR反射鏡的參數(shù)以及發(fā)光二極管的參數(shù)；本發(fā)明利用電磁波矢量分解的方法，同時考慮駐波效應來研究發(fā)光二極管中的自發(fā)發(fā)射，得到發(fā)光二極管的光子出射效率與DBR反射鏡的參數(shù)以及發(fā)光二極管的參數(shù)的關系。在發(fā)光二極管參數(shù)固定的情況下，通過考察光子出射效率使其最高來得到優(yōu)化的DBR反射鏡的參數(shù)；在優(yōu)化的DBR反射鏡參數(shù)的條件下通過考察光子出射效率使其最大來優(yōu)化發(fā)光二極管的參數(shù)；這樣就可以確定帶DBR反射鏡的發(fā)光二極管的優(yōu)化結構。
(3)用分子束外延裝置先生長砷化鎵同質結遠紅外探測器結構，接著外延生長頂部DBR反射鏡、砷化鎵和鋁鎵砷發(fā)光二極管、以及底部DBR反射鏡，就得到了帶反射鏡的無像元遠紅外上轉換成像裝置。
本發(fā)明用分子束外延裝置先在砷化鎵襯底上生長砷化鎵同質結遠紅外探測器；在探測器上接著串聯(lián)生長發(fā)光二極管底部的DBR反射鏡，然后生長砷化鎵和鋁鎵砷發(fā)光二極管，最后生長頂部的DBR反射鏡。這樣即可得到帶反射鏡的無像元遠紅外上轉換成像裝置，可以實現(xiàn)高效的遠紅外成像。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明實現(xiàn)了一種帶反射鏡的無像元遠紅外上轉換成像裝置的制造，通過DBR反射鏡在發(fā)光二極管上的應用來提高光子出射效率(約為20％)，從而可以提高半導體無像元遠紅外上轉換成像器件的成像效率(2-3倍)。
具體實施例方式
下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)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(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
(1)確定帶反射鏡的無像元遠紅外上轉換成像裝置由砷化鎵同質結遠紅外探測器與砷化鎵和鋁鎵砷發(fā)光二極管串聯(lián)集成得到，在砷化鎵和鋁鎵砷發(fā)光二極管的頂部和底部增加DBR反射鏡。確定要生長的DBR反射鏡為交替生長的砷化鎵層和鋁鎵砷層的周期性結構，根據(jù)DBR反射鏡的特點，由于砷化鎵和鋁鎵砷發(fā)光二極管的出射波長約為880nm，因此砷化鎵層和鋁鎵砷層的厚度都應為220nm。
本實施例中，砷化鎵和鋁鎵砷發(fā)光二極管本身為現(xiàn)有技術，由依次生長的p型鋁鎵砷限制層、鋁鎵砷組分漸變層、砷化鎵激活層、鋁鎵砷組分漸變層以及n型鋁鎵砷限制層構成。
(2)根據(jù)電磁波矢量分解的方法，同時考慮駐波效應，得到發(fā)光二極管中光子的出射效率η為 其中r1和r2分別是頂部和底部DBR反射鏡的反射率，是與頂部和底部DBR反射鏡的周期數(shù)相關的量，頂部和底部DBR反射鏡的周期數(shù)稱為DBR的參數(shù)。和′分別是頂部到底部DBR反射鏡的相位，以及發(fā)光二極管的激活層到底部DBR反射鏡的相位，它們依賴于頂部和底部DBR反射鏡的距離，以及發(fā)光二極管的激活層到頂部DBR反射鏡與其到底部DBR反射鏡距離的比值，所依賴的這兩個量稱之為發(fā)光二極管的參數(shù)。