一种色散检测芯片及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种色散检测芯片及其制作方法，芯片包括基底、设在基底上的阵列波导光栅及PIN光电探测器阵列，该阵列波导光栅的输出波导阵列的每一光信号出口端一一对应地对接至PI N光电探测器阵列的每一PIN光电探测器的I区；待测光信号进入阵列波导光栅后，在阵列波导光栅中按波长色散，特定波长的光信号从与其对应的输出波导中输出，直接进入对应PI N光电探测器的I区，转换为电信号输出。该色散检测芯片具有如下优点：体积小、造价低，光电转换效率、精度高。

【技术实现步骤摘要】
一种色散检测芯片及其制作方法
本专利技术涉及色散检测结构，尤其涉及一种色散检测芯片及其制作方法。
技术介绍
荧光光谱技术是基于荧光效应的检测技术，大部分物质都有对应的荧光特性，可以针对性地进行物质性质的检测。荧光光谱技术灵敏度高并且线性范围广，这就给微量物质的分析提供了有效的方法。荧光光谱仪是荧光光谱技术所需的核心设备。目前，荧光光谱仪已经应用在社会的各行各业，涉及到工业、农业、医药、生物、环保等等诸多领域，成为了许多实验室内必不可少的研究仪器。但现有荧光光谱仪由于内部的色散检测模块及光电探测器体积大、价格贵，导致仪器整体体积、重量较大，造价昂贵，一般只用于实验室检测。随着现场、实时检测的需求日益增加，微型化的荧光光谱仪作为一种能够即时且低成本地进行现场物质检测的重要功能组件，得到了广泛重视。
技术实现思路
本专利技术提供了一种色散检测芯片及其制作方法，其克服了
技术介绍
中所述的现有色散检测模块体积大、价格贵的缺点。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种色散检测芯片，它包括基底、设在基底上的阵列波导光栅及PIN光电探测器阵列，该阵列波导光栅的输出波导阵列的每一光信号出口端一一对应地对接至PIN光电探测器阵列的每一PIN光电探测器的I区；待测光信号进入阵列波导光栅后，在阵列波导光栅中按波长色散，特定波长的光信号从与其对应的输出波导中输出，直接进入对应PIN光电探测器的I区，转换为电信号输出。一实施例之中：所述基底还设有第一金属电极和第二金属电极，该第一金属电极与PIN光电探测器的P区电性连接，该第二金属电极与PIN光电探测器的N区电性连接。一实施例之中：该PIN光电探测器为垂直结构，从上至下分别是P区、I区和N区，输出波导阵列输出的光从PIN光电探测器侧面垂直进入PIN光电探测器I区。一实施例之中：该第一金属电极位于基底靠近PIN光电探测器P区的正面上，该第二金属电极作为公共电极并位于基底正面相对的背向上。一实施例之中：该阵列波导光栅包括下包层、芯层及上包层。一实施例之中：该基底为半导体衬底薄片。一实施例之中：该下包层包括底层和薄下包层，薄下包层设在底层与芯层之间，该上包层包括顶层和薄上包层，薄上包层设在顶层与芯层之间。一实施例之中：该顶层的厚度为3-5微米，该薄上包层的厚度为0.1-0.5微米，该芯层的厚度为1-3微米，该薄下包层的厚度为0.1-0.5微米。一实施例之中：该第一金属电极的厚度为1-3微米，该第二金属电极的厚度为1-3微米。一实施例之中：该PIN光电探测器上端面上除电接触区域外覆盖有绝缘保护层。一种色散检测芯片的制作方法，它包括如下步骤：步骤1，在基底上制作垂直结构的PIN光电探测器阵列；步骤2，由下至上依次制作阵列波导光栅的下包层、芯层、上包层；步骤3，制作第一金属电极和第二金属电极。本技术方案与
技术介绍
相比，它具有如下优点：本专利技术将阵列波导光栅和PIN光电探测器阵列设计并制作在同一基底上，能够将复杂的输入光按照波长分隔输出到指定的通道，并通过对应的PIN光电探测器以微弱电流信号的形式输出，获得光谱信息。而且本专利技术的色散检测集成芯片可以取代现有技术中传统光谱仪的大体积色散模块和CCD/CMOS光电探测器，且本专利技术将阵列波导光栅输出端直接对接PIN光电探测器的I区，使光信号直接被探测器的吸收区(I区)吸收，与传统方式相比，光电信号耦合损耗更低、精度、灵敏度更高。本专利技术的PIN光电探测器设计成垂直结构，与水平结构的PIN光电探测器相比，将I区以及P-I和I-N两个接触面被保护在器件内部，减少了表面暴露所引起的暗电流。本专利技术可以采用微电子制造工艺进行批量制造，在降低色散检测模块、光谱仪体积的同时，也保证了较低的成本。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。图1为本专利技术的总体结构示意图；图2是阵列波导光栅的输出波导、PIN光电探测器的局部放大示意图；图3是输出波导与PIN光电探测器I区直接耦合的剖面示意图；图4是阵列波导光栅的波导截面示意图。具体实施方式请查阅图1、图2和图3，一种色散检测芯片，它包括基底100、设在基底上的阵列波导光栅200及PIN光电探测器阵列300，阵列波导光栅200按照对光信号处理阶段的不同分为输入波导201、输入平板波导202、阵列波导203、输出平板波导204及输出波导阵列205，该阵列波导光栅200的输出波导阵列205的每一光信号出口端一一对应地对接至PIN光电探测器阵列300的每一PIN光电探测器的I区302；待测光信号进入阵列波导光栅200后，在阵列波导光栅200中按波长色散，特定波长的光信号从与其对应的输出波导205中输出，直接进入对应PIN光电探测器的I区302(光吸收区)，不存在重掺杂死区和金属电极的光吸收问题，直接将进入I区302的光信号高效率转换为电信号输出。所述基底100还设有第一金属电极401和第二金属电极402，作为与外部电性连接的电性连接端，该第一金属电极401与PIN光电探测器的P区301电性连接，该第二金属电极402与PIN光电探测器的N区303电性连接。本实施例中，该第一金属电极401位于基底100靠近PIN光电探测器P区301的正面上，该第二金属电极402作为公共电极并位于基底100正面相对的背向上。本实施例中，该第一金属电极401的厚度为2.5微米，该第二金属电极402的厚度为1.5微米。该PIN光电探测器为垂直结构，从上至下分别是P区301、I区302和N区303，输出波导阵列205垂直PIN光电探测器的垂直面，输出波导阵列205输出的光从PIN光电探测器侧面垂直进入PIN光电探测器I区302。该PIN光电探测器上端面上除电接触区域(即用于导电的区域)外覆盖有绝缘保护层304，该绝缘保护层304采用二氧化硅材料制作。请查阅图4，该阵列波导光栅200包括下包层210、芯层220及上包层230。该下包层210包括底层211和薄下包层212，薄下包层212设在底层211与芯层220之间，该上包层230包括顶层231和薄上包层232，薄上包层232设在顶层231与芯层220之间。该顶层231的厚度为3.5微米，该薄上包层232的厚度为0.2微米，该芯层220的厚度为1.5微米，该薄下包层212的厚度为0.2微米。该基底100可以是半导体衬底薄片。在本实施例中，基底选用了N型的外延单晶硅片，外延层厚度大于10微米，外延层掺杂浓度小于5×1014每立方厘米。所有结构均采用微电子制造技术制作在基底上。一种色散检测芯片的制作方法，它包括如下步骤：步骤1，在基底100上制作垂直结构的PIN光电探测器阵列；本实施例中，使用光刻和湿法腐蚀形成PIN光电探测器的欧姆接触窗口，在窗口底部通过离子注入或硼扩散工艺形成P型掺杂层，即P区301。步骤2，由下至上依次制作阵列波导光栅200的下包层210本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种色散检测芯片，其特征在于：包括基底、设在基底上的阵列波导光栅及PIN光电探测器阵列，该阵列波导光栅的输出波导阵列的每一光信号出口端一一对应地对接至PIN光电探测器阵列的每一PIN光电探测器的I区；待测光信号进入阵列波导光栅后，在阵列波导光栅中按波长色散，特定波长的光信号从与其对应的输出波导中输出，直接进入对应PIN光电探测器的I区，转换为电信号输出。/n

