一种集成了阵列波导光栅和光电探测器的光谱仪芯片的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微型仪器技术领域，更具体地说，涉及一种集成了阵列波导光栅和光电探测器的光谱仪芯片。
【背景技术】
[0002]光谱仪能够测定输入光的光谱成分，是各种照明光源生产中必需的测量仪器；并且是吸收光谱、荧光光谱和拉曼光谱等光谱分析技术中必需的组件，在食品安全、医疗卫生、环境检测等领域具有广阔的应用前景。
[0003]光谱仪已有很多商用产品，主要由透镜、光栅和(XD/CM0S光电探测器组成，但这些产品需要昂贵的光学元件和精密的光学装配，在应用中存在着价格高、体积重量大等缺点。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种体积小、成本低和可以批量生产的集成了阵列波导光栅和光电探测器的光谱仪芯片。
[0005]本发明的技术方案如下:
[0006]—种集成了阵列波导光栅和光电探测器的光谱仪芯片，包括基板和加工在基板上的阵列波导光栅、光电探测器阵列、微反射镜阵列；阵列波导光栅的输出波导阵列、微反射镜阵列与光电探测器阵列一一对应设置；光信号从阵列波导光栅的输入波导进入阵列波导光栅，光信号中具有特定波长的光从输出波导阵列中的与该特定波长对应的特定输出波导输出，经微反射镜阵列折射传导至光电探测器阵列中对应的光电探测器上，转换为电信号输出。
[0007]作为优选，根据光信号的光谱组成，每个输出波导输出的不同波长的光彼此分隔。
[0008]作为优选，基板上加工有光波导下包层、光波导芯层、光波导上包层，在平面结构上形成阵列波导光栅。
[0009]作为优选，加工顺序依次为:光波导下包层、光电探测器、光波导芯层、光波导上包层、金属电极、微反射镜。
[0010]作为优选，阵列波导光栅的输出波导的末端开设有光电探测器的探测窗口，在探测窗口往基板内注入与基板极性相反的杂质层，在探测窗口表面设置防反射层，在防反射层外周设置电接触窗口，杂质层延伸至电接触窗口，在电接触窗口设置与杂质层形成电接触的上电极，在基板的底面设置下电极。
[0011]作为优选，通过氧化和化学气相沉积制作二氧化硅层作为光波导下包层；通过等离子体增强的化学气相沉积制作氮氧化硅层作为光波导芯层；在氮气气氛下进行退火；通过光刻和电感耦合等离子体刻蚀工艺在光波导芯层上形成阵列波导光栅的形状；通过低压化学气相沉积制作TEOS氧化硅层作为光波导上包层。
[0012]作为优选，通过光刻和湿法腐蚀形成电接触窗口，通过光刻、蒸发金属铝和湿法腐蚀形成光电探测器的上电极；在基板的背面蒸发金属铝形成共同的下电极。
[0013]作为优选，将微反射镜的加工模具覆盖于输出波导与光电探测器的光敏面的连接位置，然后进行微反射镜加工。
[0014]作为优选，微反射镜的加工模具设置有成型轮廓与注入通道，将加工模具对准键合在基板上，成型轮廓覆盖输出波导的未端与光敏面。
[0015]作为优选，加工微反射镜时，通过注入通道将紫外固化的光学树脂注入并固化；揭开加工模具后，在基板的表面旋涂光刻胶，去除微反射镜表面的光刻胶，并通过溅射金属和剥离工艺在微反射镜表面形成反射层。
[0016]本发明的有益效果如下:
[0017]本发明用制作在同一基板上的阵列波导光栅和光电探测器阵列取代了现有技术中的反射/透射光栅和CCD/CM0S光电探测器，用集成在同一基板上的微透镜阵列实现阵列波导光栅和光电探测器阵列的光学对准。本发明能够实现分光并把光信号转化为电信号，从而实现了光谱仪的芯片化，并可采用微细加工技术实现批量制造，大大降低光谱仪的体积和成本，甚至可以集成在智能手机等便携设备中实现化学成分分析等新功能。
【附图说明】
[0018]图1是本发明的结构示意图；
[0019]图2是阵列波导光栅的输出波导、微反射镜阵列和光电探测器的局部放大示意图；
[0020]图3是阵列波导光栅的输出波导、微反射镜阵列和光电探测器的剖面示意图；
[0021]图中:10是基板，20是阵列波导光栅，30是光电探测器，40是微反射镜，50是输入波导，60是输出波导，70是光敏面，80是光波导下包层，90是探测窗口，100是杂质层，110是防反射层，120是光波导芯层，130是光波导上包层，140是电接触窗口，150是上电极，160是下电极。
【具体实施方式】
[0022]以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。
[0023]本发明克服了现有技术的光谱仪体积重量大、售价昂贵等不足，提供一种集成了阵列波导光栅20和光电探测器30的光谱仪芯片，如图1所示，包括基板10、阵列波导光栅20、光电探测器30阵列、微反射镜40阵列，阵列波导光栅20、光电探测器30阵列、微反射镜40阵列加工在基板10上，阵列波导光栅20包括输入波导50、输出波导60阵列，输出波导60阵列、微反射镜40阵列与光电探测器30阵列一一对应设置，无需光学装配即可以将输出波导60的光转换成电信号。
[0024]阵列波导光栅20用于对通过输入波导50进入的输入光进行分光，以使不同特定波长的光进入输出波导60阵列的不同输出波导60中，用于使不同特定输出波导60输出不同特定波长的光。光信号从输入波导50进入阵列波导光栅20，光信号中具有特定波长的光分别从输出波导60阵列中的与特定波长对应的特定输出波导60输出，经微反射镜40阵列折射传导至光电探测器30阵列中对应的光电探测器30的光敏面70上，如图2所示，转换为电信号输出，实现光谱仪的功能。因此，光电探测器30阵列30中各个光电探测器30单元的输出信号的强弱依次代表了输入光各个波长光信号的强弱，从而实现了光谱仪的功能。
[0025]本发明所述的芯片，根据光信号的光谱组成，每个输出波导60输出的不同波长的光彼此分隔。
[0026]基板10可选用单晶硅片或其他半导体衬底材料。本实施例中，基板10选用N型外延单晶硅片，外延层厚度大于10微米，外延层掺杂浓度小于5 X 114Cm 3，所述阵列波导光栅20、光电探测器30阵列、微反射镜40阵列均采用微细加工技术制作集成在基板10上。基板10上加工有光波导下包层80、光波导芯层120、光波导上包层130，在平面结构上形成阵列波导光栅20，如图3所示。加工顺序依次为:光波导下包层80、光电探测器30、光波导芯层120、光波导上包层130、金属上电极150、金属下电极160、微反射镜40。
[0027]阵列波导光栅20的输出波导60的末端开设有光电探测器3