[发明专利]无光栅耦合的n型GaAs/AlGaAs多量子阱红外焦平面器件

说明书

本发明涉及GaAs/AlGaAs多量子阱红外焦平面探测器，具体涉及无光栅耦合的n型GaAs/AlGaAs多量子阱红外焦平面探测器。

在目前的量子阱红外探测器中，最接近商业性生产的是n型GaAs/AlGaAs多量子阱红外焦平面器件，目前已有法国、美国等公司即将完成商业开发，其规模已到256×256甚至512×512，为此焦平面上的光敏元尺寸在线度上也达到了30微米甚至更小的程度。但由于在原理上这类红外探测器对正入射的红外辐射无响应，人们必需在焦平面器件上采用光栅耦合的基本结构。光栅的具体结构参数对红外辐射的耦合效率较为敏感，为此光栅必需进行精细地制备，这无疑增加了量子阱红外焦平面器件的制备难度，使器件在刻蚀工艺的精度控制上需要从对30微米尺度图形的控制提高到对3微米尺度图形的控制。虽然光栅结构给量子阱红外焦平面器件制备，特别是大规模焦平面器件制备带来了较大的困难，但光栅是量子阱焦平面探测器中最适合实际应用的结构，目前被广泛地应用于焦平面器件的研究开发中。见参考文献Shmuel I.Borenstain et.al.Optimizedrandom/ordered grating for an n-type quantum well infrared photodetector APPLIEDPHYSICS LETTERS Vol.75 NO.17 p2659 Y.Fu et.al.Optical coupling inquantum well infrared photodetector by diffraction grating JOURNAL OF APPLIEDVol.84 NO.10 p5750。人们也清楚地看到，量子阱器件在正入射条件下不能实现探测已构成了这类探测器的主要缺点之一，虽然光栅的制备可以解决这一原理上的缺点，但这是通过牺牲了工艺上的简便性来实现的。所以人们期望着能有一种不牺牲工艺的简便性，同时又能象光栅那样进行有效光电耦合的焦平面器件。

本发明的目的就是提供一种制造工艺大大简化，而性能上能达到同样效果的无需光栅耦合的n型GaAs/AlGaAs多量子阱红外焦平面探测器。

本发明的无光栅耦合的n型GaAs/AlGaAs多量子阱红外焦平面器件包括：在一GaAs衬底上，通过分子束外延依次生长GaAs：Si下电极层，交替生长至少30个周期的AlGaAs势垒和GaAs：Si势阱形成一个多量子阱，然后在多量子阱上生长GaAs：Si上电极层，最后蒸镀一层金属层。所说的上电极层厚度应小于红外光在多量子阱中的波长。所说的金属层面积应近似等于上电极层的面积，但不能超出上电极层，以防金属渗透到多量子阱层侧面形成短路，厚度至少应200纳米，并且要均匀到能保证每个光敏元上的红外光通过率小于10^-4，金属层材料应有很大的负折射率和导电性较好的一类金属材料，如金、银、金锗镍合金等。

本发明的核心是不再将上电极层刻蚀成光栅形，而是平面形，再在平面形的上电极层上蒸镀一层金属层，蒸镀方法采用常规器件工艺中使用的热蒸发镀膜手段，与器件工艺中原本就有的金属电极制备工艺完全一致，金属层的厚度一般取200纳米，并要保证每个光敏元上的红外光通过率小于10^-4。

本发明最重要的优点也在此体现，光栅的制备通常要制备3微米线度上的周期性结构，且其深度对光栅耦合效率十分敏感。为此，在常规的器件制备中，光栅的精确制备是整个工艺中最关键步骤之一，同时又是难度最大的工艺环节。本发明采用的工艺路线完全摆脱了光栅制备这一工艺环节，而金属层的制备完全是器件工艺中的常规金属电极制备工艺，其难度属于器件制备中最简单的环节之一。所以本发明的结构是用器件工艺中的最简单工艺取代了最复杂的工艺环节。

下面我们结合附图对本发明实施方式作详细的阐述：

图1为GaAs/AlGaAs多量子阱红外焦平面探测器结构示意图；

图2为图1的GaAs/AlGaAs多量子阱红外焦平面探测器x-y平面放大的多元列阵排列示意图；

图3为光栅耦合构型的任一单元放大示意图；

图4为平面耦合构型的任一单元放大示意图；

图5为光栅耦合构型在多量子阱区域的红外光场传播矢量分布图；

图6为平面耦合构型在多量子阱区域的红外光场传播矢量分布图；

图7为光栅耦合构型在多量子阱区域的红外光场传播光波模式分布图；

图8为平面耦合构型在多量子阱区域的红外光场传播光波模式分布图。