先固定發(fā)光二極管的參數(shù)，考察光子出射效率與DBR反射鏡的參數(shù)的關系，當光子出射效率達到最大的DBR反射鏡參數(shù)即為優(yōu)化的DBR反射鏡參數(shù)。然后在優(yōu)化的DBR反射鏡參數(shù)下，考察光子出射效率與發(fā)光二極管參數(shù)的關系，光子出射效率最大時候的發(fā)光二極管參數(shù)即為優(yōu)化的發(fā)光二極管的參數(shù)。這樣得到的DBR反射鏡的參數(shù)為頂部DBR反射鏡為1個周期的砷化鎵層和鋁鎵砷層結構，底部DBR反射鏡為6個周期的砷化鎵層和鋁鎵砷層結構。同時得到的發(fā)光二極管參數(shù)為頂部和底部DBR反射鏡的距離為2500nm，且發(fā)光二極管的激活層到頂部DBR反射鏡的距離與其到底部DBR反射鏡距離的比值為1∶9。
(3)用分子束外延裝置生長的帶反射鏡的無像元遠紅外上轉換成像裝置包括在半絕緣的砷化鎵襯底上生長砷化鎵同質結遠紅外探測器結構，在此基礎上外延生長6個周期的砷化鎵層(220nm)和鋁鎵砷層(220nm)結構作為發(fā)光二極管的底部DBR反射鏡；然后生長砷化鎵和鋁鎵砷發(fā)光二極管結構，具體為依次生長的p型鋁鎵砷限制層(Al0.30Ga0.70As，厚度為210nm，鈹摻雜，摻雜濃度為p型2.5×1018cm-3)，30nm的組分漸變層(AlxGa1-xAs，x從0.30漸變至0.10)，砷化鎵激活層(厚度為300nm，鈹摻雜，摻雜濃度為p型1×1018cm-3)，30nm的鋁鎵砷組分漸變層(AlxGa1-xAs，x從0.10漸變至0.30)，以及n型鋁鎵砷限制層(Al0.30Ga0.70As，厚度為10nm，硅摻雜，摻雜濃度為n型2.5×1018cm-3)；然后繼續(xù)外延生長1個周期的砷化鎵層(220nm)和鋁鎵砷層(220nm)結構作為發(fā)光二極管的頂部DBR反射鏡，以及30nm的鋁鎵砷緩沖層(Al0.30Ga0.70As，硅摻雜，摻雜濃度為n型4×1019cm-3)，最后覆蓋500nm的硅摻雜砷化鎵頂部電極層，摻雜濃度為n型2×1018m-3。這樣即可得到帶反射鏡的無像元遠紅外上轉換成像裝置。這種帶反射鏡的無像元遠紅外上轉換成像裝置在遠紅外光輻射下，砷化鎵探測器的電阻下降，引起砷化鎵和鋁鎵砷發(fā)光二極管上電壓的增加，使得發(fā)光二極管的激活層中產生近紅外光子，由于頂部和底部DBR反射鏡的存在，這些近紅外光子有很大幾率發(fā)射出去而可以被硅電荷耦合器件探測到，這樣就實現(xiàn)了高效的無像元遠紅外成像。
依據(jù)本實施例生長的帶反射鏡的無像元遠紅外上轉換成像裝置的效率，將是不帶反射鏡成像器件效率的2-3倍，極大地改善了成像性能，為實現(xiàn)成熟半導體遠紅外成像的普遍應用奠定了基礎。
權利要求
1.一種帶反射鏡的無像元遠紅外上轉換成像裝置制造方法，其特征在于，包括步驟如下(1)帶反射鏡的無像元遠紅外上轉換成像裝置由砷化鎵同質結遠紅外探測器、砷化鎵和鋁鎵砷發(fā)光二極管串聯(lián)集成得到，在砷化鎵和鋁鎵砷發(fā)光二極管的頂部和底部分別設有分布式布拉格反射鏡，分布式布拉格反射鏡為交替生長的砷化鎵層和鋁鎵砷層的周期性結構；(2)利用電磁波矢量分解的方法，同時考慮駐波效應，得到發(fā)光二極管中光子的出射效率，通過使發(fā)光二極管中光子出射效率最高來優(yōu)化分布式布拉格反射鏡的參數(shù)以及發(fā)光二極管的參數(shù)；(3)用分子束外延裝置先生長砷化鎵同質結遠紅外探測器結構，接著外延生長頂部分布式布拉格反射鏡、砷化鎵和鋁鎵砷發(fā)光二極管以及底部分布式布拉格反射鏡，就得到了帶反射鏡的無像元遠紅外上轉換成像裝置。
