一種改善光譜平整度的紅外探測器結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種改善響應(yīng)光譜平整度的紅外探測器結(jié)構(gòu)，它包括金屬電極、襯底、光敏感區(qū)和其它介質(zhì)，金屬電極位于矩形光敏感區(qū)的左右兩邊，其它介質(zhì)位于矩形光敏感區(qū)的上下兩邊；所述的其它介質(zhì)采用與光敏感區(qū)相同的材料，電學(xué)上與金屬電極和光敏感區(qū)隔離。本發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)簡單且有效，消除了響應(yīng)光譜譜形的非線形，提高了光譜的平整度。
【專利說明】一種改善光譜平整度的紅外探測器結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種紅外探測器的結(jié)構(gòu)，特別涉及一種改善響應(yīng)光譜平整度的紅外探測器結(jié)構(gòu)及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代紅外探測技術(shù)對國民經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展具有重要意義。隨著遙感儀器技術(shù)的不斷發(fā)展，已從點(diǎn)目標(biāo)探測、掃描成像、多光譜掃描成像發(fā)展到超光譜成像，紅外探測器也由單波段單元器件、多元器件、多波段線列器件向單波段紅外焦平面、多波段紅外焦平面和靈巧型集成探測器組件方向發(fā)展。一方面，紅外探測器在對地觀測方面具有不可替代的作用。另一方面，紅外焦平面芯片的器件中心距已由幾百微米向幾十甚至十幾微米邁進(jìn)。當(dāng)器件結(jié)構(gòu)尺寸與光子波長相近或在一個數(shù)量級之內(nèi)時，光子的波動性開始對器件的性能產(chǎn)生重要影響。此時，經(jīng)典的碲鎘汞紅外探測器光電響應(yīng)理論已不再適合于設(shè)計這種小面積的長波紅外探測器，器件的光電性能不僅與材料參數(shù)有關(guān)，器件的幾何結(jié)構(gòu)、周邊環(huán)境對器件性能也有著重要影響，特別是器件的響應(yīng)光譜的平整度依賴于探測器的結(jié)構(gòu)及其工藝方法。
[0003]在國外，美國和歐洲都成功發(fā)展了 HgCdTe紅外焦平面探測器。2004年，美國Rockwell公司研制成功512X512長波紅外焦平面組件，芯片的面積是36 umX36u m，截止波長是9.6iim。法國Sofradir公司發(fā)展的384X288碲鎘汞長波紅外焦平面，單元面積是25iimX25iim，響應(yīng)波段為7.7 y m_9.0 y m。德國資源環(huán)境衛(wèi)星BIRDl采用了 2X512碲鎘萊線列焦平面芯片，響應(yīng)波段是8.5 y m_9.3 y m,單兀面積是30 y mX 30 y m。我國風(fēng)z?二號D星(2006年底發(fā)射)采用雙元的碲鎘汞紅外探測器，長波波段是10.3 ii m-11.3 ii m和
11.511111-12.511111，單元面積是8211111\8211111。近年來雖然AlGaAs/GaAs量子阱紅外探測器也有了很大發(fā)展，陣列規(guī)模已高 達(dá)640X480，但由于其較低的外量子效率，且一般所需的工作溫度更低。以上這些紅外焦平面都有一個共同特點(diǎn)，就是其單元尺寸和峰值響應(yīng)波長都在一個數(shù)量級之內(nèi)?？梢灶A(yù)見，器件的單元尺寸還會越來越小。
[0004]光電子器件在小尺寸時，產(chǎn)生了許多非線性現(xiàn)象[1-10]。2008年英國諾丁漢大學(xué)報道了新型熱電子熱輻射探測器(HEB)，工作頻率是150 — 200GHz (對應(yīng)波長是1.5-2_)，給出了光學(xué)耦合優(yōu)化后的器件結(jié)構(gòu)[9]。此外，英國研究小組發(fā)現(xiàn)在遠(yuǎn)紅外波段(30-300 ym)探測器中，當(dāng)器件的尺寸在幾百微米到I毫米左右時，器件的幾何構(gòu)型需要優(yōu)化，以得到最優(yōu)的光學(xué)耦合效率[10]。當(dāng)碲鎘汞紅外探測器峰值響應(yīng)波長變長且芯片面積變小之后，光子的波動性也變得突出，器件響應(yīng)率和響應(yīng)光譜的平整度表現(xiàn)出與響應(yīng)波長相關(guān)的特征，同時芯片響應(yīng)的不均勻性增加。而對于超光譜儀器而言，芯片響應(yīng)光譜譜型的平整度和均勻性，在某種程度上，比芯片探測率的高低更重要。國外文獻(xiàn)對這一現(xiàn)象也有少量報道:響應(yīng)波長的增加將使得響應(yīng)的平整度變差，通過在芯片光敏面表面生長一層增透膜和在襯底上增加一些小顆粒的結(jié)構(gòu)，可以提高響應(yīng)的平整度[11-12]。圖1是美國NASA報道的碲鎘汞長波紅外光導(dǎo)器件，光敏面上有無增透膜的響應(yīng)光譜[12]。由圖1(a)可知，器件峰值響應(yīng)波長大于10微米，在峰值附近，響應(yīng)曲線變得彎曲；在器件光敏面上生長增透膜后，可以改善峰值附近響應(yīng)的平整度(如圖1(b)所示);但是在其響應(yīng)波段，隨著波長的增加，響應(yīng)的平整度還很不理想。究其原因，是沒有考慮到紅外光子的波動性，沒有意識到非光敏感區(qū)域也會對光敏感區(qū)域的光場分布產(chǎn)生較大的影響。
[0005]本發(fā)明提出了一種較為簡單且有效的器件結(jié)構(gòu)，通過在光敏感區(qū)域周圍，保留一部分與光敏感區(qū)域光學(xué)性質(zhì)相同的材料，基本消除響應(yīng)光譜譜形的非線形，提高了光譜的平整度。
