超表面光检测器制造技术

一种光检测器包括基板(5)，以及由基板(5)支持的被配置为充当光学谐振器并吸收频带的入射辐射，特别是红外辐射的构造(6)。构造(6)包括：面向入射辐射的谐振前侧结构(4)；背侧结构(1)，并且布置在前侧结构(4)和基板(5)之间；以及活性材料(3)的层，由半导体材料制成的并且被配置为将频带的入射辐射的至少一部分转换为电荷载流子。前侧结构(4)和背侧结构(1)中的至少一个由导电材料制成。前侧结构(4)和背侧结构(1)中的一个或多个与活性材料(3)接触。构造(6)被配置为选择性地吸收频带的入射辐射。与活性材料(3)接触的前侧结构(4)和背侧结构(1)中的一个或多个通过电触点(7)接触以感测活性材料(3)中的电荷载流子。活性材料(3)包括非晶或多晶材料。括非晶或多晶材料。括非晶或多晶材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】超表面光检测器


[0001]本专利技术涉及一种用于检测频带的辐射，特别是红外辐射的光检测器。此外，它涉及基于红外线的气体传感器。

技术介绍

[0002]基于晶体材料的光检测器是当今最高效的红外(IR)光检测器之一。光检测器可以用于量化频带中的入射辐射量，特别是它可以用于检测特定频率或波长的红外辐射，例如，用于检测和量化CO2，其在周围气体中在4.3μm的波长下具有吸收最大值。光检测器的工作原理可以理解如下：如果入射辐射的光子的能量与活性材料的特性，例如半导体材料的带隙相匹配，那么光子在活性材料即半导体材料中被转换成电荷载流子，例如电子和空穴。然后可以通过电接触活性材料，特别是通过测量接触活性材料的电极之间的电压或电流来感测电荷载流子。这种工作原理已应用于使用单晶材料作为活性材料的常规光检测器。
[0003]US 8,698,207展示了一种光检测器，其包括直接在反射层的至少一部分上形成并用光束照亮的半导体层的至少一部分、在与反射层部分相对的半导体层部分上形成的至少一个焊盘，其中焊盘和反射层部分由金属或负介电常数材料制成，所述至少一个反射层部分和所述至少一个焊盘之间形成的光腔的厚度严格小于光束波长与半导体层的光学指数的比率的四分之一，并且通常代表所述比率的大约十分之一。
[0004]常规光检测器的主要缺点是制造高质量单晶材料所需的复杂技术，例如，通过分子束外延。低质量的材料会遭受高复合损失，特别是在晶界处，这会导致光检测器质量差。
[0005]因此，本专利技术的一个目的是提供一种允许使用较低质量的材料同时维持高检测质量的光检测器，以减少制造工作并因此使更易获得高质量光检测器。

