CN100443928C - 置于碲镉汞红外焦平面探测器芯片内部的微型滤光片 - Google Patents

置于碲镉汞红外焦平面探测器芯片内部的微型滤光片 Download PDF

Info

Publication number
CN100443928C
CN100443928C CNB2006101171050A CN200610117105A CN100443928C CN 100443928 C CN100443928 C CN 100443928C CN B2006101171050 A CNB2006101171050 A CN B2006101171050A CN 200610117105 A CN200610117105 A CN 200610117105A CN 100443928 C CN100443928 C CN 100443928C
Authority
CN
China
Prior art keywords
filter
micro light
focal plane
response
infrared
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CNB2006101171050A
Other languages
English (en)
Other versions
CN1936626A (zh
Inventor
叶振华
何力
胡晓宁
周文洪
吴俊�
巫艳
丁瑞军
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Original Assignee
Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Institute of Technical Physics of CAS filed Critical Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Priority to CNB2006101171050A priority Critical patent/CN100443928C/zh
Publication of CN1936626A publication Critical patent/CN1936626A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN100443928C publication Critical patent/CN100443928C/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

本发明公开了一种置于碲镉汞红外焦平面探测器芯片内部的微型滤光片,所述的探测器芯片由衬底、衬底上依次置有的缓冲层、响应红外目标辐射的光电二极管列阵组成。所述的微型滤光片是通过分子束外延原位生长在缓冲层和光电二极管列阵之间。本发明的微型滤光片的优点是:具有高均匀性、高可靠性和无信号损失的特点;滤光波段是通过严格控制作为原位滤光层的Hg1-xCdxTe的组分来实现的,从而具很高的控制精度;这种集成在红外焦平面探测器芯片内部的微型滤光片无需任何外光路部件,使用方便,且非常可靠和稳定。

