本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造、光學(xué)器件及光電傳感技術(shù)，具體涉及一種光譜傳感器，特別是探測(cè)光譜中特定光譜波長(zhǎng)范圍的強(qiáng)度的器件。該器件用于測(cè)定目標(biāo)波段范圍光譜強(qiáng)度，具有較高的選擇性和靈敏度，可用于光源特征光譜快速測(cè)定和物質(zhì)性質(zhì)分析，制造該光電器件的制造方法具有成本低、集成度高、可靠性好等特點(diǎn)。

背景技術(shù)：

以LED為代表的新一代半導(dǎo)體發(fā)光作為光源的照明技術(shù)日益受到各國(guó)政府和民間的關(guān)注。相比較傳統(tǒng)的光源，半導(dǎo)體光源既能大幅降低能耗，又能減少傳統(tǒng)節(jié)能燈中汞等有害物質(zhì)帶來(lái)的環(huán)境污染。隨著各國(guó)政府綠色照明政策的落實(shí)和半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)鏈的完善所帶來(lái)的成本降低，半導(dǎo)體作為新一代光源必將在各種需要光源的場(chǎng)合得到更多的應(yīng)用和關(guān)注。在人們關(guān)注半導(dǎo)體光源節(jié)能環(huán)保優(yōu)點(diǎn)以取代傳統(tǒng)光源的同時(shí)；卻對(duì)半導(dǎo)體光源的另一個(gè)特性卻比較少地研究與應(yīng)用：半導(dǎo)體光源具有非常窄的光譜分布，是人類歷史上除了激光之外顏色特性最為純凈的光源，通常其半高峰寬(Full-Width Half-Maxium，簡(jiǎn)稱FWHM，即光譜波長(zhǎng)強(qiáng)度分布圖中，光譜強(qiáng)度相當(dāng)于最大值一半處所對(duì)應(yīng)的光譜波長(zhǎng)全部寬度)小于20nm，具有極強(qiáng)的單色性。這種單色性為開發(fā)半導(dǎo)體光源新的應(yīng)用提供了可能。然而，目前的光電探測(cè)器其頻譜響應(yīng)范圍都比較寬，不能充分體現(xiàn)這種新型光源所具有的單色性。而實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行光譜分析雖然能精確可靠地得到光源的色譜特性，但是需要經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室專業(yè)設(shè)備和專業(yè)技術(shù)人員才能完成，成本高，不能及時(shí)在線地得到所需數(shù)據(jù)。因此開發(fā)一種能簡(jiǎn)單方便地用于這種單色性比較強(qiáng)的光源的光譜探測(cè)器，應(yīng)用于快速及時(shí)低成本地測(cè)定半導(dǎo)體發(fā)光所具有較窄光譜曲線，得到光源特征信息，能為研究開發(fā)半導(dǎo)體發(fā)光器件新應(yīng)用提供基礎(chǔ)。為區(qū)別傳統(tǒng)寬頻譜相應(yīng)范圍光電傳感器，將這種具有窄帶響應(yīng)的新型光電傳感器稱之為光譜傳感器 簡(jiǎn)稱，以便加以區(qū)別。

本發(fā)明在研究半導(dǎo)體光電器件及光學(xué)器件的基礎(chǔ)上，結(jié)合光學(xué)和半導(dǎo)體光電傳感器集成制造技術(shù)，發(fā)明了具有窄頻譜響應(yīng)的光譜傳感器件。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種探測(cè)目標(biāo)波段強(qiáng)度的光譜傳感器及其制造方法，用于低成本、高可靠性、高集成度、小空間的探測(cè)光線光譜中目標(biāo)波段強(qiáng)度。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明有如下技術(shù)方案：

本發(fā)明的一種探測(cè)目標(biāo)波段強(qiáng)度的光譜傳感器，原理如圖1，包括準(zhǔn)直模塊、波段選擇模塊、光電傳感模塊、電連接模塊；

