一种微纳结构集成的高性能长波红外量子阱探测器件

本发明涉及长波红外量子阱探测器件，具体涉及一种微纳结构集成的高性能长波红外量子阱探测器件。

背景技术：

1、长波红外（lwir）波段是地球常温物体热辐射的峰值区域，并处于大气传输窗口之内，是实现高效、被动式红外热成像的核心谱段。该技术在空间遥感、气象监测、工业检测以及医疗诊断等领域具有至关重要的作用。

2、在实现高性能、小型化、智能化长波红外探测系统的进程中，gaas/algaas量子阱红外探测器件（qwip）凭借其材料均匀性好、制备工艺成熟、响应速度快、探测波长可通过能带工程精确调控，且易于大规模焦平面阵列集成等显著优势，已成为国际上重要的技术路线之一。

3、qwip是一种基于子带间跃迁的光电导型探测器件，通过交替外延生长gaas势阱层与algaas势垒层构成周期性结构。得益于成熟的iii-v族半导体制造技术，qwip在实现均匀的大面积焦平面阵列方面，展现出比传统碲镉汞（hgcdte）光伏器件更强的工业化应用潜力。

4、然而，qwip本身存在一些制约其性能进一步提升的根本性瓶颈：正入射吸收效率低：受量子跃迁选择定则限制，qwip仅能有效吸收入射光电场矢量垂直于量子阱生长平面的分量。对于常规正入射光，其电场主要分布在平行于量子阱平面的方向，无法被直接有效吸收，导致量子效率低下；暗电流与工作温度矛盾：qwip的暗电流对工作温度和偏置电压较为敏感，为抑制热激发载流子引起的暗电流并获得较高探测性能，通常需要在较低温度下工作。

5、为解决上述瓶颈，微纳光学结构作为实现高效光耦合与场增强的核心功能元件，在红外探测领域中发挥着日益重要的作用。目前，国内外研究已提出了多种光耦合增强方案，从早期的45°磨角耦合、周期性衍射光栅耦合，到近年来的导模共振结构、等离激元微腔、金属光子晶体、混合波导结构、全介质共振波导以及基于准连续域束缚态的光子晶体结构等。这些微纳结构的核心原理在于，通过特定的电磁共振模式，将入射光能量高效地局域或耦合至量子阱有源区层内，并在量子阱有源区形成增强的垂直电场分量，从而克服常规正入射条件下因子带间跃迁选择定则导致的低耦合效率问题，实现量子阱有效吸收增强。

6、然而，在将这些高性能微纳结构与qwip进行集成，以构建大规模、高均匀性的焦平面阵列时，仍面临一系列严峻的技术挑战。首先是结构设计与工艺复杂性的矛盾：许多高性能微纳结构在设计上追求极致的光学性能，但其制备工艺极为复杂，涉及多步高精度光刻、深刻蚀、多层套刻以及不同材料的精细沉积。这不仅增加了制造成本和周期，更难以与成熟的qwip焦平面阵列制造流程相兼容，制约了其产业化应用；其次是光学串扰与像素隔离难题：在焦平面阵列中，相邻像素上集成的微纳结构可能产生光学串扰，即一个像素的光场会泄漏并干扰相邻像素的信号，导致图像模糊、信噪比下降。

7、同时，为降低暗电流，常需通过深刻蚀等技术减小像素的有效电学面积，形成孤立台面。如何在此过程中确保台面侧壁的良好钝化，并维持微纳结构的光学性能，是一个关键工艺挑战。一方面，还有材料损耗与性能优化的权衡：在利用金属结构实现场增强时，金属固有的欧姆损耗会消耗部分光能量，限制其最终可达到的量子效率。另一方面，用于器件表面钝化和绝缘的介质材料，在长波红外波段存在一定的本征光学吸收，在依赖多次反射或强共振的耦合结构中，这种寄生损耗会显著降低器件的整体光学效率。

8、综上所述，尽管微纳结构为提升qwip性能带来了巨大潜力，但现有技术方案往往在高性能、易制备、低串扰及高良率之间难以取得平衡。发展一种设计简洁、工艺兼容性强、光学性能优异且易于与现有qwip焦平面阵列工艺集成的新型微纳结构集成方案，已成为推动高性能长波红外量子阱探测器走向实用化与产业化的迫切需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供：

2、一种微纳结构集成的高性能长波红外量子阱探测器件，及其相关技术，以解决现有技术方案往往在高性能、易制备、低串扰及高良率之间难以取得平衡等技术问题。

3、术语说明：

4、除非另有定义，否则本文所有科技术语具有的涵义与本发明主题所属领域技术人员通常理解的涵义相同。除非另有说明，本文全文引用的所有专利、专利发明、公开材料通过引用方式整体并入本文。如果本文对术语有多个定义，以本章的定义为准。

