專利名稱：雙光子無(wú)源紅外上轉(zhuǎn)換成像器件制造方法
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，具體是一種雙光子無(wú) 源紅外上轉(zhuǎn)換成像器件制造方法。
背景技術(shù)：
在可見(jiàn)光和近紅外波段(波長(zhǎng)小于1. 1微米)，硅電荷耦合器件是性能優(yōu)異的 成像器件。波長(zhǎng)長(zhǎng)于其響應(yīng)范圍的紅外光的成像，由于在目標(biāo)追蹤、安防監(jiān)控和 新材料探索等領(lǐng)域的應(yīng)用，得到了越來(lái)越多的關(guān)注。 一般可以用商業(yè)化的紅外相 機(jī)來(lái)對(duì)紅外物體進(jìn)行成像，其主要結(jié)構(gòu)包括紅外探測(cè)器以及復(fù)雜的讀出電路，由 于探測(cè)器和讀出電路價(jià)格昂貴，使得紅外成像的成本很高。利用紅外探測(cè)器和發(fā) 光二極管的集成結(jié)構(gòu)，基于光子頻率上轉(zhuǎn)換的概念，可以將入射的長(zhǎng)波長(zhǎng)的光轉(zhuǎn) 換為短波長(zhǎng)的光，然后用硅電荷耦合器件對(duì)轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的短波長(zhǎng)光進(jìn)行探測(cè)，即可 實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)波長(zhǎng)光的上轉(zhuǎn)換成像。這種成像器件不需要設(shè)計(jì)特殊的讀出電路，因而降 低了紅外成像的成本。但這種上轉(zhuǎn)換成像器件必須在偏壓下工作，將電能和入射 的低能量光子轉(zhuǎn)換為出射的高能量光子。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，L. Zhao等人在《Applied Physics Letters》 (應(yīng)用物理快報(bào))第90巻(2007)第121132頁(yè)上發(fā)表的"Two-photon passive electro-optic upconversion in a GaAs/AlGaAs heterostructure device，， (GaAs/AlGaAs異質(zhì)結(jié)器件中的雙光子無(wú)源電-光上轉(zhuǎn)換) 一文中提出利用 AlGaAs/GaAs多層材料體系組成的異質(zhì)結(jié)器件，在不加偏壓的情況下，由于入射 波長(zhǎng)為808納米的光子能量大于GaAs材料的帶隙能量而小于AlGaAs材料的帶 隙能量，因而GaAs材料中的電子和空穴將被激發(fā)，光生電荷的積累所引起的光 伏效應(yīng)將使AlGaAs發(fā)光材料區(qū)域正向偏置而發(fā)出710納米的光。但是此器件只 能將波長(zhǎng)小于808納米的光進(jìn)行無(wú)源上轉(zhuǎn)換，對(duì)于波長(zhǎng)大于808納米的光，用此 器件不能實(shí)現(xiàn)無(wú)源上轉(zhuǎn)換。基于這種無(wú)源上轉(zhuǎn)換原理，通過(guò)合適地設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)波長(zhǎng)的 雙光子無(wú)源紅外上轉(zhuǎn)換成像。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)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種雙光子無(wú)源紅外上轉(zhuǎn)換成 像器件的制造方法。這種成像方法利用光學(xué)上轉(zhuǎn)換原理，可以將長(zhǎng)波長(zhǎng)紅外光轉(zhuǎn) 換為近紅外光，并通過(guò)硅電荷耦合器件進(jìn)行探測(cè)成像，區(qū)別于現(xiàn)有的紅外成像機(jī) 理及裝置。本發(fā)明克服了現(xiàn)有紅外成像技術(shù)中成本高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn) 了無(wú)偏壓下的紅外成像。