準(zhǔn)直模塊讓入射光中將平行于入射光方向的部分入射光進(jìn)入后續(xù)波段選擇模塊，其它方向的光線則不允許進(jìn)入；

波段選擇模塊用于將要測(cè)量的目標(biāo)波段范圍從寬波段入射光中選擇出來(lái)；

光電傳感模塊用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，以測(cè)定光譜強(qiáng)度；

電連接模塊用于將由光電傳感模塊檢出的電信號(hào)傳送給后續(xù)器件使用；

所述準(zhǔn)直模塊用于選取入射光中平行于入射光方向的部分入射光線，防止其它方向光線進(jìn)入波段選擇模塊；

其中，準(zhǔn)直模塊為一組具有平行通孔的準(zhǔn)直器。

其中，準(zhǔn)直器通孔截面形狀為圓形或者多邊形。

其中，所述準(zhǔn)直器由所述波段不透明材料制作平行通孔構(gòu)成，通孔的徑向尺寸與之比截面橫向尺寸比值大于10。

其中，所述波段選擇模塊包括光子晶體、光學(xué)帶通濾波器。

其中，所述光子晶體為一維或者二維結(jié)構(gòu)，光子晶體允許通過(guò)的光波長(zhǎng)處于所述的目標(biāo)波段內(nèi)。

其中，所述光學(xué)帶通濾波器為折射系數(shù)不同的兩種材料構(gòu)成的若干層薄膜結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)薄膜厚度使若干層薄膜結(jié)構(gòu)允許通過(guò)的光波 長(zhǎng)范圍處于所述的目標(biāo)波段范圍內(nèi)，所述薄膜結(jié)構(gòu)為透明電介質(zhì)材料所組成，如SiO₂和TiO₂；所述透明電介質(zhì)材料構(gòu)成彼此相間的薄膜或者立體結(jié)構(gòu)，薄膜或者立體結(jié)構(gòu)間的距離隨著所述目標(biāo)波段的改變而調(diào)整。

其中，所述光學(xué)帶通濾波器允許通過(guò)的光譜半高峰寬波長(zhǎng)范圍小于所述目標(biāo)波段的波長(zhǎng)范圍。

其中，所述光電傳感模塊是通過(guò)半導(dǎo)體器件制造工藝過(guò)程制造的一個(gè)或多個(gè)光電二極管、光電三極管、光敏電阻、光電倍增器、光電池、CMOS、CCD或者電荷注入傳感器等具有以上結(jié)構(gòu)特征的光電器件。

其中，所述光電傳感模塊包括單質(zhì)基半導(dǎo)體光電傳感器或化合物基光電傳感器，單質(zhì)基半導(dǎo)體如Si，Ge光電傳感器，化合物基半導(dǎo)體如GaAs，CdS，GaN光電傳感器。

其中，所述電連接模塊由金屬薄膜或者線構(gòu)成，如半導(dǎo)體集成電路生產(chǎn)工藝中常用的各種物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積工藝制造的鋁、銅等金屬薄膜，或者半導(dǎo)體封裝中的引線等。

其中，波段選擇模塊位于入射光的一側(cè)準(zhǔn)直模塊的下方，光電傳感模塊位于波段選擇模塊出射光的一側(cè)，電連接模塊與光電傳感模塊電連接，電隔離模塊位于波段選擇模塊和光電傳感模塊之間。

其中，所述光電傳感模塊、電連接模塊構(gòu)成的光電器件，與準(zhǔn)直模塊、波段選擇模塊結(jié)合在一起構(gòu)成獨(dú)立器件。

由于采取了以上技術(shù)方案，本發(fā)明有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)本發(fā)明采用準(zhǔn)直模塊和波段選擇模塊可以快速簡(jiǎn)單地將目標(biāo)波段光譜信號(hào)從入射光譜中分離出來(lái)。

2)本發(fā)明采用光子晶體或者帶通濾波器實(shí)現(xiàn)波段選擇功能，減小了裝置的空間體積，提高了對(duì)光譜帶寬的選擇性，增加了被選擇光譜的透過(guò)率。

3)本發(fā)明的光譜傳感器將波段選擇模塊、光電傳感模塊、并進(jìn)一 步可以和完成放大、通訊等電信號(hào)處理功能模塊集成在一起生產(chǎn)，可靠性高、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、配置靈活，適應(yīng)范圍廣。

附圖說(shuō)明

圖1：本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖

圖2：以光學(xué)帶通濾波器為波段選擇模塊結(jié)構(gòu)示意圖

圖3：具有PN結(jié)的光電傳感模塊電信號(hào)處理模塊結(jié)構(gòu)示意圖

圖4：光電傳感模塊、電連接模塊構(gòu)成的光電器件

圖5：實(shí)施例一結(jié)構(gòu)剖面圖(左)及俯視圖(右)

圖6：實(shí)施例二結(jié)構(gòu)剖面圖

圖中：1波段選擇模塊；2光電傳感模塊；3電連接模塊；4電隔離模塊；11波段選擇模塊襯底材料，本例中為帶有光電傳感模塊和電信號(hào)處理模塊的半導(dǎo)體晶圓；12低折射率光學(xué)膜；13高折射率光學(xué)膜；14中心低折射率光學(xué)膜；21N區(qū)；22P區(qū)；23半導(dǎo)體器件層；24半導(dǎo)體襯底；5粘結(jié)劑；6準(zhǔn)直模塊。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明就基于單晶硅半導(dǎo)體光電器件生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的光電傳感模塊和多層膜帶通濾波器作為波段選擇模塊的光譜傳感器來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式。

