專利名稱：帶有熱電制冷器的量子阱紅外探測(cè)器的封裝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種半導(dǎo)體器件的封裝，具體涉及一種帶有熱電制冷器的η型量子講紅外探測(cè)器(Quantum Well Infrared Photo detector,簡(jiǎn)稱 QWIP)的封裝。
背景技術(shù)：
中紅外至遠(yuǎn)紅外波段的探測(cè)器，特別是大氣窗口 3-5 μ m和8_12 μ m波段的探測(cè)器是近幾年發(fā)展的重點(diǎn)。較成熟的傳統(tǒng)紅外探測(cè)器有碲鎘汞(HgCdTe)和銻化銦(InSb)探測(cè)器，由于材料存在制備困難、器件工藝特殊、成本高、汞組分的不均勻性會(huì)嚴(yán)重導(dǎo)致探測(cè)波長(zhǎng)的不均勻性等缺陷，使得該類探測(cè)器測(cè)量成品率低、面積難以做大，在制備紅外焦平面陣列時(shí)失去了優(yōu)勢(shì)。正是這種困難的長(zhǎng)期存在，使得一種新型的光導(dǎo)型器件得到發(fā)展機(jī)遇-這就是量子阱紅外探測(cè)器。與其它探測(cè)器相比，量子阱紅外探測(cè)器具有響應(yīng)速·度快、探測(cè)率高、探測(cè)波長(zhǎng)均勻調(diào)諧、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且可以用分子束外延技術(shù)(MBE)或金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)等先進(jìn)工藝成長(zhǎng)，容易做出高品質(zhì)、大面積、均勻性強(qiáng)的探測(cè)器面陣。在所用的各種材料中，最典型的是應(yīng)用最為廣泛，技術(shù)最為成熟的砷化鎵/鋁鎵砷(GaAsAlxGahAs)材料。目前，基于砷化鎵/鋁鎵砷材料的量子阱紅外探測(cè)器已經(jīng)發(fā)展成熟，可以實(shí)現(xiàn)中、遠(yuǎn)紅外以及太赫茲波段的探測(cè)。目前，中遠(yuǎn)紅外波段的探測(cè)器(包括碲鎘汞探測(cè)器、銻化銦探測(cè)器、量子阱紅外探測(cè)器)都需要在低溫下工作，通常需要液氮杜瓦瓶或循環(huán)制冷機(jī)來(lái)制冷(一般77K)，嚴(yán)重限制了它們的應(yīng)用推廣。因此，能夠在室溫下或準(zhǔn)室溫下工作的中紅外探測(cè)器將備受青睞。另外，量子阱紅外探測(cè)器多為η型的探測(cè)器，具有45°的入射光要求，不能直接用C熱沉(c-mount)或其它CS熱沉(cs_mount),因此急需要一種新的熱沉(submount)來(lái)匹配η型的量子阱紅外探測(cè)器。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是為η型的量子阱紅外探測(cè)器提供一種使用滿足探測(cè)器對(duì)45°入射光要求的熱沉，同時(shí)能夠在室溫下正常工作的量子阱紅外探測(cè)器的封裝。為了解決以上技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型提供了一種帶有熱電制冷器的量子阱紅外探測(cè)器的封裝，包括散熱片，采用強(qiáng)制對(duì)流式或水冷型散熱方法，用于吸收熱電制冷器熱端通過(guò)管殼的底層傳導(dǎo)出來(lái)的全部熱量；HHL管殼組件，用來(lái)提供內(nèi)部散熱空間，通過(guò)鎢銅材料的底板來(lái)減小內(nèi)部空間熱量的積累；熱電制冷器，用于控制探測(cè)器管芯的溫度，通過(guò)改變注入電流的大小來(lái)改變吸熱量;光傳輸窗口，采用鍍有高增透膜的硒化鋅透鏡來(lái)濾去可見光和其它雜光，通過(guò)釬焊材料連接到封裝側(cè)壁的元部件上；探測(cè)器管芯組件，采用η型的量子阱紅外探測(cè)器芯片，通過(guò)砷化鎵襯底焊接在具有45度角的V型槽內(nèi)的熱沉上，同時(shí)利用其無(wú)氧銅材料的良好熱傳導(dǎo)性能將探測(cè)器芯片的熱量傳遞給熱電制冷器的冷端。