本發(fā)明屬于mems氣體傳感器，具體涉及一種收發(fā)單體集成的片上紅外光波導(dǎo)氣體傳感器芯片及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、氣體傳感器主要用于檢測(cè)環(huán)境中特定氣體的濃度，對(duì)于預(yù)防環(huán)境污染、工業(yè)事故和疾病診斷具有重要意義。傳統(tǒng)的氣體檢測(cè)方法，如金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器，雖然成本較低，但存在選擇性差、易受環(huán)境因素影響、使用壽命短等問(wèn)題。隨著微電子和光電子技術(shù)的進(jìn)步，紅外光波導(dǎo)氣體傳感器應(yīng)運(yùn)而生，它利用氣體對(duì)特定紅外光譜吸收的特性，實(shí)現(xiàn)了高選擇性、高穩(wěn)定性、長(zhǎng)壽命的氣體檢測(cè)。

2、紅外光波導(dǎo)氣體傳感系統(tǒng)基于開放式紅外光波導(dǎo)技術(shù)，通過(guò)整合光源、開放式光波導(dǎo)和光探測(cè)器等組件，構(gòu)建了一個(gè)完整的氣體傳感平臺(tái)。當(dāng)特定氣體分子吸收紅外光時(shí)，光的強(qiáng)度會(huì)發(fā)生衰減。通過(guò)測(cè)量這種衰減，可以精確確定氣體的濃度。此外，通過(guò)設(shè)計(jì)不同的光譜吸收窗口，該系統(tǒng)能夠同時(shí)檢測(cè)多種氣體，從而提高了傳感器的多功能性。

3、公開號(hào)為cn115639650a的發(fā)明專利申請(qǐng)公開了光發(fā)射接收組件(bosa)激光器以及光模塊。bosa激光器包括被配置為由隔離塊分為第一腔室和第二腔室的管殼；激光器，用于生成激光光束，激光光束通過(guò)所述第一腔室的出光通道發(fā)射至氣體反應(yīng)腔，以便與氣體反應(yīng)腔的待測(cè)氣體相互作用；多個(gè)光學(xué)元件，配置在管殼中，用于將與待測(cè)氣體相互作用后返回的激光光束通過(guò)所述第二腔室的進(jìn)光通道反射至光電檢測(cè)單元；光電檢測(cè)單元，用于基于反射至光電檢測(cè)單元的激光光束，生成電信號(hào)；跨阻放大器單元，用于基于光電檢測(cè)單元所生成的電信號(hào)生成用于指示待測(cè)氣體狀態(tài)的待測(cè)氣體檢測(cè)信號(hào)。但該專利公開的系統(tǒng)尺寸較大，應(yīng)用空間受限。

4、目前，主流的紅外光波導(dǎo)氣體傳感系統(tǒng)通常需要較大的尺寸來(lái)容納光源、探測(cè)器和波導(dǎo)等組件，這限制了其在空間受限和移動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)景中的使用。此外，傳統(tǒng)紅外光波導(dǎo)氣體傳感器的光源和探測(cè)器通常需要較高的電功率，在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)可能會(huì)消耗大量電能，對(duì)于依靠電池供電的應(yīng)用來(lái)說(shuō)是一個(gè)局限。另一個(gè)挑戰(zhàn)是，傳統(tǒng)紅外光波導(dǎo)氣體傳感器涉及復(fù)雜的光學(xué)和電子組件，制造成本較高，導(dǎo)致其價(jià)格通常較高，不適用于一些對(duì)成本敏感的應(yīng)用場(chǎng)景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種收發(fā)單體集成的片上紅外光波導(dǎo)氣體傳感器芯片，該氣體傳感器芯片集成度較高，尺寸較小，滿足低成本移動(dòng)應(yīng)用需求，同時(shí)保持了紅外光波導(dǎo)氣體檢測(cè)方法的高選擇性、低漂移、長(zhǎng)期穩(wěn)定的特點(diǎn)。

2、本發(fā)明提供了一種收發(fā)單體集成的片上紅外光波導(dǎo)氣體傳感器芯片，包括襯底和位于襯底上的激光二極管、第一耦合器、光波導(dǎo)、第二耦合器和光電二極管；

3、其中，所述激光二極管用于發(fā)射紅外光；

4、所述第一耦合器用于將紅外光耦合到光波導(dǎo)的輸入端；

5、所述光波導(dǎo)為開發(fā)式光波導(dǎo)，用于束縛和傳輸紅外光，同時(shí)使得氣體能夠擴(kuò)放到光波導(dǎo)內(nèi)部；

6、所述第二耦合器用于將紅外光從而光波導(dǎo)的輸出端耦合到光電二極管；

7、所述光電二極管用于將紅外光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，以識(shí)別和量化氣體。

8、本發(fā)明提供的開放式光波導(dǎo)是傳感器的核心，將紅外光束縛于其內(nèi)部傳播，同時(shí)開放式結(jié)構(gòu)允許氣體擴(kuò)放到光波導(dǎo)內(nèi)部，使其與紅外光發(fā)生作用。當(dāng)氣體分子吸收光時(shí)，光強(qiáng)減弱，這一變化由光探測(cè)器捕捉并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。通過(guò)分析不同波長(zhǎng)下的光強(qiáng)變化，傳感器可以識(shí)別和量化多種氣體，實(shí)現(xiàn)高選擇性和高靈敏度的檢測(cè)。

9、本發(fā)明提供的耦合器用于實(shí)現(xiàn)光波導(dǎo)與光源及檢測(cè)器間的光路耦合連接，他可以調(diào)整光的角度和方向，提高紅外光在器件間的傳輸效率。