【技术特征摘要】
1.一种色散检测芯片，其特征在于：包括基底、设在基底上的阵列波导光栅及PIN光电探测器阵列，该阵列波导光栅的输出波导阵列的每一光信号出口端一一对应地对接至PIN光电探测器阵列的每一PIN光电探测器的I区；待测光信号进入阵列波导光栅后，在阵列波导光栅中按波长色散，特定波长的光信号从与其对应的输出波导中输出，直接进入对应PIN光电探测器的I区，转换为电信号输出。


2.根据权利要求1所述的一种色散检测芯片，其特征在于：所述基底还设有第一金属电极和第二金属电极，该第一金属电极与PIN光电探测器的P区电性连接，该第二金属电极与PIN光电探测器的N区电性连接。


3.根据权利要求1所述的一种色散检测芯片，其特征在于：该PIN光电探测器为垂直结构，从上至下分别是P区、I区和N区，输出波导阵列输出的光从PIN光电探测器侧面垂直进入PIN光电探测器I区。


4.根据权利要求2所述的一种色散检测芯片，其特征在于：该第一金属电极位于基底靠近PIN光电探测器P区的正面上，该第二金属电极作为公共电极并位于基底正面相对的背向上。


5.根据权利要求1所述的一种色散检测芯片，其特征在于：该阵列波导光栅包括下包...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕苗，刘伟彬，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建;35