技术实现思路

[0006]该目的通过根据本专利技术的一个方面的光检测器实现。该光检测器包括基板，以及由基板支持的被配置为充当光学谐振器，即吸收频带的入射辐射，特别是红外辐射的构造。该构造包括面向入射辐射的前侧结构。前侧结构包括以周期性图案布置的前侧元件。在此上下文中，周期性定义为至少两个相同形状和相同朝向的元件的存在，而不管是否互连。但是，优选的是，前侧元件的数量远远超过两个，并且优选地超过50个。
[0007]前侧结构是谐振前侧结构，使得仅限定频带的辐射在前侧结构中光学谐振。谐振尤其是由前侧元件引起的。为此，前侧结构也称为前侧谐振器。前侧结构的谐振特性与谐振器的其余部分结合优选地导致仅吸收限定频带的入射辐射，而不是吸收频带外部的入射辐射。频带可以包括单个波长或波长范围。
[0008]背侧结构布置在前侧结构与基板之间。背侧结构用作光学元件，其与前侧结构结合有助于该构造的光学谐振特性。优选地，背侧结构被布置和配置为使谐振器的输入阻抗与周围介质的输入阻抗匹配以实现最佳光耦合。在一个实施例中，背侧结构可以包括或由连续背板表示。在不同的实施例中，背侧结构包括以周期性图案布置的背侧元件。对于后一
个实施例，背侧结构也称为背侧谐振器。
[0009]因此，前侧结构和背侧结构(例如，与其间的介电间隔件结合)有助于光学谐振器。优选地，前侧和背侧结构被布置和配置为使频带中的吸收最大化，该吸收优选地受稍后介绍的活性材料影响。
[0010]在此上下文中，用于前侧和背侧结构的材料优选地具有足够的光密性，使得它们可以产生谐振器或反射背侧。鉴于前侧和背侧结构中的至少一个附加地用作光检测器的电触点，至少该结构由导电材料制成。在前侧和背侧结构中只有一个由导电材料制成的情况下，另一个结构优选地由介电材料制成。在另一个实施例中，前侧和背侧结构均由导电材料制成，即使前侧和背侧结构中的仅一个用于电接触光检测器。前侧结构可以例如由金制成，并且背侧结构可以例如由铝制成。
[0011]此外，提供由半导体材料制成的活性材料层以将入射辐射的至少一部分转换成电荷载流子，该过程被理解为频带的辐射的吸收。因此，与将吸收的入射辐射转换成热信号的其它构造相比，本构造将吸收的入射辐射转换成电信号。根据本专利技术的光检测器包括非晶或多晶材料作为活性材料。非晶或多晶材料的生产更简单且更便宜，特别是它可以通过溅射方法获得，并且不需要分子束外延。此外，与需要特定晶格匹配基板的晶体材料相比，非晶或多晶材料对底层基板的特性要求更低。因此，根据本专利技术的基板可以是标准半导体基板，例如CMOS处理中使用的。活性材料优选地包括锑化铟，其显示出非常适合吸收红外辐射的特性并且易于处理，因为它允许更容易获得的制造技术，诸如溅射。优选地，活性材料包括或由III
‑
V族半导体组成，优选地是砷化镓、砷化铝、磷化铟、砷化铟镓、砷化铝铟、砷化铟、锑化镓、锑化铝，或最优选锑化铟中的一种。在不同的实施例中，活性材料包括或由II
‑
VI族半导体组成，特别地是碲化汞或碲化镉。在另一个实施例中，活性材料包括或由石墨烯或其它2D超材料例如过渡金属二硫属化物组成。
[0012]前侧元件一方面可以有助于形成优选地对入射辐射具有过滤效果的光学谐振器。光学谐振器的特性，特别是吸收辐射的频带，取决于若干参数，诸如作为整体构造的材料、形状和维度，特别是前侧元件的形状和延伸、相邻前侧元件之间的间隙尺寸、前侧结构的厚度、包括背侧元件(如果有的话)的背侧结构的相同参数，以及活性材料的厚度。前侧元件优选地成形为十字、锯齿形元件、曲折元件、箭头、“U”形、“V”形、“S”形、“I”形、圆形、棒形、“S”、“V”、“U”、“V”、“I”形的一个/或各种互连中的一个或多个。而且，上面列出的形状中的每一个的反转可以用作前侧元件。锯齿形元件图案的优点在于，对应的前侧结构根据限定形成为易于电接触的条带。
[0013]前侧元件优选地是纳米级元件，即除了互连线长度之外其最大延伸被假定为低于10μm，优选地低于3μm。前侧元件除其厚度之外的任何延伸优选地在100nm和10μm之间的范围内，优选地在100nm和3μm之间的范围内。前侧元件不能间隔太近，优选地最大间隔不小于10nm，因为期望入射辐射的光子到达活性材料以被转换为电荷载流子。另一方面，优选地相邻前侧元件之间的最小距离不超过2μm，优选地不超过500nm，优选地不超过200nm。