優(yōu)選地，本實(shí)用新型的帶有熱電制冷器的量子阱紅外探測(cè)器的封裝，所述的HHL管殼組件包括底板，采用鎢銅材料作為底板，兩面鍍金，內(nèi)部和熱電制冷器的熱端相接，外部緊貼著散熱片。為了滿足所需的熱性能，平整度應(yīng)高于lmm/m;側(cè)壁，采用可伐合金，鍍有30-40微英寸厚度的金；電極，一般采用可伐合金材料制成，鍍有100微米厚度的金來(lái)增加導(dǎo)電性。優(yōu)選地，本實(shí)用新型的帶有熱電制冷器的量子阱紅外探測(cè)器的封裝，所述的探測(cè)器管芯組件包括量子阱紅外探測(cè)器，其在砷化鎵襯底層上通過(guò)分子束外延技術(shù)或金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法依次逐層生長(zhǎng)的，具有45度入射角的要求；熱沉，采用熱傳導(dǎo)較高的無(wú)氧銅材料，加工成45度斜角的V型槽，使η型量子阱紅外探測(cè)器的襯底的拋光面與水平面垂直；溫度傳感器，采用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，用于檢測(cè)探測(cè)器組件內(nèi)的熱沉上的溫度，輸出管芯溫度的檢測(cè)信號(hào)；探測(cè)器的正電極，直接在上電極層引線在兩邊的陶瓷基底的電極層上，然后再?gòu)碾姌O層上直接引電極到管殼電極柱上；探測(cè)器的負(fù)電極，直接從下電極層砷化鎵襯底層上弓丨線到熱沉上，然后再?gòu)臒岢辽现苯右姌O到管殼電極柱上。優(yōu)選地，本實(shí)用新型的帶有熱電制冷器的量子阱紅外探測(cè)器的封裝，所述的熱電制冷器為兩級(jí)串聯(lián)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體/陶瓷制冷器，通過(guò)改變注入電流的大小來(lái)改變探測(cè)器芯片組件的溫度。優(yōu)選地，本實(shí)用新型的帶有熱電制冷器的量子阱紅外探測(cè)器的封裝，所述的量子阱紅外探測(cè)器為η型的量子阱紅外探測(cè)器，包括砷化鎵襯底層，η型摻雜的下電極層和η型摻雜的上電極層，用包括金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積和刻蝕技術(shù)的工藝處理而成。優(yōu)選地，本實(shí)用新型的帶有熱電制冷器的量子阱紅外探測(cè)器的封裝，所述的量子阱紅外探測(cè)器的工作溫度高于200Κ。本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)采用新型的量子阱紅外探測(cè)器的封裝方法不需要安置在杜瓦或循環(huán)制冷機(jī)中，僅利用熱電制冷器可以實(shí)現(xiàn)在室溫下或準(zhǔn)室溫下正常工作，工作溫度大于200Κ ;利用V型槽的新型熱沉有效地保證了 η型量子阱紅外探測(cè)器具有較高的量子效率；利用溫度傳感器輸出的熱沉溫度檢測(cè)信號(hào)來(lái)修正探測(cè)器管芯的溫度設(shè)定值，從而補(bǔ)償了由于探測(cè)器組件上溫度的變化帶來(lái)探測(cè)器中心波長(zhǎng)的變化。
以下結(jié)合附圖