本發(fā)明是通過(guò)以下的技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明包括步驟如下
第一步，確定雙光子無(wú)源紅外上轉(zhuǎn)換成像器件的結(jié)構(gòu)和材料類型。 根據(jù)雙光子無(wú)源紅外上轉(zhuǎn)換成像的機(jī)理，采用金屬-寬帶隙半導(dǎo)體材料-窄帶 隙半導(dǎo)體材料-寬帶隙半導(dǎo)體材料-金屬的結(jié)構(gòu)。在入射紅外光的激發(fā)下，金屬費(fèi) 米能級(jí)附近的電子吸收紅外光子后將越過(guò)金屬-半導(dǎo)體界面勢(shì)壘，進(jìn)入"壘"區(qū) 域(寬帶隙半導(dǎo)體)的導(dǎo)帶；金屬費(fèi)米能級(jí)以下的電子吸收紅外光子后將躍遷至 費(fèi)米能級(jí)附近，相當(dāng)于"壘"區(qū)域半導(dǎo)體的價(jià)帶中進(jìn)入了一個(gè)"空穴"。在內(nèi)建 電場(chǎng)的作用下，電子和空穴都將進(jìn)入"阱"區(qū)域(窄帶隙半導(dǎo)體)，進(jìn)行輻射復(fù) 合而發(fā)出可被硅電荷耦合器件直接探測(cè)的短波長(zhǎng)光子。確定組成雙光子無(wú)源紅外 上轉(zhuǎn)換成像器件的半導(dǎo)體材料類型，選取半導(dǎo)體材料使得器件可以對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)的紅 外光進(jìn)行探測(cè)，并可發(fā)出波長(zhǎng)落在硅電荷耦合器件探測(cè)范圍之內(nèi)的近紅外光。進(jìn) 行半導(dǎo)體材料的選取時(shí)，"壘"區(qū)域半導(dǎo)體材料的帶隙決定了入射紅外光的截 止波長(zhǎng)，入射的雙光子能量之和應(yīng)該大于此帶隙能量，據(jù)此可以通過(guò)選取不同帶 隙的"壘"區(qū)域半導(dǎo)體材料進(jìn)行不同波長(zhǎng)的紅外光上轉(zhuǎn)換成像。"阱"區(qū)域半導(dǎo) 體材料的帶隙決定了轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的近紅外光子的波長(zhǎng)，此波長(zhǎng)應(yīng)落在硅電荷耦合器 件的響應(yīng)范圍之內(nèi)。
根據(jù)以上原則，可采用GaAs/Al。.2。Ga。.8。As， InP/In。.53Ga。.47As或In。.52Al。.48As /InAs半導(dǎo)體材料體系，利用這三組材料體系分別將小于1.5微米，3.3微米以 及6.8微米的光轉(zhuǎn)換為870納米，920納米及840納米的近紅外光。在 GaAs/Al。.2。Ga。.8。As和InP/In。.53Ga。.47As半導(dǎo)體材料體系中，金屬金-寬帶隙半導(dǎo)體-窄帶隙半導(dǎo)體-寬帶隙半導(dǎo)體-金屬金結(jié)構(gòu)的厚度為10納米-200納米-100納米 -200納米-10納米，In。.52Al。.48As/InAs半導(dǎo)體材料體系中，金屬金-寬帶隙半導(dǎo) 體-窄帶隙半導(dǎo)體-寬帶隙半導(dǎo)體-金屬金結(jié)構(gòu)的厚度為10納米-20納米-20納米 -20納米-IO納米。
第二步，用分子束外延方法生長(zhǎng)出上轉(zhuǎn)換器件結(jié)構(gòu)，然后在上下兩個(gè)面沉積 金屬金薄膜，即得到這種雙光子無(wú)源紅外上轉(zhuǎn)換成像器件結(jié)構(gòu)。
根據(jù)具體的器件結(jié)構(gòu)，在選定的半導(dǎo)體材料體系下，選擇襯底材料，用分子 束外延裝置先生長(zhǎng)出雙光子無(wú)源紅外上轉(zhuǎn)換成像器件的寬帶隙半導(dǎo)體-窄帶隙半 導(dǎo)體-寬帶隙半導(dǎo)體部分。然后利用晶片鍵合技術(shù)除去襯底，并在半導(dǎo)體部分的 上下表面沉積金屬金的薄膜。
所述金屬金的薄膜厚度約為io納米。
在不加偏壓的條件下，本發(fā)明得到的器件可將入射的長(zhǎng)波長(zhǎng)紅外光轉(zhuǎn)換為近 紅外光，然后用硅電荷耦合器件對(duì)近紅外光直接進(jìn)行探測(cè)，就可以實(shí)現(xiàn)雙光子無(wú) 源紅外上轉(zhuǎn)換成像。