如圖1所示為本發(fā)明的探測(cè)單一波段強(qiáng)度的光譜傳感器，包括一組準(zhǔn)直模塊、一組波段選擇模塊、一組光電傳感模塊、電連接模塊、電隔離模塊，所述準(zhǔn)直模塊位于入射光的一側(cè)、波段選擇模塊緊貼著準(zhǔn)直模塊，一組光電傳感模塊位于波段選擇模塊出射光的一側(cè)，電連接模塊與光電傳感模塊電連接。

準(zhǔn)直模塊讓入射光中平行于射光方向部分光線通過(guò)，波段選擇模塊是從入射光中將需要檢測(cè)的目標(biāo)波段選擇出來(lái)。準(zhǔn)直模塊是采用在硅片上以激光穿孔、化學(xué)反應(yīng)刻蝕等方法生產(chǎn)，孔的橫向尺寸通常為0.05mm，厚度0.5mm，任意孔間距離為0.025mm。波段選擇模塊可以采用但不限于以下幾種形式：光子晶體、Fabry-Perot帶通濾波器，比 如藍(lán)光通常的波段范圍在450nm左右，該模塊作用就是將450nm的目標(biāo)波段范圍的光譜選擇出來(lái)，并投射給光電傳感模塊。如采用光子晶體作為波段選擇模塊，兩種不同折射率材料排列構(gòu)成的光子晶體帶寬的中心波長(zhǎng)為450nm；如采用Fabry-Perot帶通濾波器作為波段選擇模塊，其多層膜厚度和中心膜厚度被調(diào)整到允許中心波長(zhǎng)為450nm光通過(guò)。為了提高分辨率和選擇性，通過(guò)波段選擇模塊波譜的半高峰寬不超過(guò)30nm。一個(gè)典型的以TiO₂材料和SiO₂材料組成的帶通濾波器，如圖3所示，在對(duì)所述目標(biāo)波段透明襯底上，高折射TiO₂膜和低折射SiO₂膜分別依次以相同厚度對(duì)稱排列在一個(gè)中心低折射SiO₂膜兩側(cè)，組成帶通濾波器。采用Fabry-Perot帶通濾波器作為波段選擇模塊的器件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

光電傳感模塊是在半導(dǎo)體晶圓上通過(guò)半導(dǎo)體器件集成制造工藝生產(chǎn)的具有利用光電效應(yīng)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)光電器件。可供選擇的光電傳感模塊有以下但不限于以下幾種器件結(jié)構(gòu)：光電二極管，光電三極管，光敏電阻、光電倍增器、光電池、CMOS、CCD、或者電荷注入傳感器CID(Charge Injection Device)。為提高光電轉(zhuǎn)換效率和信噪比，光電傳感模塊活性層，即PN結(jié)的結(jié)深隨所述目標(biāo)波段光譜的中心波長(zhǎng)和半導(dǎo)體材料、生產(chǎn)工藝等因素進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。如對(duì)短450nm范圍的光譜，光電傳感模塊PN結(jié)結(jié)深被調(diào)整為0.2um左右，對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)700nm左右的光譜，其PN結(jié)的結(jié)深可以設(shè)置在3um左右，以利于光波的充分吸收和轉(zhuǎn)換。典型的光電傳感模塊如圖3所示。

電連接模塊再將由光電傳感模塊出來(lái)的電信號(hào)通過(guò)金屬薄膜和其它導(dǎo)體進(jìn)一步傳送至后續(xù)裝置處理或使用。如圖4所示，其中開口部分為對(duì)外電連接所需。如圖4所示光電傳感模塊和帶通濾波器等波段選擇模塊、準(zhǔn)直模塊，可以通過(guò)如環(huán)氧樹脂、硅膠等粘結(jié)劑，或者是氧化物鍵合(bonding)等方法結(jié)合在一起，構(gòu)成獨(dú)立器件。