[0006]參考文獻(xiàn): [0007](I)Michael J.Preiner, Ken T.Shimizu, Justin S.White, and NicholasA.Melosh，Efficient optical coupling into metal-1nsulator—metal plasmon modeswith subwavelength diffraction gratings,App1.Phys.Lett., 2008, Vol.92:113109.[0008](2)Kyosuke Sakai,Eiji Miyai, and Susumu Nodaj Coupled-wave model forsquare-lattice two-dimensional photonic crystal with transverse-electric-likemode, App1.Phys.Lett.，2006，Vol.89:021101.[0009](3)K.P.Yap, B.Lamontagne, A.Delage，S.Janzj A.Bogdanov, M.Picard, E.Post, P.Chow-Chongj M.Malloy, D.Roth, P.Marshall, K.Y.Liu, and B.Syrett，F(xiàn)abrication oflithographically defined optical coupling facets for silicon-on-1nsulatorwaveguides by inductively coupled plasma etching,J.Vac.Sc1.Technol.A，2006，Vol.24(3):812-816.[0010](4) E.A.Dauler, P.1.Hopman，K.A.McIntosh, J.P.Donnel Iy，E.K.Duerr，R.J.Magliocco，L.J.Mahoney, K.M.Molvar，A.Napoleone，D.C.0akley, andF.J.Donnell, Scaling of dark count rate with active area in1.06 u mphoton-counting InGaAsP/InP avalanche photodiodes，Ap p 1.Phy s.Lett.,2006，Vol.89:111102.[0011](5)F.Pistone, P.Tribolet, and M.Vuillermet，High resolutionstaring arrays answering compact MW and LW applications，Opto-Electron.Rev.，2006，Vol.14(2):109-118.[0012](6)M.Carmody, J.G.Pasko，D.EdwalI, E.Piquette，M.Kangas，S.Freeman, J.Arias, R.Jacobs, W.Mason, A.Stoltz, Y.Chen, and N.K.Dharj Status of LWIRHgCdTe-on-SiIicon FPA Technology,J.Electron.Mater., 2008, Vol.37: 1184-1188.[0013](7) J.Y.Andersson, J Alverbro, J.Borgl ind, P.Helander, H.Marti jn, andM.0stlund, 320x240Pixels Quantum Well Infrared Photodetector (QWIP) Array forThermal Imaging!Fabrication and Evaluatio, SPIEj 1997, Vol.3061:740-748.[0014](8) Y.Fuj M.Willander, X.-Q.Liu, W.Lu, S.C.Shenj H.H.Tan, C.Jagadish，J.Zou and D.J.H.Cockayne,Optical transition in infrared photodetectorbased on V-groove A10.5Ga0.5As/GaAs multiple quantum wire,J.Appl.Phys.，2001, Vol.89:2351-2356.[0015](9)Dmitry Morozov,Philip Mauskopf, Christopher Dunscombe，MohamedHenini，Antenna coupled direct detector for millimetre and submillimetreastronomy based on2D electron gas in semiconducting heterostructure,Proc.SPIEj 2008，Vol.7020:702021.[0016](10) Phi I ip Mauskopfa, Dmitry Morozova, Dorota Glowackab, DavidGoldieb，Stafford Withingtonb, Marcel Bruijnc，Piet DeKortecj Henk Hoeversc, MarcelRidderc，Jan Van Der Kuurc，Jian-Rong Gaodj Development of transition edgesuperconducting bolometers for the SAFARI Far-1nfrared spectrometer on theSPICA space-borne telescope,Proc.SPIEj 2008, Vol.7020:70200N.[0017](11) J.W.Little, S.P.Svensson，W.A.Beck, A.C.Goldberg, S.W.Kennerly，T.Hongsmatip,M.Winn,and P.Uppal, Thin active region,type 11 superlatticephotodiode arrays: Single-pixel and focal plane array characterization, J.Appl.Phys.，2007，Vol.101:044514.[0018](12) S.R.Babuj K.Huj S.Manthripragada, R.J.Martineau, C.Kotecki, F.Peters, A.Burgess, D.B.Mott, A.Ewinj A.Miles, T.Nguyen, and P.Shu, Improved HgCdTeDetectors with Novel Ant1-Reflection Coating, Proc.SPIEj 1996，Vol.2816:84-89.