本發(fā)明提出了一種無(wú)偏壓條件下實(shí)現(xiàn)紅外成像的方法，由于沒(méi)有特殊的讀出 電路，這種方法大大降低了紅外成像的成本，同時(shí)通過(guò)設(shè)計(jì)合適的半導(dǎo)體材料類 型，可以實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)微米的光的無(wú)源上轉(zhuǎn)換成像，并且利用成熟的器件結(jié) 構(gòu)材料和制作工藝，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便，易于操作等優(yōu)點(diǎn)。
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。
本發(fā)明實(shí)施例的實(shí)施步驟如下
(1)確定要生長(zhǎng)的器件結(jié)構(gòu)為金屬-寬帶隙半導(dǎo)體-窄帶隙半導(dǎo)體-寬帶隙半 導(dǎo)體-金屬結(jié)構(gòu)。利用雙光子無(wú)源紅外上轉(zhuǎn)換成像的原理，可以設(shè)計(jì)幾種半導(dǎo)體 材料結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)不同紅外波長(zhǎng)的雙光子無(wú)源上轉(zhuǎn)換，并制作上轉(zhuǎn)換器件結(jié)構(gòu)， 以下面的三種情況為例。
實(shí)施例1:采用GaAS/Al。.2。Ga。.8。AS半導(dǎo)體材料體系，可以將小于1. 5微米的 紅外光轉(zhuǎn)換為870納米的光，從而進(jìn)行雙光子無(wú)源上轉(zhuǎn)換成像。確定襯底為重?fù)?雜的p型GaAs材料，然后生長(zhǎng)300納米的n型GaAs緩沖層(Si摻雜，濃度為2X1016cm—3)，接著依次是250納米的Al。.6。Ga。.4。As的刻蝕層，200納米的n型 Al。.加Ga。，As "壘，，層(Si摻雜，濃度為3X1017 cm—3) ， 100納米的非摻雜 GaAs "阱"層，200納米的n型Al0.20Ga0.8。As "壘"層(Si摻雜，濃度為3X1017 cm )。
實(shí)施例2:采用InP/In。.53Ga。.47As半導(dǎo)體材料體系，可以將小于3. 3微米的 紅外光轉(zhuǎn)換為920納米的光，從而進(jìn)行雙光子無(wú)源上轉(zhuǎn)換成像。確定襯底為InP 材料，然后生長(zhǎng)500納米的IrWUnAs緩沖層(x組分從0到0.52， Si摻雜，面 濃度為1. 5X 1012 cm—2)，接著依次是50畫的In。.53Ga。.47As刻蝕層，200納米的n 型In。.53Ga。.47As "壘"層(Si摻雜，面濃度為4. 9X 1012cm—2) ， 100納米的非摻雜 InP"阱"層，200納米的n型In。.53Ga。.47As"壘"層(Si摻雜，面濃度為4.9X1012 cm )。
實(shí)施例3:采用In。.52Al。，As/InAs半導(dǎo)體材料體系，可以將小于6.8微米的 紅外光轉(zhuǎn)換為840納米的光，從而進(jìn)行雙光子無(wú)源上轉(zhuǎn)換成像。確定襯底為InP 材料，然后生長(zhǎng)5層結(jié)構(gòu)的工nAsyP卜y緩沖層(每層厚度為30納米，y值分別為 0.10， 0.25， 0.45， 0. 70和0.90)，接著是50納米的In。.52Al。.48As刻蝕層，20 納米的InAs "壘"層(Si摻雜，濃度為lX1018Cm3)， 20納米的非摻雜的 In0.52Al。.48As "阱"層，20納米的InAs "壘"層(Si摻雜，濃度為1 X 1018cm—3)。
(2)用分子束外延方法生長(zhǎng)出無(wú)源上轉(zhuǎn)換器件結(jié)構(gòu)后，用稀釋的NH40H清洗 表面，然后用晶片鍵合技術(shù)在表面沉積IO納米厚的金膜。接著除去襯底，并用 標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)去掉刻蝕層，然后用NH40H清洗另一表面，并沉積IO納米厚的金 膜，這樣就得到了雙光子無(wú)源上轉(zhuǎn)換成像器件。在入射長(zhǎng)波長(zhǎng)紅外光的照射下， 上轉(zhuǎn)換器件發(fā)出近紅外光，然后用硅電荷耦合器件直接進(jìn)行探測(cè)，就可以實(shí)現(xiàn)雙 光子無(wú)源紅外上轉(zhuǎn)換成像。
