专利名称：带反射镜的无像元远红外上转换成像装置制造方法
技术领域：
本发明涉及的是一种半导体光电探测技术领域的方法，具体是一种带反射镜的无像元远红外上转换成像装置制造方法。
背景技术：
远红外探测成像在天体物理、生物医学和新材料探索等研究方面具有广泛的应用前景。由于远红外成像技术上的困难、远红外探测器的昂贵、以及复杂的读出电路，远红外探测成像只用于特殊的用途。通过低廉的砷化镓同质结远红外探测器与砷化镓和铝镓砷发光二极管的集成结构，在远红外光辐射下，探测器的电阻下降，引起发光二极管上电压的增加，使发光二极管发出可被硅电荷耦合器件探测的近红外光，这样就可以实现远红外光的成像。这种半导体无像元远红外成像装置不需要读出电路，因此降低了远红外成像成本。然而由于发光二极管中的光子出射效率较低，导致成像的效率不高，不利于远红外成像商业化的应用。
经对现有技术的文献检索发现，Dana Delbeke等人在《IEEE Journal ofSelected Topics in Quantum Electronics》(量子电子学精选话题杂志)第8卷第2期(2002)189页发表的“High-Efficiency SemiconductorResonant-Cavity Light-Emitting DiodesA Review”(高效半导体共振腔发光二极管综述)中分别提出在发光二极管顶部和底部加分布式布拉格反射镜(DBR)，可以使发光二极管中光子的出射角大部分落在布儒斯特角以内，从而提高光子的出射效率，使得利用反射镜提高砷化镓同质结远红外探测器与砷化镓和铝镓砷发光二极管集成的无像元远红外上转换成像器件的成像效率成为可能。
在进一步的检索中，尚未发现与本发明主题相同或者类似的文献报道。
发明内容
本发明的目的在于通过在发光二极管顶部和底部加上DBR反射镜来提高发光二极管中光子的出射效率，提供一种带反射镜的无像元远红外上转换成像装置制造方法。本发明克服了半导体远红外成像器件效率低，难以实现有效成像的困难。
本发明是通过以下的技术方案来实现的，针对半导体无像元远红外上转换成像机理的特点，本发明制造方法步骤如下(1)确定带反射镜的无像元远红外上转换成像装置的结构，以及发光二极管DBR反射镜的材料；本发明所要制造的带反射镜的无像元远红外上转换成像装置由砷化镓同质结远红外探测器与砷化镓和铝镓砷发光二极管串联集成得到，在砷化镓和铝镓砷发光二极管的顶部和底部分别增加DBR反射镜。考虑到晶格匹配，确定DBR反射镜为交替生长的砷化镓层和铝镓砷层的周期性结构。
(2)利用电磁波矢量分解的方法，同时考虑驻波效应，进而得到发光二极管中光子的出射效率，通过使发光二极管中光子出射效率最高来优化DBR反射镜的参数以及发光二极管的参数；本发明利用电磁波矢量分解的方法，同时考虑驻波效应来研究发光二极管中的自发发射，得到发光二极管的光子出射效率与DBR反射镜的参数以及发光二极管的参数的关系。在发光二极管参数固定的情况下，通过考察光子出射效率使其最高来得到优化的DBR反射镜的参数；在优化的DBR反射镜参数的条件下通过考察光子出射效率使其最大来优化发光二极管的参数；这样就可以确定带DBR反射镜的发光二极管的优化结构。
(3)用分子束外延装置先生长砷化镓同质结远红外探测器结构，接着外延生长顶部DBR反射镜、砷化镓和铝镓砷发光二极管、以及底部DBR反射镜，就得到了带反射镜的无像元远红外上转换成像装置。
本发明用分子束外延装置先在砷化镓衬底上生长砷化镓同质结远红外探测器；在探测器上接着串联生长发光二极管底部的DBR反射镜，然后生长砷化镓和铝镓砷发光二极管，最后生长顶部的DBR反射镜。这样即可得到带反射镜的无像元远红外上转换成像装置，可以实现高效的远红外成像。