和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。圖Ia是本發(fā)明的風(fēng)冷型帶有熱電制冷器的量子阱紅外探測(cè)器的封裝結(jié)構(gòu)示意圖；[0026]圖Ib是本發(fā)明的水冷型帶有熱電制冷器的量子阱紅外探測(cè)器的封裝結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的帶有熱電制冷器的量子阱紅外探測(cè)器封裝管殼(俯視圖);圖3是本發(fā)明的帶有熱電制冷器的量子阱紅外探測(cè)器管芯組件示意圖；圖4是本發(fā)明的探測(cè)器管芯組件背部示意圖；圖5是采用的雙級(jí)串聯(lián)的熱電制冷器示意圖；圖6是帶有熱電制冷器的量子阱紅外探測(cè)器封裝管殼內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施方式圖Ia和圖Ib顯示了是本發(fā)明的帶有熱電制冷器的量子阱紅外探測(cè)器的封裝結(jié)構(gòu)示意圖(圖Ia是風(fēng)冷型，圖Ib是水冷型)，本發(fā)明的組件結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在封裝管殼外部的散熱片1，用于吸收熱電制冷器熱端通過(guò)管殼的底層傳導(dǎo)出來(lái)的全部熱量，一般采用外接風(fēng)扇的強(qiáng)制對(duì)流式和水冷型散熱方法。但是由于熱電制冷器的制冷量是隨著溫差的增加而減小的，所以在設(shè)計(jì)時(shí)一定要盡量減小散熱器的溫度增加量。為了滿足所需的熱性能，平整度應(yīng)高于lmm/m，所以有必要進(jìn)行額外的拋光、飛刀切割、或者打磨，以求滿足這種平整度的要求。HHL管殼組件2，內(nèi)部包含封裝好的熱電制冷器3、光傳輸窗口 4、探測(cè)器管芯組件
5。利用其內(nèi)部較大的散熱空間，較高的導(dǎo)熱率的鎢銅底板，來(lái)減小內(nèi)部空間熱量的積累對(duì)探測(cè)器管芯的影響。熱電制冷器3，用于控制探測(cè)器管芯的溫度，通過(guò)改變注入電流的大小來(lái)改變吸熱量。光傳輸窗口 4，采用鍍有高增透膜的硒化鋅透鏡來(lái)濾去可見光和其它雜光，通過(guò)釬焊材料連接到封裝側(cè)壁的元部件上。探測(cè)器管芯組件5，采用η型的量子阱紅外探測(cè)器芯片，通過(guò)砷化鎵襯底焊接在具有45°角的V型槽內(nèi)的熱沉上，同時(shí)利用其鎢銅材料的良好熱傳導(dǎo)性能將探測(cè)器芯片的熱量傳遞給熱電制冷器3的冷端。圖2顯示了本發(fā)明的帶有熱電制冷器的量子阱紅外探測(cè)器封裝管殼(俯視圖)，如圖2所示，封裝管殼包括底板2a，采用導(dǎo)熱系數(shù)較高且熱膨脹系和熱電制冷器底部陶瓷陶瓷材料相當(dāng)?shù)逆u銅材料作為底板，雙面鍍金，內(nèi)部和熱電制冷器的熱端相接，外部緊貼著散熱片。為了滿足所需的熱性能，平整度應(yīng)高于lmm/m(0. 001in/in)；側(cè)壁2b，一般采用可伐合金或Alloy 52材料制成，鍍有約30_40微英寸厚度的金，一方面用來(lái)防止氧化，另一方面可以增加美觀；電極2c，一般采用可伐合金或4J42材料制成，鍍有約100微米厚度的金來(lái)增加導(dǎo)電性。圖3顯示了本發(fā)明的帶有熱電制冷器的量子阱紅外探測(cè)器管芯組件示意圖，如圖3所示，探測(cè)器管芯組件5包括兩個(gè)探測(cè)器芯片5a和5b，在GaAs襯底層5c上通過(guò)分子束外延技術(shù)或金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法依次逐層生長(zhǎng)的，探測(cè)器芯片為η型量子阱紅外探測(cè)器，子帶躍遷對(duì)垂直入射光是禁戒的，因此有45°入射角要求。另外，兩個(gè)探測(cè)器芯片起到備用的作用；熱沉6，采用熱傳導(dǎo)較高的無(wú)氧銅材料，加工成45°斜角的V型槽，使η型量子阱紅外探測(cè)器的襯底5c的拋光面與水平面垂直；溫度傳感器7，采用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，用于檢測(cè)探測(cè)器組件內(nèi)的熱沉上的溫度，7c和7d為兩個(gè)信號(hào)輸出端,輸出管芯溫度的檢測(cè)信號(hào)；探測(cè)器的兩個(gè)正電極5d，直接從上電極層打線到兩邊以陶瓷為基底的電極8上，然后再?gòu)碾姌O層上通過(guò)點(diǎn)焊引電極到管殼電極柱上，其中金線直徑大約40微米左右；探測(cè)器的負(fù)電極5e，直接從下電極層一砷化鎵襯底引線到中間的陶瓷電極層上，通過(guò)點(diǎn)焊引電極到管殼電極柱上。 