本實(shí)施例實(shí)現(xiàn)的是一種雙光子無(wú)源紅外上轉(zhuǎn)換成像器件，利用這種器件進(jìn)行 成像有許多優(yōu)點(diǎn)首先，可采用常規(guī)的半導(dǎo)體薄膜生長(zhǎng)方法制造器件結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單，易于制作，應(yīng)用方便；其次，這種上轉(zhuǎn)換成像器件不需要任何讀出電路， 相比于商業(yè)化的紅外成像器件，大大降低了成本；同時(shí)這種紅外成像方法是在不 加偏壓的情況下實(shí)現(xiàn)的，器件中的暗電流對(duì)成像的影響可忽略。最后，通過(guò)選取 不同的半導(dǎo)體材料體系，可以實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)的雙光子無(wú)源紅外上轉(zhuǎn)換成像。
權(quán)利要求
1、一種雙光子無(wú)源紅外上轉(zhuǎn)換成像器件制造方法，其特征在于步驟如下第一步，確定雙光子無(wú)源紅外上轉(zhuǎn)換成像器件的結(jié)構(gòu)和材料類型雙光子無(wú)源紅外上轉(zhuǎn)換成像器件的結(jié)構(gòu)采用金屬-寬帶隙半導(dǎo)體材料-窄帶隙半導(dǎo)體材料-寬帶隙半導(dǎo)體材料-金屬的結(jié)構(gòu)；雙光子無(wú)源紅外上轉(zhuǎn)換成像器件的材料類型選取半導(dǎo)體材料，進(jìn)行半導(dǎo)體材料的選取時(shí)， “壘”區(qū)域半導(dǎo)體材料的帶隙決定了入射紅外光的截止波長(zhǎng)，入射的雙光子能量之和應(yīng)該大于此帶隙能量；“阱”區(qū)域半導(dǎo)體材料的帶隙決定了轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的近紅外光子的波長(zhǎng)，此波長(zhǎng)應(yīng)落在硅電荷耦合器件的響應(yīng)范圍之內(nèi)；第二步，根據(jù)具體的器件結(jié)構(gòu)，在選定的半導(dǎo)體材料體系下，選擇襯底材料，用分子束外延裝置先生長(zhǎng)出雙光子無(wú)源紅外上轉(zhuǎn)換成像器件的寬帶隙半導(dǎo)體-窄帶隙半導(dǎo)體-寬帶隙半導(dǎo)體部分，然后利用晶片鍵合技術(shù)除去襯底，并在半導(dǎo)體部分的上下表面沉積金屬金的薄膜，即得到雙光子無(wú)源紅外上轉(zhuǎn)換成像器件。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙光子無(wú)源紅外上轉(zhuǎn)換成像器件制造方法，其特 征是，所述的半導(dǎo)體材料是GaAs/Al。.2。Ga。,8。As， InP/In。.53Ga。.47As或In。.52Al。.48As /InAs，在GaAs/Al。.2。Ga。.8。As和InP/In。.53Ga。.47As半導(dǎo)體材料體系中，金屬金-寬 帶隙半導(dǎo)體-窄帶隙半導(dǎo)體-寬帶隙半導(dǎo)體-金屬金結(jié)構(gòu)的厚度為10納米-200納 米-100納米-200納米-IO納米，In。.52Al。.48As/InAs半導(dǎo)體材料體系中，金屬金-寬帶隙半導(dǎo)體-窄帶隙半導(dǎo)體-寬帶隙半導(dǎo)體-金屬金結(jié)構(gòu)的厚度為10納米-20納 米-20納米-20納米-10納米；利用這三組材料體系分別將小于1. 5微米，3. 3 微米以及6. 8微米的光轉(zhuǎn)換為870納米，920納米及840納米的近紅外光。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的雙光子無(wú)源紅外上轉(zhuǎn)換成像器件制造方法， 其特征是，所述的半導(dǎo)體材料采用GaAS/Al。.2。Ga。.8。