Description

置于碲镉汞红外焦平面探测器芯片内部的微型滤光片
技术领域
本发明涉及滤光片,具体是指置于碲镉汞(HgCdTe)红外焦平面列阵器件芯片内部的微型滤光片。
背景技术
红外焦平面列阵器件是既具有红外信息获取又具有信息处理功能的先进的成像传感器,在空间对地观测、光电对抗、机器人视觉、搜索与跟踪、医用和工业热成像、以及导弹精确制导等军、民用领域有重要而广泛的应用。由于其不可替代的地位和作用,世界上的主要工业大国都将碲镉汞红外焦平面列阵器件列为重点发展的高技术项目。
在高级红外应用系统的大力驱动下,红外探测技术已进入了以大面阵、小型化和多色化等为特点的第三代红外焦平面探测器的重要发展阶段,见S.Horn,P.Norton,T.Cincotta,A.Stoltz,et al,“Challenges for third-generation cooledimagers”,proceeding of SPIE,Vol.5074,2003,P44-51。高分辨率始终是红外探测技术发展所不懈追求的目标,新一代红外焦平面探测技术已由单像元发展到4096×4096的凝视大面阵,预计于2010年红外焦平面探测器规模将达到10K×10K。
但是,随着红外焦平面探测器规模的不断扩大,对探测器前的滤光片也提出了更高的要求,即要求大面积范围内的高均匀性和高可靠性。同时,随着高分辨率红外焦平面探测器光敏元的尺寸越来越小,红外辐射在通过滤光片时,滤光片的反射和吸收必然会导致单个光敏元上有限目标信号的损失,从而不断要求提高滤光片在信号波段范围内的透过率。由于传统滤光片是采用光学镀膜技术来实现的,所以不可能通过优化镀膜技术来大幅度提高滤光片的均匀性、可靠性和透过率。因此,必需探索一种新的滤光片,来满足不断向高密度小光敏元和大列阵发展的红外焦平面探测器的需求。
发明内容
本发明的目的是提出一种与传统滤光片截然不同的、高均匀性、高可靠性和无信号损失的置于碲镉汞红外焦平面探测器芯片内部的微型滤光片。
为了达到上述目的,本发明采用在红外焦平面探测器的光敏感芯片内部,响应红外目标辐射的光电二极管列阵与外延衬底缓冲层之间,原位引入前截止滤光层的技术方案。
本发明的一种置于碲镉汞红外焦平面探测器芯片内部的微型滤光片,所述的碲镉汞红外焦平面探测器芯片由衬底、衬底上依次置有的缓冲层、响应红外目标辐射的N型层和P型层构成的光电二极管列阵组成。所述的微型滤光片是通过分子束外延原位生长在缓冲层和响应红外目标辐射的光电二极管列阵之间。微型滤光片为掺杂Hg1-xCdxTe外延层,x为组分,滤光波段与组分、掺杂浓度有关,微型滤光片的滤光波段由器件的响应波段确定。微型滤光片的厚度必须远远大于该层材料吸收系数的倒数,即1/α,α为吸收系数。
它的工作原理是:由于原位微型滤光片窗口的吸收,需要滤光的短波段红外辐射光强在传输方向上是指数衰减的,其绝大多数的短波红外辐射已在靠近外延衬底缓冲层界面的原位微型滤光片窗口表层处被吸收而形成光生载流子,又因为高掺杂原位滤光窗口少数载流子寿命短,以及在靠近外延衬底缓冲层界面处少数载流子的高复合速度,致使短波段红外辐射在原位滤光窗口表层被吸收形成的光生载流子不会产生光电流信号,而波长较长的红外信号又能完全透过原位滤光片窗口后到达光电二极管区域被吸收产生光电流信号,因而该层高掺杂宽禁带Hg1-xCdxTe外延材料起到了过滤短波红外辐射的原位微型滤光窗口的作用。
为确保高掺杂宽禁带Hg1-xCdxTe外延材料能真正起到原位微型滤光片的作用,该微型滤光片的生长和设计必须解决下列二个问题。一是通过严格控制作为原位滤光片层的高掺杂Hg1-xCdxTe外延材料的组分,使其禁带宽度恰好等于需要过滤红外辐射的最小光子能量,从而波长小于原位滤光层Hg1-xCdxTe外延材料截止波长的红外辐射,在该滤光层位置被吸收。二是该微型滤光层的厚度必须远远大于该层材料吸收系数的倒数(即1/α,α为吸收系数),以完全吸收波长小于原位滤光片层Hg1-xCdxTe外延材料截止波长的红外辐射。
分子束外延(MBE)技术作为HgCdTe红外焦平面探测器材料生长的一种重要方法,由于有极强的组分、厚度和掺杂浓度控制能力,完全能达到原位制备微型滤光片的要求。而且,在生长HgCdTe红外焦平面探测材料前,先生长一层作为原位集成的微型滤光层的高掺杂宽禁带Hg1-xCdxTe外延材料,对整个HgCdTe材料的生长过程没有任何不良的影响。所以,本发明可方便地采用在红外焦平面探测器光敏感芯片内部,直接原位地引入能过滤红外辐射的集成微型滤光片的技术方案。
本发明的优点是:
1.由于微型滤光片是通过分子束外延技术直接集成在红外焦平面探测器光敏感芯片内部,从而具有高均匀性、高可靠性和无信号损失的特点;
2.微型滤光片的滤光波段是通过严格控制作为原位滤光层的Hg1-xCdxTe的组分来实现的,从而具很高的控制精度;
3.这种集成在红外焦平面探测器内部的微型滤光片无需任何外光路部件,使用方便,且非常可靠和稳定。
附图说明
图1是微型滤光片与HgCdTe红外焦平面探测器集成于一体的剖面结构示意图;
图2是内置微型滤光片的红外焦平面探测器的光谱响应图。
具体实施方式
下面结合附图,以内置短波截止波长为1.95μm微型滤光片的红外焦平面探测器为实施例,对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明:
实施例采用P-on-n异质台面结HgCdTe红外焦平面探测器,微型滤光片的截止波长为1.95μm,其制备过程如下:
A.首先采用分子束外延技术,依次在GaAs衬底1上生长CdTe缓冲层2,厚度为4μm;
B.再生长铟掺杂浓度为3.0×1017、厚度为5μm和组分为0.545的N型Hg1-0.545Cd0.545Te材料,作为截止波长为1.95μm的微型滤光片3。该微型滤光片HgCdTe材料的吸收系数的倒数仅为1μm,远小于5μm。所以,当入射波长小于1.95μm时,绝大部分需过滤的红外辐射都在N型微型滤光片处被吸收,而波长大于1.95μm的目标信号红外辐射又能穿过N区,不会导致目标信号的红外辐射损失。
C.再生长响应红外目标辐射的n型层401和p型层402。其中,n型层为铟掺杂浓度为1.0×1015、厚度为6μm、组分为0.425的HgCdTe材料,而P型层为铟掺杂浓度为1.0×1016、厚度为4μm和组分为0.45的HgCdTe材料。
D.由上述获得的外延材料,经过微台面列阵的隔离、表面钝化、爬坡金属化、铟柱403制备与混成互连等芯片工艺后,最后获得在探测器芯片内部原位集成有微型滤光片的P-on-n异质台面结HgCdTe红外焦平面器件。
图2是内置微型滤光片的红外焦平面探测器的响应光谱。如图所示,波长小于微型滤光片的截止波长1.95μm时,对应的等光子光谱接近于零。这是因为绝大部分波长小于1.95μm的红外辐射都在N型微型滤光片处被吸收,又由于该区域短的少数载流子寿命和在靠近缓冲层界面处高的复合速度,从而导致该部分的光生载流子不能转化成光电流。而波长大于微型滤光片截止波长的目标信号能透过微型滤光片到达光电二极管列阵4处,其中波长又小于光电二极管吸收波长的红外辐射将被吸收而产生光电流信号。所以,这种结构的红外焦平面探测器的等光子响应光谱呈带状的光谱响应,而原位集成在探测器光敏感芯片内部的微型滤光片3恰好起到了过滤短波红外辐射的微型滤光片窗口作用。
该实施例结果表明,在红外焦平面探测器光敏感芯片内部,原位生长微型滤光片片是可行的、合理的。
以P-on-n异质台面结HgCdTe红外焦平面器件为例,提供下列几组响应波段的微型滤光片与器件参数。
Figure C20061011710500071