為實(shí)現(xiàn)器件的高度集成化，光電傳感模塊、電連接模塊和波段選擇模塊可以集成制造。光電傳感模塊、電連接模塊由半導(dǎo)體器件工藝制造，波段選擇模塊采用光學(xué)薄膜工藝制造，在半導(dǎo)體制造工藝之后，將形成了光電傳感模塊、電連接模塊的半導(dǎo)體晶圓表面平坦化，使其表面粗糙度滿足光學(xué)薄膜工藝生產(chǎn)需要，再在其上淀積波段選擇模塊所需的光學(xué)薄膜，最后去掉需要形成對(duì)外電連接所需的開孔。最終形 成的器件如圖1所示。

實(shí)施例一

圖5為采用粘結(jié)方法將準(zhǔn)直模塊、光學(xué)薄膜構(gòu)成的波段選擇模塊與半導(dǎo)體工藝制造的光電傳感模塊、電連接模塊構(gòu)成的光譜傳感器，左圖為其結(jié)構(gòu)剖面圖，右圖為俯視圖。準(zhǔn)直模塊是采用在硅片上以濕法化學(xué)反應(yīng)刻蝕方法生產(chǎn)，方孔邊長(zhǎng)0.04mm，硅片厚度0.5mm，孔之間的距離為0.025mm。結(jié)構(gòu)剖面圖中不同區(qū)域的電連接在空間中并沒(méi)有連在一起，這可以從右邊的俯視圖看出，不同區(qū)域的對(duì)外電連接是開口在不同區(qū)域的。光學(xué)薄膜帶通濾波器因?yàn)槎忌a(chǎn)在比較厚的襯底材料上，在與其它模塊進(jìn)行粘結(jié)前，需要對(duì)帶通濾波器襯底一側(cè)進(jìn)行減薄，減薄的厚度通?？刂圃?00um以下。減薄后的帶通濾波器被劃成小片，小片大小以能充分覆蓋光電傳感模塊的光電轉(zhuǎn)換活性區(qū)域?yàn)橐?。小片的帶通濾波器被轉(zhuǎn)移到光電器件之上，并以硅膠作為粘結(jié)劑固定，形成如圖5所示的器件。圖5所示的器件進(jìn)一步可以通過(guò)半導(dǎo)體光電器件封裝工藝形成保護(hù)外層和對(duì)外電連接。

實(shí)施例二

圖6是本發(fā)明采用所述集成工藝制造的用于單一波段強(qiáng)度探測(cè)的光譜傳感器。準(zhǔn)直模塊是采用在硅片上以激光穿孔的方法生產(chǎn)，圓孔直徑0.05mm，厚度0.5mm，任意兩個(gè)圓孔中心間距離為0.125mm。準(zhǔn)直器采用激光穿孔的硅片，波段選擇模塊采用帶通濾波器，該帶通濾波器對(duì)440-470nm范圍的光有較強(qiáng)的通過(guò)，達(dá)到95％以上，而對(duì)其它波段則幾乎不通過(guò)?？梢宰⒁獾降讲ǘ芜x擇模塊與光電器件高度集成，中間沒(méi)有粘結(jié)劑，也沒(méi)有前述如圖5中所示的帶通濾波器襯底。選擇光譜440-470nm范圍為人體較為敏感而且LED白光器件中通常最強(qiáng)的一段波譜。這樣LED白光通過(guò)該波段選擇模塊后，只留下440-470nm范圍的光波。那么位于其正下方位置的光電傳感器檢測(cè)到的就是此范圍光波譜強(qiáng)度。電信號(hào)處理模塊實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的采集功能。因?yàn)閳D6是剖面圖，電連接金屬薄膜部分反映的是主要電連接，實(shí)際器件中各個(gè)活性區(qū)域都有通過(guò)金屬薄膜的電連接。如實(shí)例一所形成器件一樣，圖6所示的器件可以進(jìn)一步對(duì)其施加封裝。

本發(fā)明能簡(jiǎn)單方便地用于這種單色性比較強(qiáng)的光源的光譜探測(cè)器，應(yīng)用于快速及時(shí)低成本地測(cè)定半導(dǎo)體發(fā)光所具有較窄光譜曲線，得到光源特征信息，能為研究開發(fā)半導(dǎo)體發(fā)光器件新應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

從本發(fā)明的裝置和制造方法以及實(shí)例的說(shuō)明可以看出，本發(fā)明提供了基于集成電路和集成光學(xué)生產(chǎn)工藝來(lái)生產(chǎn)制造光譜傳感裝置及生產(chǎn)方法，本方法和裝置具有簡(jiǎn)單，靈活，應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。但以上說(shuō)明也不能限定本發(fā)明可實(shí)施的范圍，凡是專業(yè)人士在本發(fā)明基礎(chǔ)上所作的明顯或不明顯的變化，修飾或改良，均應(yīng)視為不脫離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)。