2.根據(jù)權利要求1所述的帶反射鏡的無像元遠紅外上轉換成像裝置制造方法，其特征是，所述的步驟(2)中，利用電磁波矢量分解的方法，同時考慮駐波效應研究頂部和底部設有分布式布拉格反射鏡的砷化鎵和鋁鎵砷發(fā)光二極管中的自發(fā)發(fā)射，得到發(fā)光二極管中光子的出射效率與分布式布拉格反射鏡參數(shù)以及發(fā)光二極管參數(shù)的關系，固定發(fā)光二極管的參數(shù)，當光子出射效率達到最大的分布式布拉格反射鏡參數(shù)即為優(yōu)化的分布式布拉格反射鏡參數(shù)；在優(yōu)化的分布式布拉格反射鏡參數(shù)下，光子出射效率達到最大的發(fā)光二極管參數(shù)即為優(yōu)化的發(fā)光二極管的參數(shù)。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的帶反射鏡的無像元遠紅外上轉換成像裝置制造方法，其特征是，所述的砷化鎵和鋁鎵砷發(fā)光二極管，其出射波長在880nm附近，落在硅電荷耦合器件的探測范圍之內。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的帶反射鏡的無像元遠紅外上轉換成像裝置制造方法，其特征是，所述的砷化鎵和鋁鎵砷發(fā)光二極管，其砷化鎵層和鋁鎵砷層的厚度為220nm。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的帶反射鏡的無像元遠紅外上轉換成像裝置制造方法，其特征是，所述砷化鎵和鋁鎵砷發(fā)光二極管，其頂部的分布式布拉格反射鏡為1個周期的砷化鎵層和鋁鎵砷層結構，底部的分布式布拉格反射鏡為6個周期的砷化鎵層和鋁鎵砷層結構。
6.根據(jù)權利要求1或2所述的帶反射鏡的無像元遠紅外上轉換成像裝置制造方法，其特征是，所述砷化鎵和鋁鎵砷發(fā)光二極管，其頂部和底部分布式布拉格反射鏡之間的距離為2500nm。
7.根據(jù)權利要求1或2所述的帶反射鏡的無像元遠紅外上轉換成像裝置制造方法，其特征是，所述砷化鎵和鋁鎵砷發(fā)光二極管，其砷化鎵激活層到頂部分布式布拉格反射鏡的距離與砷化鎵激活層到底部分布式布拉格反射鏡距離的比值為1∶9。
全文摘要
一種帶反射鏡的無像元遠紅外上轉換成像裝置制造方法。步驟如下(1)確定探測器類型為砷化鎵同質結遠紅外探測器，發(fā)光二極管的頂部和底部DBR反射鏡為砷化鎵層和鋁鎵砷層的周期性結構；(2)利用電磁波矢量分解的方法并考慮駐波效應優(yōu)化了頂部和底部DBR反射鏡的參數(shù)以及發(fā)光二極管的參數(shù)；(3)用分子束外延裝置先生長出砷化鎵同質結遠紅外探測器，在此基礎上依次生長頂部DBR反射鏡、砷化鎵和鋁鎵砷發(fā)光二極管、以及底部DBR反射鏡，就得到了帶反射鏡的無像元遠紅外上轉換成像裝置。本發(fā)明提高了遠紅外上轉換成像的效率，為成熟半導體遠紅外成像的普遍應用奠定了基礎。
文檔編號H01L31/18GK101079455SQ20071004112
公開日2007年11月28日 申請日期2007年5月24日 優(yōu)先權日2007年5月24日
發(fā)明者沈文忠, 武樂可, 郝惠蓮 申請人:上海交通大學