[發明專利]一種可集成式中紅外光探測器及其制備方法

有效

• 申請號: 202010717292.6
• 申請日: 2020-07-23
• 公開（公告）號: CN111883643B
• 公開（公告）日: 2021-04-09
• 發明（設計）人: 歐欣;陳陽;黃凱;趙曉蒙;鄢有泉;李忠旭
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: H01L37/02
• 分類號: H01L37/02;G01J5/34
• 代理公司: 廣州三環專利商標代理有限公司 44202
• 代理人: 郝傳鑫;賈允

本發明涉及一種可集成式中紅外光探測器及其制備方法，所述探測器包括自下而上設置的：晶圓襯底；光隔離層；光波導層，光波導層刻蝕有包含光柵耦合器的無源光學器件結構，光柵耦合器正對金屬下電極層；介質層，介質層沉積在所述光波導層之上；金屬下電極層；敏感材料層，敏感材料層與介質層、金屬下電極層為鍵合結構；金屬上電極層，金屬上電極層和金屬下電極層均設有接出管腳。本發明公開的探測器結構集成了光波導和熱釋電紅外探測器，彌補了中紅外集成光學中集成式光探測器的缺失，對于中紅外光子芯片的小型化具有重要作用。

技術領域

本發明涉及光探測器領域，尤其涉及一種可集成式中紅外光探測器及其制備方法。

背景技術

中紅外光學逐漸從傳統的軍用領域向民用領域轉移，包括傅里葉變換紅外光譜，生物和化學傳感、環境感知以及自由空間光通信。但是主流的系統依然是基于各種分立器件的組裝，集成工作很少有報道。在中紅外波段，器件的小型化和單片集成是推進中紅外應用的關鍵。實現中紅外集成光子芯片一個必不可少的器件為中紅外光探測器，但是由于大多數半導體在中紅外光波長范圍內變為透明，因此限制了半導體光探測器在該波段的應用。目前尚沒有有效的集成式光探測器可用于中紅外光的探測。

以鉭酸鋰(LiTaO₃，LT)材料為基礎的熱釋電紅外探測器，在傳統紅外光探測領域受到了廣泛的應用，其通過測量溫度的變化率，來對光進行探測，因此相比傳統溫差性探測器而言，能夠探測快速變化的輻射信號。但是目前熱釋電紅外探測器仍然以分立的單個器件的形式存在，尚沒有出現集成式的探測器。

發明內容

本發明要解決的技術問題是集成光波導與熱釋電紅外探測器，以彌補現今中紅外集成光學所面臨的集成式光探測器的缺失。

為解決上述技術問題，本發明公開了一種可集成式中紅外光探測器及其制備方法。具體技術如下所述：

第一方面，本發明公開了一種可集成式中紅外光探測器，所述探測器包括自下而上堆疊設置的：

晶圓襯底；

光隔離層，所述光隔離層用于所述晶圓襯底和所述光波導層之間的光隔離；

光波導層，所述光波導層刻蝕有至少包含光柵耦合器的無源光學器件結構，所述光柵耦合器正對所述金屬下電極層；

介質層，所述介質層沉積在所述光波導層之上，隔離所述光波導層和所述金屬下電極層，對應所述光柵耦合器的介質層被腐蝕除去以使得所述光柵耦合器正對所述金屬下電極層；

金屬下電極層，所述金屬下電極層作為探測器的底電極層并吸收所述光波導層中的光；

敏感材料層，所述敏感材料層與所述介質層、所述金屬下電極層為鍵合結構；

金屬上電極層，所述金屬上電極層沉積在所述敏感材料層之上，所述金屬上電極層和所述金屬下電極層均設有接出管腳。

進一步地，所述晶圓襯底為硅、藍寶石、鈮酸鋰或鉭酸鋰。

進一步地，所述光隔離層為折射率低于所述光波導層的材料，且根據所述光波導層的材料適應性地選擇所述光隔離層的材料，如光波導層為Si時，光隔離層材料可以選用LiNbO₃、Si₃N₄低折射的有機物或空氣等；如光波導層為LiNbO₃，光隔離層材料則需要選用其他低折射率的有機物、空氣等材料；進一步地，若所述晶圓襯底的折射率低于所述光波導層的折射率，則可以省去所述光隔離層。

進一步地，所述光波導層為鈮酸鋰、鉭酸鋰或硅，在所述光波導層中形成集成光子芯片的無源光學器件結構。

進一步地，所述金屬下電極層和所述金屬上電極層均由Pt、Ti、Al、Cu、Au、黑Au中的一種金屬或多種金屬組成，所述金屬下電極層和所述金屬上電極層的厚度范圍為50-500nm。