[0014]在除条带之外的前侧元件形状的情况下，多个前侧元件优选地互连并形成组。优选地，在一个实施例中，前侧元件被分组成至少两组，其中一组作为阳极接触，另一组作为阴极接触。在一个示例中，前侧元件被分组成多个组。例如，在给定的(例如垂直)方向上相邻布置的元件互连成前侧元件的列组。这可能导致多列互连的前侧元件。例如，每个第二列
可以通过适当的布线在图案外部互连，使得就电接触图案而言产生叉指电极。在包括前侧元件组的实施例中，相邻前侧元件之间的最小距离是属于不同组的相邻前侧元件的最小距离。
[0015]优选地，背侧结构允许光学谐振器在期望频率下与周围气体完美匹配，从而产生用于感测的高效窄带吸收器。背侧结构可以是背板，即由导电材料或介电材料堆叠制成的连续膜，并且由此用作宽带反射器。在另一个实施例中，背侧结构是可与前侧谐振器相当的背侧谐振器。这里，背侧结构可本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种光检测器，包括基板(5)，以及由基板(5)支持的被配置为充当光学谐振器并吸收频带的入射辐射，特别是红外辐射的构造(6)，所述构造(6)包括：
‑
谐振前侧结构(4)，包括以周期性图案布置的前侧元件(4a)，前侧结构(4)面向所述入射辐射，
‑
布置在前侧结构(4)和基板(5)之间的背侧结构(1)，前侧结构(4)和背侧结构(1)中的至少一个由导电材料制成，以及
‑
活性材料(3)的层，由半导体材料制成并且被配置为将频带的入射辐射的至少一部分转换为电荷载流子，其中前侧结构(4)和背侧结构(1)中的一个或多个与活性材料(3)接触，其中所述构造(6)被配置为选择性地吸收频带的入射辐射，其中与活性材料(3)接触的前侧结构(4)和背侧结构(1)中的所述一个或多个通过电触点(7)接触以感测活性材料(3)中的电荷载流子，其中活性材料(3)包括非晶或多晶材料。2.如权利要求1所述的光检测器，其中电触点(7)包括接合丝、集成电路的金属线、集成电路的过孔、焊球、柱状凸块焊球、导电胶、导电油墨或再分布层的金属线中的一种。3.如前述权利要求中的任一项所述的光检测器，其中活性材料(3)包括以下之一
‑
III
‑
V族半导体，优选地是砷化镓、砷化铝、磷化铟、砷化铟镓、砷化铝铟、砷化铟、锑化镓、锑化铝，或最优选锑化铟中的一种；
‑
II
‑
VI族半导体，特别是碲化汞或碲化镉；
‑
石墨烯。4.如前述权利要求中的任一项所述的光检测器，其中相邻的前侧元件(4a)之间的最小距离在10nm和2000nm之间的范围内，优选地在10nm和500nm之间，最优选地在10nm和200nm之间，特别地，其中前侧元件(4a)被分组成各个组，组中的前侧元件(4a)彼此电连接，特别地，其中前侧元件(4a)的各个组通过前侧间隙(4b)彼此分开，特别地，其中属于不同组的相邻的前侧元件(4a)之间的最小距离在10nm和2000nm之间的范围内，优选地在10nm和500nm之间，最优选地在10nm和200nm之间，特别地，其中前侧元件(4a)被成形为以下或其反转中的一个或多个：
‑
十字，
‑
锯齿形元件，
‑
曲折元件，
‑
箭头，
‑
棒形，
‑
圆形，
‑“
V”，
‑“
U”。5.如前述权利要求中的任一项所述的光检测器，所述构造(6)还包括
‑
背侧结构(1)和前侧结构(4)之间的介电间隔件(2)，特别地，其中介电间隔件(2)包括二氧化硅、氧化铝、氮化硅、氧化锆、氧化铪、氧化钛。6.如权利要求5所述的光检测器，其中所述活性材料(3)布置在介电间隔件(2)的顶部，并且其中电触点(7)接触前侧结构(4)，特别是前侧元件(4a)的各个组，但不接触背侧结构(1)，特别地，其中前侧结构(4)布置在活性材料(3)的顶部，特别地，其中前侧结构(4)布置在介电间隔件(3)和活性材料(3)之间，特别地，其中前侧结构(4)布置为嵌入在活性材料(3)中。7.如权利要求6所述的光检测器，其中，在十字长度和周期的20％的公差和所有其它参数的500％的公差内，所述构造(6)具有以下维度之一：
‑
前侧结构(4)包括分割十字，其中跨连接线的十字长度为914nm、沿着连接线的十字长度为901nm、跨连接线的十字宽度为194nm、沿着连接线的十字宽度为264nm，周期为1858nm，并且厚度为86nm，活性材料(3)的厚度为30nm，介电间隔件(2)的厚度为113nm，并且背侧结构(1)是形成为厚度为100nm的连续膜的背板；
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【专利技术属性】
技术研发人员：A，
申请(专利权)人：盛思锐股份公司，
类型：发明
国别省市：