【發(fā)明內(nèi)容】

[0019]本發(fā)明的目的是提出一種能夠改善響應(yīng)平整度的紅外探測器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與通常的半導(dǎo)體器件工藝兼容，有效解決了常規(guī)紅外探測器，特別是長波紅外探測器的響應(yīng)光譜譜形的“多峰”技術(shù)問題:即在響應(yīng)波段范圍內(nèi)，不是一條較為平滑的直線，而是顯現(xiàn)出具有較為明顯起伏的曲線。
[0020]本專利提出的具有改善響應(yīng)光譜的平整度的紅外探測器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所不。它包括金屬電極1、襯底2、光敏感區(qū)3和其它介質(zhì)4。金屬電極I位于矩形光敏感區(qū)3的左右兩邊，其它介質(zhì)4位于矩形光敏感區(qū)3的上下兩邊。
[0021]所述的其它介質(zhì)4采用與光敏感區(qū)相同的材料；電學(xué)上與金屬電極和光敏感區(qū)隔離。
[0022]金屬電極I采用合金結(jié)構(gòu)，如鎘和金雙層結(jié)構(gòu)；襯底2采用藍(lán)寶石或其它較為堅硬的絕緣材料；光敏感區(qū)3采用對長波紅外敏感的材料，比如最常見的是碲鎘汞材料。
[0023]本發(fā)明的紅外探測器制備方法如下:
[0024]將單面拋光并表面處理好的紅外探測器的材料晶片(下面以長波碲鎘汞材料和探測器為例)用環(huán)氧樹脂貼片粘結(jié)在藍(lán)寶石襯底上，環(huán)氧樹脂的厚度經(jīng)過壓片后，一般小于2微米；對碲鎘汞晶片的第二面進(jìn)行粗拋光到50微米左右，隨后進(jìn)行化學(xué)物理拋光(精拋)，直到8?15微米。對碲鎘汞晶片的第二面進(jìn)行陽極氧化等鈍化工藝。進(jìn)行第一次光刻并進(jìn)行化學(xué)腐蝕工藝，先在表面腐蝕出金屬電極區(qū)域，接著用磁控濺射方法在金屬電極區(qū)域生長歐姆接觸電極，然后去膠并清洗表面。接著進(jìn)行第二次光刻并在非電極表面生長增透膜，增透膜的厚度可以由紅外探測器的響應(yīng)峰值波長決定。最后進(jìn)行第三次光刻和刻蝕工藝，使得光敏感區(qū)3與其它介質(zhì)4區(qū)域隔開。對于碲鎘汞長波材料，當(dāng)組分x=0.205時，其吸收系數(shù)ct = 1660cm 1 ;長波光導(dǎo)器件的締鎘萊厚度一般是10 ii m左右,這樣入射光經(jīng)過入射和底面反射后，在入射面出射的光大約是3.5%。
[0025]入射光在碲鎘汞光敏面發(fā)生入射和反射，反射光的相對強(qiáng)度與碲鎘汞的折射率有關(guān)。取碲鎘汞材料在長波時n=3.6，則正入射時，反射率是31.9%。入射光也將在器件的非光敏面處發(fā)生反射，這大部分將發(fā)生在寶石片的表面。查手冊可知，在12pm處，藍(lán)寶石的反射率大約是85%。由于長波光子的波動性,在締鎘萊光敏面處的長波光子與鄰近寶石片處的長波光子的相干性很強(qiáng)，相干長度大約是幾十一幾百微米，而這個尺度與長波光導(dǎo)器件的光敏面大致相同。因此，長波光子將在光導(dǎo)器件表面發(fā)生干涉現(xiàn)象，這導(dǎo)致了響應(yīng)光譜中的多峰現(xiàn)象。最后得到的實(shí)際器件實(shí)物圖，如圖4所示。在圖4中，通過在光敏面周圍，保留形成具有“圍墻”形狀的、與光敏面材料光學(xué)性質(zhì)一樣的介質(zhì)材料(如圖2中的其它介質(zhì)4區(qū)域)，入射到“圍墻”部分的光將基本被碲鎘汞材料本征吸收，沒有反射光，這就基本消除了原先來自于藍(lán)寶石襯底的強(qiáng)烈的反射光，也就消除了紅外光子在光敏區(qū)域與其它區(qū)域之間發(fā)生的光場的不均勻分布現(xiàn)象，這樣就改善了響應(yīng)光譜的平整度，基本消除了譜形的“多峰”現(xiàn)象。同時，由于“圍墻”結(jié)構(gòu)與光敏感區(qū)域電學(xué)隔離，所以被其它介質(zhì)4區(qū)域材料所本征吸收的紅外光子不會產(chǎn)生光生電流。
