【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及红外传感器，特别涉及一种光子集成化片上甲烷传感器。
技术介绍
1、甲烷传感器根据其原理可分为电化学传感器、热催化传感器和红外传感器三种。电化学甲烷传感器根据气敏电极与甲烷之间的化学反应进行气体浓度的测量。但其极易受到其他气体的干扰造成较大的测量误差，并且由于其是电化学反应的原理所以会造成传感器的长期稳定性差和使用寿命短的问题。热催化甲烷传感器则是通过甲烷燃烧后产生的热量变化进行浓度的测量。由于其会有燃烧现象，本身就存在极大的安全隐患，因此难以得到广泛的应用。而红外甲烷传感器其具有非接触测量、高灵敏度、高精度和出色的长期稳定性而得到大力发展，其利用甲烷分子对特定波长的激光的吸收作用进行测量。
2、红外甲烷传感器在甲烷浓度检测领域中高速发展，实现了甲烷气体的高灵敏度、高精度、非接触式测量。对于传统的红外甲烷传感器为了实现高精度的浓度测量，往往需要配合气室同时使用，以实现较高的激光传播路径以达到更明显的信号特征。传统的基于红外吸收光谱技术的甲烷传感器通常由激光器光源、光电探测器、气室和信号处理系统等组成。但由于气室的存在，会导致传感器的整体尺寸大幅度增加，虽然在气室中放入反射镜可实现气室尺寸的缩减和较高的光程，但依然未能实现更加集成化的甲烷传感器，其体积大、气室结构复杂、难以集成等缺点，限制了其更广泛的应用前景。由此，利用光学波导结构代替传统气室的片上波导甲烷传感器也不断涌现。
3、片上波导甲烷传感器。该传感器主要由一个片上波导、红外激光器和光电探测器等组件构成。其工作原理基于甲烷分子的吸收峰位于
4、因此，如何提供一种高集成度、高精度的光子集成化片上甲烷传感器是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
技术实现思路
1、本专利技术针对上述研究现状和存在的问题，提供了一种光子集成化片上甲烷传感器。
2、本专利技术提供的一种光子集成化片上甲烷传感器，包括晶圆，所述晶圆包括基底层、有源区、光栅层、ingaas层、波导层、电隔离层和气体检测槽；所述有源区、所述光栅层、所述ingaas层和所述波导层沿所述基底层第一方向依次向外延伸，所述第一方向垂直于光路传播方向；所述晶圆沿光路传播方向的始端面具有高反膜，终端面具有增透膜；
3、所述电隔离层沿所述光栅层的所述第一方向向外延伸，且所述电隔离层内不具有所述波导层和所述ingaas层，所述电隔离层沿光路传播方向靠近所述增透膜的端面位置；
4、所述气体检测槽沿所述光栅层的所述第一方向向外延伸，且所述气体检测槽内不具有所述波导层和所述ingaas层，所述气体检测槽沿光路传播方向靠近所述高反膜的端面位置；所述气体检测槽与所述电隔离层均不覆盖所述ingaas层和波导层的边缘区域；
5、所述晶圆表面具有电极层；
6、所述高反膜至所述电隔离层区域构成dfb激光器，所述电隔离层至所述增透膜区域构成光电探测器。
7、优选的，所述ingaas层沿光路传播方向贯穿所述光栅层顶部设置，所述ingaas层垂直于光路传播方向的宽度小于所述光栅层的宽度，且位于所述光栅层顶部中间位置，所述波导层形成于所述ingaas层之上。
8、优选的，所述电极层覆盖所述波导层的表面，以及覆盖除电隔离层和气体检测槽表面光栅层区域以外的光栅层表面。
9、优选的，所述有源区使用ⅲ-ⅴ族四元化合物半导体材料，由下至上包括缓冲层、下限制层、多量子阱和上限制层；该区域存在量子阱，在所述有源区形成上下能级粒子数反转。
10、优选的，所述光栅层采用二次外延形成，包括如下步骤：
11、一次外延形成有源区后，在其表面做全息曝光，制备零阶光栅；
12、使用光刻进行二次外延，整个零阶光栅层集成一阶光栅，包括dfb激光器内部光栅区域，其布拉格波长与dfb激光器激射波长的差值小于给定阈值。
13、优选的，未被所述电隔离层刻蚀的所述ingaas层和波导层区域形成电导率区域i，所述电隔离层形成电导率区域ii，所述电导率区域i的电导率高于所述电导率区域ii，且所述电导率区域i位于所述电导率区域ii沿光路传播方向的两侧，形成串并联电路。
14、优选的，所述电隔离层的电阻为3kω-5kω。
15、优选的，所述波导层采用脊形波导。
16、优选的，所述电极层采用au材料。
17、优选的，所述基底采用ⅲ-ⅴ族化合物半导体材料。
18、本专利技术相较现有技术具有以下有益效果：
19、1、紧凑和集成化：相比于传统甲烷传感器，其去掉了光学气室，使得整体尺寸得到大幅度减小。而相比于片上波导甲烷传感器，其去掉了光学波导，dfb激光器和光电探测器设计在同一载体基板上，相比于波导甲烷传感器，其光学波导结构被去掉，所以使得该传感器的光学结构部分实现了最大程度的集成化和小型化。
20、2、高检测精度：得益于dfb激光器芯片的气体检测槽开窗设计，创新性的令甲烷气体扩散到dfb激光器芯片的内部，使得激光在谐振阶段便能与甲烷分子发生相互作用，这使得激光器在光强激射阶段，激光不断在芯片的两个端面反射，大大提高了气体和激光的物理反应，并且光电探测器与dfb激光器同时设计到同一晶圆载体上，激光光强可通过芯片内部波导进行传输，大幅度降低了光的传播距离，所以使得相比于波导结构的光强衰减更小，从而令甲烷浓度的检测精度大幅提高。
21、3、低成本：由于dfb激光器和光电探测器集成于同一晶圆，两者外延材料和后续工艺基本一致，可以有效节省成本，缩短工艺时间。
22、4、高稳定性：片上集成化的传感器由精确的微电子元件组成，提供高度可靠的测量结果。通过利用集成的校准和校正算法，可以提供出色的精度和稳定性，减少了传感器的漂移和误差，确保准确性和长期的可靠性。
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1.一种光子集成化片上甲烷传感器，其特征在于，包括晶圆，所述晶圆包括基底层、有源区、光栅层、InGaAs层、波导层、电隔离层和气体检测槽；所述有源区、所述光栅层、所述InGaAs层和所述波导层沿所述基底层第一方向依次向外延伸，所述第一方向垂直于光路传播方向；所述晶圆沿光路传播方向的始端面具有高反膜，终端面具有增透膜；
2.根据权利要求1所述的光子集成化片上甲烷传感器，其特征在于，所述InGaAs层沿光路传播方向贯穿所述光栅层顶部设置，所述InGaAs层垂直于光路传播方向的宽度小于所述光栅层的宽度，且位于所述光栅层顶部中间位置，所述波导层形成于所述InGaAs层之上。
3.根据权利要求1所述的一种光子集成化片上甲烷传感器，其特征在于，所述电极层覆盖所述波导层的表面，以及覆盖除电隔离层和气体检测槽表面光栅层区域以外的光栅层表面。
4.根据权利要求1所述的光子集成化片上甲烷传感器，其特征在于，所述有源区使用Ⅲ-Ⅴ族四元化合物半导体材料，由下至上包括缓冲层、下限制层、多量子阱和上限制层；该区域存在量子阱，在所述有源区形成上下能级粒子数反转。
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