圖4顯示了本發(fā)明的探測(cè)器管芯組件背部示意圖，如圖4所示，溫度傳感器7是安置在熱沉6的側(cè)面上的負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，與承載探測(cè)器芯片的熱沉緊密接觸，因而能精確的檢測(cè)探測(cè)器芯片上的溫度。負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻的阻值隨著溫度的升高而減小，可以通過(guò)外部的溫度補(bǔ)償電路，探測(cè)器上的溫度可以被精確控制在合適的點(diǎn)溫度上。圖5顯示了雙級(jí)串聯(lián)的熱電制冷器示意圖，如圖5所示，熱電制冷器3為三級(jí)串聯(lián)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體制冷器，一個(gè)制冷器的冷端面安裝在其上一級(jí)的另一個(gè)制冷器的熱端面上，這可以將最大溫差提高到130°C以上，滿足探測(cè)器在-60°C _70°C的需求。圖6顯示了是帶有熱電制冷器的量子阱紅外探測(cè)器封裝管殼內(nèi)部結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型最重要的創(chuàng)新點(diǎn)在于，采用的新型V型槽熱沉不僅可以有效地解決η型量子阱紅外探測(cè)器需要45°入射角的問(wèn)題，同時(shí)還縮短了電極層上打線的距離，有效地避免了金線長(zhǎng)度引入新的電感對(duì)高頻信號(hào)的影響。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)在于采用新型的量子阱紅外探測(cè)器的封裝方法不需要安置在杜瓦或循環(huán)制冷機(jī)中，僅利用熱電制冷器可以實(shí)現(xiàn)在室溫下或準(zhǔn)室溫下正常工作，工作溫度大于200Κ ;利用V型槽的新型熱沉有效地保證了 η型量子阱紅外探測(cè)器具有較高的量子效率；利用溫度傳感器輸出的熱沉溫度檢測(cè)信號(hào)來(lái)修正探測(cè)器管芯的溫度設(shè)定值，從而補(bǔ)償了由于探測(cè)器組件上溫度的變化帶來(lái)探測(cè)器中心波長(zhǎng)的變化
權(quán)利要求1.一種帶有熱電制冷器的量子阱紅外探測(cè)器的封裝，其特征在于，包括 散熱片，采用強(qiáng)制對(duì)流式或水冷型散熱方法，用于吸收熱電制冷器熱端通過(guò)管殼的底層傳導(dǎo)出來(lái)的全部熱量； HHL管殼組件，用來(lái)提供內(nèi)部散熱空間，通過(guò)鎢銅材料的底板來(lái)減小內(nèi)部空間熱量的積累； 熱電制冷器，用于控制探測(cè)器管芯的溫度，通過(guò)改變注入電流的大小來(lái)改變吸熱量；光傳輸窗口采用鍍有高增透膜的硒化鋅透鏡來(lái)濾去可見光和其它雜光，通過(guò)釬焊材料連接到封裝側(cè)壁的元部件上； 探測(cè)器管芯組件，采用η型的量子阱紅外探測(cè)器芯片，通過(guò)砷化鎵襯底焊接在具有45度角的V型槽內(nèi)的熱沉上，同時(shí)利用其無(wú)氧銅材料的良好熱傳導(dǎo)性能將探測(cè)器芯片的熱量傳遞給熱電制冷器的冷端。