[0026]采用圖4所示“圍墻”結(jié)構(gòu)、具有改善響應(yīng)光譜平整度的長波紅外探測器的響應(yīng)光譜如圖5所示。由圖1和圖5對比可知，在本征響應(yīng)的波段內(nèi)，器件的響應(yīng)光譜具有良好的平整度，基本消除了“多峰”現(xiàn)象。
[0027]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:第一本發(fā)明提出的紅外探測器的響應(yīng)光譜可以具有較好的平整度；第二該結(jié)構(gòu)的非光敏區(qū)域可以采用與光敏區(qū)域光學(xué)性質(zhì)相同的材料，即可以采用同一種材料；第三該結(jié)構(gòu)及其工藝都較為簡單，基本不會增加工藝的復(fù)雜性或影響芯片的成品率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1是國外文獻(xiàn)[12]報道的碲鎘汞長波紅外光導(dǎo)器件的相對響應(yīng)光譜:(a)器件光敏面表面無增透膜，(b)器件光敏面表面有增透膜。
[0029]圖2是一種能夠改善光譜平整度的紅外探測器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖3是常規(guī)的紅外探測器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031]圖4是采用“圍墻”結(jié)構(gòu)、具有改善光譜平整度的長波紅外探測器實(shí)物圖。
[0032]圖5是采用新器件結(jié)構(gòu)后的長波紅外探測器的響應(yīng)光譜。
【具體實(shí)施方式】:
[0033]下面結(jié)合圖2對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0034]1.光敏感區(qū)3與其它介質(zhì)區(qū)域4之間的間隔一般不超過紅外探測器響應(yīng)的峰值波長，在光刻精度和工藝條件允許的范圍內(nèi)，越小越好。
[0035]2.其它介質(zhì)區(qū)域4，在實(shí)際中一般選擇與光敏感區(qū)3—樣的材料，比如都是碲鎘汞材料，且光敏感區(qū)3和其它介質(zhì)區(qū)域4表面都生長同樣厚度和介質(zhì)的增透膜，然后利用刻蝕或腐蝕工藝進(jìn)行電學(xué)隔離。這樣紅外光子在光敏感區(qū)3和其它介質(zhì)區(qū)域4的表面的反射和相互之間的干涉現(xiàn)象都大為減弱。
[0036]3.其它介質(zhì)4區(qū)域的幾何尺寸應(yīng)大于紅外探測器響應(yīng)的峰值波長，在實(shí)際中可以取響應(yīng)的峰值波長的十倍以上。
[0037]4.與光敏感區(qū)3臨近的、存在著明顯高度差(與響應(yīng)峰值波長相比)的區(qū)域應(yīng)覆蓋其它介質(zhì)4，并與光敏感區(qū)3保持電絕緣；沒有高度差或較小的(即小于響應(yīng)的峰值波長的十分之一)區(qū)域無需覆蓋其它介質(zhì)4，如金屬電極區(qū)域I。
【權(quán)利要求】
1.一種改善響應(yīng)光譜平整度的紅外探測器結(jié)構(gòu)，它包括金屬電極(I)、襯底(2)、光敏感區(qū)(3)和其它介質(zhì)(4)，其特征在于:金屬電極(I)位于矩形光敏感區(qū)(3)的左右兩邊，其它介質(zhì)(4)位于矩形光敏感區(qū)(3)的上下兩邊；所述的其它介質(zhì)(4)采用與光敏感區(qū)相同的材料，電學(xué)上與金屬電極和光敏感區(qū)隔離。
【文檔編號】H01L31/09GK103579406SQ201310469889
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年10月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月10日
【發(fā)明者】許金通, 李向陽, 朱龍源, 王妮麗, 儲開慧, 趙水平, 蘭添翼 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所