10、本發(fā)明提供的激光二極管發(fā)射的紅外光的波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于目標(biāo)氣體的吸收譜，使得目標(biāo)氣體能夠吸收紅外光，達(dá)到紅外光的光強(qiáng)變化的目的。

11、優(yōu)選地，在襯底和激光二極管之間還設(shè)有過(guò)渡層，通過(guò)倒裝的方式將表面設(shè)有過(guò)渡層的激光二級(jí)管鍵合在襯底上。

12、本發(fā)明利用倒裝的方式將表面設(shè)有過(guò)渡層的激光二級(jí)管鍵合在襯底上，與直接在襯底上依次制備過(guò)渡層和激光二級(jí)管相比，避免過(guò)于復(fù)雜的工藝對(duì)襯底上的其他器件的性能造成影響，而直接將制備好的表面設(shè)有過(guò)渡層的激光二級(jí)管鍵合在襯底上能夠較為精準(zhǔn)的與第一耦合器進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，保證了耦合效率。

13、進(jìn)一步優(yōu)選地，所述過(guò)渡層的材料為p-inp。本發(fā)明通過(guò)過(guò)渡層使得激光二極管能夠更好的鍵合在襯底上，避免由于晶格不匹配導(dǎo)致的缺陷。

14、優(yōu)選地，通過(guò)光刻、刻蝕方式直接在襯底上形成第一耦合器、光波導(dǎo)和第二耦合器。

15、優(yōu)選地，所述光電二極管通過(guò)在襯底上外延、摻雜、光刻、金屬化等工藝制得。由于光電二極管的材料與襯底的材料晶格更加接近，所以可以直接在襯底上制備，而制備的工藝步驟對(duì)其他部件的影響在可控的范圍內(nèi)。

16、優(yōu)選地，所述光電二極管倒裝鍵合在襯底上。通過(guò)倒裝鍵合光電二極管，避免制備光電二極管的過(guò)程中對(duì)其他部件產(chǎn)生影響。

17、優(yōu)選地，所述襯底的材料為硅(si)、鍺(ge)、絕緣體上硅(soi)、絕緣體上的鈮酸鋰(lnoi)、絕緣體上的鉭酸鋰(ltoi)等。

18、優(yōu)選地，所述激光二極管的材料為iii-v族半導(dǎo)體材料，所述iii-v族半導(dǎo)體材料為砷化鎵(gaas)、鋁鎵砷(algaas)、磷化銦(inp)、銦鎵砷磷(ingaasp)、氮化鎵(gan)或銦鎵氮(ingan)。

19、優(yōu)選地，所述光電二極管為鍺(ge)、硅(si)、砷化鎵(gaas)、氮化鎵(gan)、氧化鋅(zno)等。

20、優(yōu)選地，將所述單體集成的片上紅外光波導(dǎo)氣體傳感器芯片封裝在設(shè)有透氣窗口的殼體內(nèi)。

21、另一方面，本發(fā)明還提供了一種收發(fā)單體集成的片上紅外光波導(dǎo)氣體傳感器芯片的制備方法，包括：

22、(1)獲得soi襯底和inp基襯底；

23、(2)在soi襯底上通過(guò)光刻、刻蝕形成第一耦合器、光波導(dǎo)和第二耦合器，在soi襯底上通過(guò)外延、光刻、離子注入、退火、薄膜沉積形成光電二極管；

24、(3)在inp基襯底上通過(guò)光刻、刻蝕、薄膜外延技術(shù)形成激光二極管，在激光二極管表面沉積過(guò)渡層；

25、(4)通過(guò)倒裝的方式將表面沉積過(guò)渡層的激光二極管鍵合在soi襯底上，并與第一耦合器對(duì)準(zhǔn)，然后刻蝕掉inp基襯底得到收發(fā)單體集成的片上紅外光波導(dǎo)氣體傳感器芯片。

26、優(yōu)選地，步驟(4)的倒裝方式包括晶片級(jí)倒裝和晶圓級(jí)倒裝；

27、所述晶片級(jí)倒裝的制備方法，包括先將步驟(2)得到的芯片和步驟(3)得到的芯片分別進(jìn)行劃片，然后進(jìn)行倒裝；

28、所述晶圓級(jí)倒裝的制備方法，包括將步驟(2)得到的芯片和步驟(3)得到的芯片進(jìn)行晶圓級(jí)鍵合，然后進(jìn)行劃片。

29、所述晶圓級(jí)倒裝適用于激光器芯片與光波導(dǎo)芯片尺寸接近的設(shè)計(jì)。

30、優(yōu)選地，所述光電二極管即可以與光波導(dǎo)芯片在同一片晶圓上整體加工，也可以采用獨(dú)立襯底單獨(dú)加工后，再通過(guò)芯片級(jí)倒裝鍵合的方式連接至光波導(dǎo)輸出端的耦合器上。

31、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

32、與現(xiàn)有技術(shù)公開的氣體傳感器將有源激光器和各個(gè)無(wú)源光電器件通常都是獨(dú)立加工制作好后通過(guò)片外耦合的方式進(jìn)行組裝生產(chǎn)相比，本發(fā)明將有源激光二極管和各無(wú)源器件芯片式集成，降低其成本并使其成為器件級(jí)傳感器，以提升紅外光波導(dǎo)氣體傳感器的集成度，減小傳感器的體積，以滿足移動(dòng)終端應(yīng)用需求，同時(shí)降低電能消耗，提升穩(wěn)定性。