2.如權(quán)利要求I所述的帶有熱電制冷器的量子阱紅外探測(cè)器的封裝，其特征在于，所述的HHL管殼組件包括 底板，采用鎢銅材料作為底板，兩面鍍金，內(nèi)部和熱電制冷器的熱端相接外部緊貼著散熱片。為了滿足所需的熱性能，平整度應(yīng)高于lmm/m; 側(cè)壁，采用可伐合金，鍍有30-40微英寸厚度的金； 電極，一般采用可伐合金材料制成，鍍有100微米厚度的金來(lái)增加導(dǎo)電性。
3.權(quán)利要求I所述的帶有熱電制冷器的量子阱紅外探測(cè)器的封裝，其特征在于，所述的探測(cè)器管芯組件包括 量子阱紅外探測(cè)器，其在砷化鎵襯底層上通過(guò)分子束外延技術(shù)或金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法依次逐層生長(zhǎng)的，具有45度入射角的要求； 熱沉，采用熱傳導(dǎo)較高的無(wú)氧銅材料，加工成45度斜角的V型槽，使η型量子阱紅外探測(cè)器的襯底的拋光面與水平面垂直； 溫度傳感器，采用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，用于檢測(cè)探測(cè)器組件內(nèi)的熱沉上的溫度，輸出管芯溫度的檢測(cè)信號(hào)； 探測(cè)器的正電極，直接在上電極層引線在兩邊的陶瓷基底的電極層上，然后再?gòu)碾姌O層上直接引電極到管殼電極柱上；探測(cè)器的負(fù)電極，直接從下電極層砷化鎵襯底層上引線到熱沉上然后再?gòu)臒岢辽现苯右姌O到管殼電極柱上。
4.權(quán)利要求I所述的帶有熱電制冷器的量子阱紅外探測(cè)器的封裝，其特征在于，所述的熱電制冷器為兩級(jí)串聯(lián)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體/陶瓷制冷器，通過(guò)改變注入電流的大小來(lái)改變探測(cè)器芯片組件的溫度。
5.權(quán)利要求I所述的帶有熱電制冷器的量子阱紅外探測(cè)器的封裝，其特征在于，所述的量子阱紅外探測(cè)器為η型的量子阱紅外探測(cè)器，包括砷化鎵襯底層，η型摻雜的下電極層和η型摻雜的上電極層，用包括金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積和刻蝕技術(shù)的工藝處理而成。
6.權(quán)利要求I所述的帶有熱電制冷器的量子阱紅外探測(cè)器的封裝，其特征在于，所述的量子阱紅外探測(cè)器的工作溫度高于200Κ。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種帶有熱電制冷器的量子阱紅外探測(cè)器的封裝，包括散熱片，采用強(qiáng)制對(duì)流式或水冷型散熱方法，用于吸收熱電制冷器熱端傳導(dǎo)出來(lái)的全部熱量；HHL管殼組件，用來(lái)提供內(nèi)部散熱空間；熱電制冷器，用于控制探測(cè)器管芯的溫度，通過(guò)改變注入電流的大小來(lái)改變吸熱量；光傳輸窗口，采用鍍有硒化鋅透鏡來(lái)濾去可見光和其它雜光，通過(guò)釬焊材料連接到封裝側(cè)壁的元部件上；探測(cè)器管芯組件，采用n型的量子阱紅外探測(cè)器芯片，通過(guò)砷化鎵襯底焊接在具有45度角的V型槽內(nèi)的熱沉上，同時(shí)利用其無(wú)氧銅材料的良好熱傳導(dǎo)性能將探測(cè)器芯片的熱量傳遞給熱電制冷器的冷端。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)在室溫工作，有效地保證了較高的探測(cè)量子效率。
文檔編號(hào)G01J5/02GK202453086SQ20122005325
公開日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2012年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月15日
發(fā)明者劉惠春 申請(qǐng)人:無(wú)錫沃浦光電傳感科技有限公司