Claims (1)

1.一种置于碲镉汞红外焦平面探测器芯片内部的微型滤光片,所述的碲镉汞红外焦平面探测器芯片由衬底(1)、衬底上依次置有的缓冲层(2)、响应红外目标辐射的N型层(401)和P型层(402)构成的光电二极管(4)列阵组成;其特征在于:
所述的微型滤光片是通过分子束外延原位生长在缓冲层(2)和响应红外目标辐射的光电二极管(4)列阵之间的掺杂Hg1-xCdxTe外延层,其中x为组分,微型滤光片的滤光波段与组分、掺杂浓度有关;
对于响应1~3μm,Hg1-xCdxTe滤光片的组分为0.85,掺杂浓度为2.0~4.0×1017
对于响应3~4μm,Hg1-xCdxTe滤光片的组分为0.405,掺杂浓度为2.0~4.0×1017
对于响应4~5μm,Hg1-xCdxTe滤光片的组分为0.345,掺杂浓度为2.0~4.0×1017
对于响应8~10μm,Hg1-xCdxTe滤光片的组分为0.245,掺杂浓度为2.0~4.0×1017
微型滤光片的滤光波段由器件的响应波段确定;微型滤光片的厚度必须远远大于该层材料吸收系数的倒数,即1/α,α为吸收系数。
CNB2006101171050A 2006-10-13 2006-10-13 置于碲镉汞红外焦平面探测器芯片内部的微型滤光片 Active CN100443928C (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CNB2006101171050A CN100443928C (zh) 2006-10-13 2006-10-13 置于碲镉汞红外焦平面探测器芯片内部的微型滤光片