5、应理解，上述简述和下文的详述为示例性且仅用于解释，而不对本发明的主题作任何限制。在本发明中，除非另有具体说明，否则使用单数时也包括复数。还应注意，除非另有说明，否则所用“或”、“或者”表示“和/或”。此外，所用术语“包括”以及其它形式，例如“包含”、“含”和“含有”并非限制性。

6、术语“任选/任意”或“任选地/任意地”是指随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生，该描述包括发生所述事件或情况和不发生所述事件或情况。

7、本文所用的术语“gaas/algaas量子阱红外探测器（qwip）”，指：以砷化镓（gaas）为势阱材料、铝镓砷（algaas）为势垒材料制备的多量子阱结构红外光电探测器件，依靠量子阱子带跃迁效应实现红外光信号向电信号的转换。

8、本文所用的术语“gaas势阱层”，指：gaas/algaas量子阱结构中，禁带宽度更小、电子与空穴被束缚的薄层半导体材料层，是载流子富集与跃迁的核心区域。

9、本文所用的术语“algaas势垒层”，指：gaas/algaas量子阱结构中，夹设于gaas势阱层之间、禁带宽度更大的半导体薄层，用于形成能量势垒，限制载流子跨层输运。

10、本文所用的术语“光学串扰”，指：红外探测器相邻像素之间，光信号发生散射、折射、透射串扰，导致像素光信号相互干扰、成像精度下降的光学现象。

11、本文所用的术语“像素隔离”，指：通过刻蚀、沉积介质等工艺对探测器各像素单元进行物理与光学分隔，阻断像素间光、电信号相互干扰的工艺及结构设计。

12、本文所用的术语“像素单元”，指：阵列器件构成二维探测阵列的独立探测基元，阵列器件内独立的红外探测基元；与单元器件指代同一实体结构，多用于描述阵列像素排布层面。

13、本文所用的术语“单元器件”，指：阵列器件中独立实现光电转换的探测基元，阵列器件内独立的红外探测基元；与像素单元指代同一实体结构，多用于描述半导体光电功能器件层面。

14、本文所用的术语“微纳结构”，指：特征尺寸处于微米、纳米量级的人工精细结构，本文特指制备在探测器表面/侧壁，用于调控光场、增强光耦合效率的微型光学结构。

15、本文所用的术语“暗电流”，指：红外探测器在无入射光照条件下，在工作偏压作用下流过器件的电流，是影响探测器噪声和信噪比的重要参数。

16、本文所用的术语“深刻蚀”，指：针对半导体晶圆/薄膜开展的大深度、高纵横比干法/湿法刻蚀工艺，用于实现器件台面分割、图形深沟槽制备等结构成型。

17、本文所用的术语“台面”，指：经半导体刻蚀工艺后，在基片表面形成的凸起状半导体功能单元结构，为探测器像素的主体承载结构。

18、本文所用的术语“孤立台面”，指：通过深刻蚀使各像元的量子阱有源区及上部台面结构与相邻像元彼此隔离，而各像元可通过公共下电极层保持所需的电学连接。

19、本文所用的术语“台面侧壁”，指：凸起台面结构的侧面立面，为刻蚀工艺形成的竖直/倾斜界面，是器件表面态、光散射发生的主要位置之一。

20、本文所用的术语“钝化”，指：在半导体器件表面、侧壁沉积绝缘介质薄膜，降低表面缺陷态、抑制漏电流、提升器件稳定性与可靠性的工艺技术。

21、本文所用的术语“寄生损耗”，指：光信号传输和耦合过程中，由非有源区材料吸收、金属欧姆损耗、散射及辐射泄漏等非目标光学通道造成的能量损失。

22、本文所用的术语“量子阱有源区层”，指：gaas/algaas 多层交替堆叠形成的量子阱核心功能区域，是发生光吸收、载流子激发与光电转换的主要区域。

23、本文所用的术语“临界耦合”，指：谐振光学系统中外部辐射耦合损耗率与器件内部吸收损耗率相匹配的状态，在理想条件下可实现入射光能量向器件内部吸收通道的高效转移。