与现有技术相比，本发明实现了一种带反射镜的无像元远红外上转换成像装置的制造，通过DBR反射镜在发光二极管上的应用来提高光子出射效率(约为20％)，从而可以提高半导体无像元远红外上转换成像器件的成像效率(2-3倍)。
具体实施例方式
下面对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
(1)确定带反射镜的无像元远红外上转换成像装置由砷化镓同质结远红外探测器与砷化镓和铝镓砷发光二极管串联集成得到，在砷化镓和铝镓砷发光二极管的顶部和底部增加DBR反射镜。确定要生长的DBR反射镜为交替生长的砷化镓层和铝镓砷层的周期性结构，根据DBR反射镜的特点，由于砷化镓和铝镓砷发光二极管的出射波长约为880nm，因此砷化镓层和铝镓砷层的厚度都应为220nm。
本实施例中，砷化镓和铝镓砷发光二极管本身为现有技术，由依次生长的p型铝镓砷限制层、铝镓砷组分渐变层、砷化镓激活层、铝镓砷组分渐变层以及n型铝镓砷限制层构成。
(2)根据电磁波矢量分解的方法，同时考虑驻波效应，得到发光二极管中光子的出射效率η为 其中r1和r2分别是顶部和底部DBR反射镜的反射率，是与顶部和底部DBR反射镜的周期数相关的量，顶部和底部DBR反射镜的周期数称为DBR的参数。和′分别是顶部到底部DBR反射镜的相位，以及发光二极管的激活层到底部DBR反射镜的相位，它们依赖于顶部和底部DBR反射镜的距离，以及发光二极管的激活层到顶部DBR反射镜与其到底部DBR反射镜距离的比值，所依赖的这两个量称之为发光二极管的参数。先固定发光二极管的参数，考察光子出射效率与DBR反射镜的参数的关系，当光子出射效率达到最大的DBR反射镜参数即为优化的DBR反射镜参数。然后在优化的DBR反射镜参数下，考察光子出射效率与发光二极管参数的关系，光子出射效率最大时候的发光二极管参数即为优化的发光二极管的参数。这样得到的DBR反射镜的参数为顶部DBR反射镜为1个周期的砷化镓层和铝镓砷层结构，底部DBR反射镜为6个周期的砷化镓层和铝镓砷层结构。同时得到的发光二极管参数为顶部和底部DBR反射镜的距离为2500nm，且发光二极管的激活层到顶部DBR反射镜的距离与其到底部DBR反射镜距离的比值为1∶9。
(3)用分子束外延装置生长的带反射镜的无像元远红外上转换成像装置包括在半绝缘的砷化镓衬底上生长砷化镓同质结远红外探测器结构，在此基础上外延生长6个周期的砷化镓层(220nm)和铝镓砷层(220nm)结构作为发光二极管的底部DBR反射镜；然后生长砷化镓和铝镓砷发光二极管结构，具体为依次生长的p型铝镓砷限制层(Al0.30Ga0.70As，厚度为210nm，铍掺杂，掺杂浓度为p型2.5×1018cm-3)，30nm的组分渐变层(AlxGa1-xAs，x从0.30渐变至0.10)，砷化镓激活层(厚度为300nm，铍掺杂，掺杂浓度为p型1×1018cm-3)，30nm的铝镓砷组分渐变层(AlxGa1-xAs，x从0.10渐变至0.30)，以及n型铝镓砷限制层(Al0.30Ga0.70As，厚度为10nm，硅掺杂，掺杂浓度为n型2.5×1018cm-3)；然后继续外延生长1个周期的砷化镓层(220nm)和铝镓砷层(220nm)结构作为发光二极管的顶部DBR反射镜，以及30nm的铝镓砷缓冲层(Al0.30Ga0.70As，硅掺杂，掺杂浓度为n型4×1019cm-3)，最后覆盖500nm的硅掺杂砷化镓顶部电极层，掺杂浓度为n型2×1018m-3。这样即可得到带反射镜的无像元远红外上转换成像装置。这种带反射镜的无像元远红外上转换成像装置在远红外光辐射下，砷化镓探测器的电阻下降，引起砷化镓和铝镓砷发光二极管上电压的增加，使得发光二极管的激活层中产生近红外光子，由于顶部和底部DBR反射镜的存在，这些近红外光子有很大几率发射出去而可以被硅电荷耦合器件探测到，这样就实现了高效的无像元远红外成像。
依据本实施例生长的带反射镜的无像元远红外上转换成像装置的效率，将是不带反射镜成像器件效率的2-3倍，极大地改善了成像性能，为实现成熟半导体远红外成像的普遍应用奠定了基础。
权利要求
1.一种带反射镜的无像元远红外上转换成像装置制造方法，其特征在于，包括步骤如下(1)带反射镜的无像元远红外上转换成像装置由砷化镓同质结远红外探测器、砷化镓和铝镓砷发光二极管串联集成得到，在砷化镓和铝镓砷发光二极管的顶部和底部分别设有分布式布拉格反射镜，分布式布拉格反射镜为交替生长的砷化镓层和铝镓砷层的周期性结构；(2)利用电磁波矢量分解的方法，同时考虑驻波效应，得到发光二极管中光子的出射效率，通过使发光二极管中光子出射效率最高来优化分布式布拉格反射镜的参数以及发光二极管的参数；(3)用分子束外延装置先生长砷化镓同质结远红外探测器结构，接着外延生长顶部分布式布拉格反射镜、砷化镓和铝镓砷发光二极管以及底部分布式布拉格反射镜，就得到了带反射镜的无像元远红外上转换成像装置。
2.根据权利要求1所述的带反射镜的无像元远红外上转换成像装置制造方法，其特征是，所述的步骤(2)中，利用电磁波矢量分解的方法，同时考虑驻波效应研究顶部和底部设有分布式布拉格反射镜的砷化镓和铝镓砷发光二极管中的自发发射，得到发光二极管中光子的出射效率与分布式布拉格反射镜参数以及发光二极管参数的关系，固定发光二极管的参数，当光子出射效率达到最大的分布式布拉格反射镜参数即为优化的分布式布拉格反射镜参数；在优化的分布式布拉格反射镜参数下，光子出射效率达到最大的发光二极管参数即为优化的发光二极管的参数。
3.根据权利要求1或2所述的带反射镜的无像元远红外上转换成像装置制造方法，其特征是，所述的砷化镓和铝镓砷发光二极管，其出射波长在880nm附近，落在硅电荷耦合器件的探测范围之内。
4.根据权利要求1或2所述的带反射镜的无像元远红外上转换成像装置制造方法，其特征是，所述的砷化镓和铝镓砷发光二极管，其砷化镓层和铝镓砷层的厚度为220nm。
5.根据权利要求1或2所述的带反射镜的无像元远红外上转换成像装置制造方法，其特征是，所述砷化镓和铝镓砷发光二极管，其顶部的分布式布拉格反射镜为1个周期的砷化镓层和铝镓砷层结构，底部的分布式布拉格反射镜为6个周期的砷化镓层和铝镓砷层结构。
6.根据权利要求1或2所述的带反射镜的无像元远红外上转换成像装置制造方法，其特征是，所述砷化镓和铝镓砷发光二极管，其顶部和底部分布式布拉格反射镜之间的距离为2500nm。
7.根据权利要求1或2所述的带反射镜的无像元远红外上转换成像装置制造方法，其特征是，所述砷化镓和铝镓砷发光二极管，其砷化镓激活层到顶部分布式布拉格反射镜的距离与砷化镓激活层到底部分布式布拉格反射镜距离的比值为1∶9。
全文摘要
一种带反射镜的无像元远红外上转换成像装置制造方法。步骤如下(1)确定探测器类型为砷化镓同质结远红外探测器，发光二极管的顶部和底部DBR反射镜为砷化镓层和铝镓砷层的周期性结构；(2)利用电磁波矢量分解的方法并考虑驻波效应优化了顶部和底部DBR反射镜的参数以及发光二极管的参数；(3)用分子束外延装置先生长出砷化镓同质结远红外探测器，在此基础上依次生长顶部DBR反射镜、砷化镓和铝镓砷发光二极管、以及底部DBR反射镜，就得到了带反射镜的无像元远红外上转换成像装置。本发明提高了远红外上转换成像的效率，为成熟半导体远红外成像的普遍应用奠定了基础。
文档编号H01L31/18GK101079455SQ20071004112
公开日2007年11月28日 申请日期2007年5月24日 优先权日2007年5月24日
发明者沈文忠, 武乐可, 郝惠莲 申请人:上海交通大学