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CNB2006101171050A CN100443928C (zh) 2006-10-13 2006-10-13 置于碲镉汞红外焦平面探测器芯片内部的微型滤光片

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN1936626A CN1936626A (zh) 2007-03-28
CN100443928C true CN100443928C (zh) 2008-12-17

Family

ID=37954233

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNB2006101171050A Active CN100443928C (zh) 2006-10-13 2006-10-13 置于碲镉汞红外焦平面探测器芯片内部的微型滤光片

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN100443928C (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104568756A (zh) * 2015-01-21 2015-04-29 中国科学院上海技术物理研究所 中波红外光谱可识别探测器

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4910154A (en) * 1988-12-23 1990-03-20 Ford Aerospace Corporation Manufacture of monolithic infrared focal plane arrays
US5444577A (en) * 1990-05-29 1995-08-22 Hughes Aircraft Company Impurity band optical filter
US6140145A (en) * 1996-04-04 2000-10-31 Raytheon Company Integrated infrared detection system
US6255025B1 (en) * 1998-07-13 2001-07-03 Fuji Xerox Co., Ltd. Filter and process for producing same
CN1588620A (zh) * 2004-07-27 2005-03-02 中国科学院上海技术物理研究所 用于碲镉汞外延生长的数字合金复合衬底及制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4910154A (en) * 1988-12-23 1990-03-20 Ford Aerospace Corporation Manufacture of monolithic infrared focal plane arrays
US5444577A (en) * 1990-05-29 1995-08-22 Hughes Aircraft Company Impurity band optical filter
US6140145A (en) * 1996-04-04 2000-10-31 Raytheon Company Integrated infrared detection system
US6255025B1 (en) * 1998-07-13 2001-07-03 Fuji Xerox Co., Ltd. Filter and process for producing same
CN1588620A (zh) * 2004-07-27 2005-03-02 中国科学院上海技术物理研究所 用于碲镉汞外延生长的数字合金复合衬底及制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN1936626A (zh) 2007-03-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US12080694B2 (en) Photosensitive imaging devices and associated methods
US7276749B2 (en) Image sensor with microcrystalline germanium photodiode layer
CN100433328C (zh) 带有增透会聚微镜的红外焦平面探测器及微镜制备方法
US7436038B2 (en) Visible/near infrared image sensor array
US20240204033A1 (en) Shallow trench textured regions and associated methods
Hadfield et al. Single-photon detection for long-range imaging and sensing
CN100444381C (zh) 背向集成微透镜红外焦平面探测器及微透镜的制备方法
CN103081128A (zh) 高速光敏设备及相关方法
Bianconi et al. Recent advances in infrared imagers: toward thermodynamic and quantum limits of photon sensitivity
EP2985800A1 (en) Image sensor and electronic device including the same
CN105115599A (zh) 一种基于MEMS微结构硅的Si-PIN四象限光电探测器及其制备方法
CN109244176A (zh) 一种微椭球式零串音碲镉汞红外焦平面探测器
CN217214719U (zh) 多波段超像元红外焦平面探测器
CN101894847B (zh) 一种原位集成浸没式微凸镜列阵的红外焦平面探测器
CN100443928C (zh) 置于碲镉汞红外焦平面探测器芯片内部的微型滤光片
US6359283B1 (en) Noise reduced photon detector
CN201749851U (zh) 一种浸没式微凸镜列阵的红外焦平面探测器
US20080105820A1 (en) Resonant structures for electromagnetic energy detection system and associated methods
CN101726364B (zh) 红外焦平面列阵器件的内吸收率增强方法
CN117790614A (zh) 一种双波段Ge/Si APD光电探测器
CN111192890A (zh) 一种单像元红外和可见光双波段传感器及阵列
EP0290434A1 (fr) Procede et ecran pour la perturbation de la transmission d'un rayonnement infrarouge.

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant