[发明专利]一种小尺寸像元量子阱红外焦平面光敏元芯片

说明书

本发明属于半导体光电子器件领域，具体涉及一种小尺寸像元量子阱红外焦平面光敏元芯片，包括自下而上的顺序依次设置的GaAs衬底、由在金薄膜中刻蚀出M×N个凹字型光栅孔，并在光栅孔中填充GaAs构成的透射光栅、n型GaAs下接触层、金/锗/镍合金公共下电极、M×N个像元、二氧化硅钝化层；像元包括自下而上的GaAs/AlGaAs多量子阱层、n型GaAs上接触层、金反射层、金/锗/镍合金上电极。本发明采用分子束外延方法和常规半导体工艺将凹字型光栅孔构成的透射光栅置于多量子阱层的底部，既提高了量子阱红外焦平面光敏元芯片的光耦合效率和探测率，又减小了像元的尺寸，提高了光敏元芯片的成像分辨率。

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件领域，特别是一种小尺寸像元量子阱红外焦平面光敏元芯片。

背景技术

GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器(Quantum Well Infrared Photodetector，简称QWIP)具有材料生长和制备工艺成熟，易于大面阵集成、稳定性好、器件均匀性好、成本低、抗辐照等优点，在红外制导、天文探测、森林防火、工业监控及医疗卫生等领域有广泛的应用前景。目前，QWIP器件正朝着多波长探测和大面阵焦平面的方向发展。

然而，由于QWIP器件对正入射的红外光具有禁戒性，在QWIP焦平面光敏元芯片中必须采用光栅耦合的方式，使入射光的电场方向平行于量子阱的生长方向来激发子带跃迁，实现红外光的探测。这为QWIP焦平面光敏元芯片性能的提高带来了两方面的问题。

首先，由于QWIP焦平面光敏元芯片中普遍采用的二维周期光栅耦合效率较低，使得其探测率和灵敏度较低，限制了其进一步的应用。

其次，为了提高QWIP焦平面光敏元芯片的成像分辨率，必须要减小QWIP焦平面光敏元芯片中像元的尺寸。但是，由于QWIP焦平面光敏元芯片中的每个像元上均有二维周期光栅，二维周期光栅的耦合效率是和周期数密切相关的，为了保证QWIP焦平面光敏元芯片的灵敏度和探测率，每个像元上的二维周期光栅周期数不宜过少。因此，目前QWIP焦平面光敏元芯片中像元的尺寸多在20微米以上，像元尺寸较大，这极大限制了QWIP焦平面器件的成像分辨率。

基于以上两点，针对QWIP焦平面器件的改进和创新势在必行。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种小尺寸像元量子阱红外焦平面光敏元芯片，可有效改进GaAs/AlGaAs量子阱红外焦平面光敏元芯片的光栅耦合效率和成像分辨率。

本发明解决的技术方案是，小尺寸像元量子阱红外焦平面光敏元芯片其结构是由自下而上的几部分组合在一起构成：

在GaAs衬底上面有透射光栅，透射光栅是在金薄膜中刻蚀出M×N个凹字型光栅孔并在凹字型光栅孔中填充GaAs构成；透射光栅上面有n型GaAs下接触层，n型GaAs下接触层上面有金/锗/镍合金公共下电极，该金/锗/镍合金公共下电极是一环形电极，其环绕整个光敏元芯片，只在光敏元芯片边缘引出，作为光敏元芯片中所有像元的公共下电极；n型GaAs下接触层上面有M×N个像元，每个像元位于对应的凹字型光栅孔的正上方，像元自下而上由GaAs/AlGaAs多量子阱层、n型GaAs上接触层、金反射层、金/锗/镍合金上电极和二氧化硅钝化层构成；二氧化硅钝化层位于n型GaAs下接触层、GaAs/AlGaAs多量子阱层、n型GaAs上接触层、金反射层、金/锗/镍合金上电极、金/锗/镍合金公共下电极的两侧。

本发明产品结构新颖独特，提高了量子阱红外焦平面光敏元芯片的光栅耦合效率和成像分辨率，是半导体器件生产上的创新。

附图说明

图1为本发明的结构主视图。

图2为本发明的凹字型光栅孔透射光栅刨面示意图。

图3为本发明的实施实例中多量子阱层内电场方向平行于量子阱生长方向的光场分布示意图。