24、本文所用的术语“量子阱材料”，指：由gaas和algaas等iii-v族化合物半导体交替生长，具备量子限制效应的多层超薄复合半导体材料体系。

25、本文所用的术语“肖特基势垒”，指：金属与半导体材料接触界面处形成的整流势垒，可调控载流子输运特性，常用于器件电极与结区设计。

26、本文所用的术语“线性耦合光栅阵列”，指：按直线等间距规则排布的周期性光栅阵列结构，主要用于将入射红外光耦合进入量子阱有源区层。

27、本文所用的术语“光栅耦合模式”，指：入射光经由周期性光栅结构发生衍射、波矢匹配，进而耦合进入器件内部传播的光学工作模式。

28、本文所用的术语“等离激元模式”，指：金属/介质界面处，自由电子集体振荡与入射光子相互耦合形成的表面电磁振荡模式，具备局域增强光场的特性。

29、本文所用的术语“光耦合模式”，指：入射光经光栅衍射、导模耦合、金属界面相关局域场调控等作用后形成的器件内部电磁场工作状态。

30、本文所用的术语“ibe”，指：离子束刻蚀（ion beam etching），利用高能离子束轰击材料表面实现高精度图形刻蚀的微纳加工工艺。

31、本文所用的术语“icp-rie”，指：感应耦合等离子体反应离子刻蚀（inductivelycoupled plasma reactive ion etching），结合高密度等离子体与化学反应的干法刻蚀工艺，适用于高深宽比、高精度半导体结构加工。

32、本文所用的术语“倒装焊”，指：半导体器件封装互连工艺，将芯片功能面朝下，通过焊料凸点直接与读出电路基板键合，实现电学互联的封装技术。

33、本文所用的术语“等离激元”，指：金属表面自由电子在电磁场作用下产生的集体振荡，可实现光场局域增强、亚波长光传输，广泛用于光耦合、光吸收增强设计。

34、本文所用的术语“导模共振”，指：入射光激发波导导模并产生谐振效应的光学现象，可实现窄带滤波、光场增强与高效光耦合。

35、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

36、一种微纳结构集成的高性能长波红外量子阱探测器件，包括多个阵列排布的像素单元，所述像素单元包括从下至上依次设置的腐蚀阻挡层、下电极层、量子阱有源区层、上电极层；上电极层内设置有耦合光栅结构；

37、在下电极层一端对应的上电极层设置第一金属电极层，在下电极层另一端在下电极层上设置第二金属电极层；

38、在第一金属电极层与上电极层上设置第一台面金属反射层；在第二金属电极层上设置第二台面金属反射层；

39、钝化绝缘层覆盖整个器件表面，与第一台面金属反射层、第二台面金属反射层相接触，并在第一台面金属反射层和第二台面金属反射层对应的电连接区域设置接触开口；

40、第一台面金属反射层中部设置第一铟柱，第二台面金属反射层顶部设置第二铟柱；第一铟柱通过对应的所述接触开口与第一台面金属反射层电连接，第二铟柱通过对应的所述接触开口与第二台面金属反射层电连接；

41、在钝化绝缘层上，第一铟柱外围设置有包裹台面侧壁的侧壁金属反射层；

42、第一铟柱与第二铟柱顶部设置有电极外接板，由蓝宝石和电学隔离的不同金属连接区构成，可用于外接测试设备等。

43、第一项优选方案：

44、所述的腐蚀阻挡层的材料为铝镓砷alxga1-xas，厚度为200 nm，al 组分 x=0.50。

45、第二项优选方案：

46、所述的下电极层是n型砷化镓电极，厚度为700 nm，掺杂浓度为2 × 1017cm-3。

47、第三项优选方案：

48、所述量子阱有源区层由20个砷化镓和铝镓砷的复合周期结构，以及复合周期结构之上的一层铝镓砷组成；

49、每个复合周期从上至下依次包括1.5 nm未掺杂gaas层、3 nm掺杂gaas层、1.5 nm未掺杂gaas层以及50 nm algaas势垒层；其中3 nm gaas层的掺杂浓度为5 × 1017cm-3；

50、复合周期结构最顶部设置一层铝镓砷的厚度为50 nm；

51、量子阱有源区层内所述铝镓砷材料为alxga1-xas，其中 al 组分 x=0.18。

52、第四项优选方案：

53、所述的上电极层是n型砷化镓电极，厚度为1300 nm，掺杂浓度为2 × 1017cm-3。

54、第五项优选方案：

55、所述的耦合光栅结构为在上电极层刻蚀的多个凹槽，多个凹槽沿直线周期性排列形成线性耦合光栅阵列。

56、进一步地，所述凹槽为长方体或正方体等。

57、第六项优选方案：

58、第一金属电极层、第二金属电极层的材料为高电导性的金属材料，包括但不限于金、银、铝、合金。

59、第七项优选方案：

60、所述第一台面金属反射层、第二台面金属反射层和侧壁金属反射层的材料均为高电导性的金属材料，包括但不限于金、银、铝、合金。

61、第八项优选方案：

62、所述的钝化绝缘层采用包括但不限于氮化硅、氧化铪的钝化绝缘材料；所述钝化绝缘层的厚度应满足器件工作偏压条件下的绝缘耐压要求，并根据所用介质材料的介电强度设置相应安全系数。