AS時(shí)，確定襯底為重?fù)诫s的p 型GaAs材料，然后生長(zhǎng)300納米的n型GaAs緩沖層，該層中Si摻雜，濃度為 2X10 m-3;接著依次是250納米的Al .6。GaQ.4。As的刻蝕層，200納米的n型 Al。.2。Ga。.8。As "壘"層，該層中Si摻雜，濃度為3Xl(Tcm—3; 100納米的非摻雜 GaAs "阱"層，200納米的n型Al。.2。Ga。.s。As "壘"層，該層中Si摻雜，濃度為3X1017cm—3。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的雙光子無(wú)源紅外上轉(zhuǎn)換成像器件制造方法， 其特征是，所述的半導(dǎo)體材料采用InP/In。.53Ga。.47As時(shí)，確定襯底為InP材料， 然后生長(zhǎng)500納米的In,AlnAs緩沖層，該層中x組分從0到0. 52， Si摻雜，面 濃度為1. 5X 1012 cm—2，接著依次是50 nm的In。.53Ga。.47As刻蝕層，200納米的n 型In。.53Ga。.47As "壘"層，該層中Si摻雜，面濃度為4. 9X 1012cm—2， 100納米的 非摻雜InP "阱"層，200納米的n型In。.53Ga。.47As "壘"層，該層中Si摻雜， 面濃度為4. 9X1012cm—2。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的雙光子無(wú)源紅外上轉(zhuǎn)換成像器件制造方法， 其特征是，所述的半導(dǎo)體材料采用In。.52Al。.48As/InAs時(shí)，確定襯底為InP材料， 然后生長(zhǎng)5層結(jié)構(gòu)的InAsyP卜y緩沖層，該層中每層厚度為30納米，y值分別為 0.10， 0.25， 0.45， 0. 70和0.90，接著是50納米的In。.52Al。.48As刻蝕層，20納 米的InAs"壘"層，該層中Si摻雜，濃度為lX1018cm—3， 20納米的非摻雜的 In。.52Al。.48As "阱"層，20納米的InAs "壘"層，該層中Si摻雜，濃度為1 X 1018一3cm
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙光子無(wú)源紅外上轉(zhuǎn)換成像器件制造方法，其特 征是，所述金屬金的薄膜厚度為10納米。
全文摘要
一種半導(dǎo)體光電探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的雙光子無(wú)源紅外上轉(zhuǎn)換成像器件制造方法。步驟如下(1)確定雙光子無(wú)源紅外上轉(zhuǎn)換成像器件為金屬金-寬帶隙半導(dǎo)體-窄帶隙半導(dǎo)體-寬帶隙半導(dǎo)體-金屬金的結(jié)構(gòu)，選擇不同的半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)的雙光子無(wú)源上轉(zhuǎn)換，確定寬帶隙半導(dǎo)體和窄帶隙半導(dǎo)體的材料結(jié)構(gòu)參數(shù)；(2)用分子束外延方法先生長(zhǎng)無(wú)源上轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，然后在器件結(jié)構(gòu)上下表面分別沉積金膜，即可得到雙光子無(wú)源紅外上轉(zhuǎn)換成像器件。本發(fā)明可對(duì)波長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)微米的紅外光進(jìn)行無(wú)源上轉(zhuǎn)換成像，大大降低了紅外探測(cè)成像的成本，而且工藝簡(jiǎn)單，應(yīng)用方便。
文檔編號(hào)H01L21/70GK101299434SQ20081003918
公開(kāi)日2008年11月5日 申請(qǐng)日期2008年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月19日
發(fā)明者劉惠春, 武樂(lè)可, 沈文忠 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)