63、第九项优选方案：

64、第一铟柱与第二铟柱顶部通过倒装焊工艺制备得到的焊接点与电极外接板连接。

65、本发明至少具有如下有益效果：

66、1、与现有技术相比，本发明在正入射光耦合、器件光电响应、寄生吸收降低及阵列工艺兼容性等方面具有积极技术效果。

67、根据仿真与实验测试，本发明通过上电极层集成耦合光栅结构与第一台面金属反射层、侧壁金属反射层的协同设计，在量子阱有源区形成增强的垂直电场分量，从而提高正入射光与量子阱有源区的耦合效率和有效吸收。

68、相比传统45°磨角耦合器件，本发明的采用氧化铪钝化绝缘层并集成台面光栅和侧壁金属反射层的器件黑体响应率与光谱响应率总体提高。同时，侧壁金属反射层可对向相邻像素方向传播的横向光场形成反射约束，从结构上有利于降低相邻像素之间的光学串扰。

69、采用长波红外波段低光学吸收的氧化铪替代传统氮化硅作为钝化绝缘层，在保证绝缘耐压的前提下，在所采用的材料光学参数及设计厚度条件下，氧化铪厚度方案表现出较低的计算寄生吸收，可以进一步提升光耦合效率。

70、2、与现有技术相比，本发明提供了一种技术构思不同的技术方案。

71、现有技术往往在高性能微纳结构的设计复杂性与焦平面阵列制备工艺的兼容性之间难以平衡。

72、本发明将光耦合增强、像素光学隔离与低损耗钝化三大功能通过上电极集成光栅、侧壁金属反射层和氧化铪的钝化绝缘层三个结构协同实现，各结构在功能上相互增强，在工艺上高度兼容，无需引入复杂异质集成步骤，从设计思路上区别于追求单一极致光学性能而牺牲可制造性的传统技术路径。

73、3、与现有技术相比，本发明提供了一种代表高性能红外焦平面探测器向实用化、产业化发展的技术方案。

74、本发明所提出的微纳结构集成架构，在保持qwip材料体系成熟、大面积均匀性好、易于焦平面阵列集成等既有优势的基础上，通过结构创新验证了其有利于改善正入射耦合效率、横向光场泄漏和介质寄生损耗等问题，为高性能长波红外qwip焦平面阵列的进一步工艺集成提供可行技术路径。

75、4、尽管本发明在单一结构的工艺步骤数量上可能未明显少于现有方案，但在结构功能复合度、工艺容差及阵列制备一致性等方面具有明显积极的技术效果。

76、具体而言，本发明的第一台面金属反射层主要参与光耦合与局域场调控，侧壁金属反射层同时承担横向光场约束作用；氧化铪的钝化绝缘层既满足绝缘耐压要求，又兼具低光学损耗特性，无需额外的光学优化介质层。这种功能复合设计减少了工艺步骤间的相互制约，提高了工艺窗口和阵列均匀性，从而有利于在大规模焦平面阵列制备中实现更高的良率。

77、5、本发明通过耦合光栅结构与金属反射结构的协同作用，将正入射红外光转化为在量子阱有源区层内具有强垂直电场分量的局域光场，从而有效激发量子阱有源区层中的子带间跃迁，使电子由基态子带跃迁至激发态子带或连续态。

78、6、当入射光波长与耦合光栅结构、第一台面金属反射层及侧壁金属反射层共同形成的共振耦合条件匹配时，量子阱有源区层内的有效吸收增强，器件输出响应相应提高。

79、7、侧壁金属反射层包覆于台面侧壁外侧，可将向台面侧壁及相邻单元器件方向传播的光场反射回本单元器件内部，在增强本单元器件内光场局域程度的同时，降低相邻单元器件之间的光学串扰。

80、8、钝化绝缘层覆盖台面表面及台面侧壁，一方面用于降低台面侧壁缺陷态引起的漏电流，提高器件在偏置工作状态下的稳定性；另一方面，钝化绝缘层采用长波红外波段低吸收介质材料，可减少红外光在非量子阱有源区内的寄生吸收损耗，使更多光能量被耦合并局域至量子阱有源区层中。