CN100561742C - 背照式ZnO基紫外成像固态焦平面探测阵列及其制备 - Google Patents

背照式ZnO基紫外成像固态焦平面探测阵列及其制备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及背照式ZnO基紫外成像固态焦平面探测阵列及制备，在双面抛光的蓝宝石(0001)基底上利用激光分子束外延生长Al重掺杂的MgxZn1-xO(BexZn1-xO)透明导电膜，然后外延生长不掺杂的对紫外光敏感的MgyZn1-yO层。接着在上面再生长一层Al重掺杂的MgzZn1-zO欧姆接触外延层。利用光刻和ICP离子刻蚀方法形成阵列式像素单元结构，在刻蚀好的图形基础上利用RF磁控溅射镀SiO2钝化层。由反应离子刻蚀形成电极的Al接触，利用蒸发镀膜的办法形成金属接触，以快速退火激活紫外敏感活性层形成欧姆接触，从而得到背照式ZnO基紫外成像固态焦平面探测阵列。本发明和匹配的Si-CMOS读出电路芯片通过铟凸点互连，放在紫外透镜的焦平面上，加上相应的图像处理、存储电路和软件就形成完整的紫外成像器件。

Description

背照式ZnO基紫外成像固态焦平面探测阵列及其制备
技术领域
本发明属于光电成像领域，涉及一种背照式ZnO基固态焦平面阵列紫外成像器件的核心部件——背照式ZnO基紫外成像固态焦平面探测阵列的结构设计及其制备方法。
背景技术
紫外成像可广泛应用于天文观测、紫外制导和预警、医学成像、公安刑侦、非可视短距离保密通信、航空航天、环境监测、生物种类探索和鉴别等研究领域。紫外波段在空间天文观察上的应用，发展了紫外天文学。空间紫外观测的主要作用是在于通过对外太空紫外辐射的探测，研究有关恒星大气模型和星际物质等。当前，星载紫外成像仪器对其所用的探测器的要求变得越来越高，它不仅要求探测器具有大的动态范围，而且还要求具有低的噪声，高的速度和高的分辨率，为了满足未来空间紫外成像的需要，目前国际上许多天文单位相继开展基于宽禁带半导体的新型紫外成像器件。
当前紫外探测多采用光电倍增管配备昂贵的光学滤色片，其灵敏度受滤光片透过率和光阴极量子效率的限制，且其体积与重量大，工作电压高，光阴极量子效率低。在空间正常工作的系统包括电源、姿控、热控、电子设备、科学有效载荷等多个部分。功耗大将对电源、热控等提出更高的要求，体积大会影响姿控与推进系统。且光电倍增管为点探测，需扫描成像。另外一类基于背侧减薄硅基CCD探测器，其对可见光的灵敏度非常高，而对紫外光的灵敏度却非常低，尤其是对真空紫外，且可见光对其影响也很大。此外，CCD的暗电流较大。为了抑制暗信号，CCD必须在低温下工作，这样一来就加大了技术难度与成本，而且冷探测器也是仪器内部可凝玷污的一个冷陷阱。再加之CCD的耐辐照性能很差，这不但会造成图像质量的下降，而且还会影响通道的电荷收集效率，带来列阵空间响应不均匀。宽禁带半导体紫外探测器同时具有完全可见盲，低电压，响应速度快，耐辐照，增益高，暗电流低，寿命长，利于光电集成、成本低、体积小、重量轻等优势，可以克服上述缺点。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种新型的背照式ZnO基紫外成像固态焦平面探测阵列的结构和制备工艺。
为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：
一种背照式ZnO基紫外成像固态焦平面探测阵列，该平面探测阵列以双面抛光的蓝宝石(0001)为基底，其特征在于：
在所述的双面抛光的蓝宝石(0001)基底上利用激光分子束外延或射频反应溅射法生长Al重掺杂的N-MgxZn1-xO或BexZn1-xO层作为透明导电膜，用于电极和UV-C光窗口层，保证UV-C波段的光充分透过；
在透明导电膜上外延生长不掺杂的MgyZn1-yO层，该层的作用是充分吸收紫外光，是紫外探测单元的核心层；
再生长一层Al重掺杂的N-MgzZn1-zO外延层，其中z值大于等于MgyZn1-yO层的y值，以实现良好的欧姆接触；若采用肖特基接触，则不需要生长这一层，而是在MgyZn1-yO层上用蒸发镀膜工艺制作一层金属镀层；
最后利用光刻和ICP离子刻蚀的方法形成阵列像素单元结构图形，并在刻蚀好的图形基础上利用RF磁控溅射镀上SiO2钝化层。
制作完成的背照式的紫外成像阵列单元可以和一个匹配的Si-CMOS读出电路芯片，通过铟凸点互连。然后放在紫外透镜的焦平面上，加上相应的图像处理、存储电路和软件就可以形成一个完整的紫外成像器件。
附图说明
图1：本发明设计的背照式ZnO基紫外成像固态焦平面探测阵列单元结构示意图。
图2：本发明所设计的背照式ZnO基紫外成像固态焦平面探测阵列单元阵列与专用CMOS读出电路铟凸点键合示意图。
图3：本发明像素单元的工艺流程图，其中，1)为依次生长不同掺杂的MgZnO，2)为光刻形成图形，3)为刻蚀台面，4)为形成台面，5)为沉积SiO2钝化层，6)为光刻电极区，7)为刻蚀电极区，8)为填入Al电极，9)为形成单个像素单元；
图4：本发明制备的背照式ZnO基紫外成像固态焦平面探测阵列的紫外光响应谱。
以下结合附图和发明人给出的实施例对本发明作进一步的详细说明。
具体实施方式
本发明是实现一种背照式ZnO基紫外成像固态焦平面探测阵列及其制备方法。其每一个成像单元结构如附件中图1所示，制作方法如图3所示。
该紫外成像探测阵列以双面抛光的蓝宝石(0001)为基底，在所述的双面抛光的蓝宝石(0001)基底上利用激光分子束外延或射频反应溅射法生长Al重掺杂的N-MgxZn1-xO或BexZn1-xO层作为透明导电膜，用于电极和UV-C光窗口层，保证UV-C波段的光充分透过；而且该层的N-MgxZn1-xO或BexZn1-xO的x值要尽可能的大，这样其禁带宽度大，对UV-C的紫外光吸收少，同时这一层也决定成像器件的短波限，(cut-on)。亦可以利用其它对UV-C波段透明的导电薄膜。
然后在此基础上外延生长不掺杂的MgyZn1-yO层，这一层的作用是充分吸收紫外光，是紫外探测单元的敏感层和核心层。
接着在上面再生长的一层Al重掺杂的N-MgzZn1-zO外延层，其中z值大于等于MgyZn1-yO层的y值，以实现良好的欧姆接触；若采用肖特基接触，则不需要生长这一层，而是在MgyZn1-yO层上用蒸发镀膜工艺制作一层金属镀层；
这样其基本结构生长完成，然后利用光刻和ICP离子刻蚀的方法形成阵列像素单元结构图形(例如：30×30μm2)(图1)，为了避免表面的影响，在刻蚀好的阵列像素单元结构图形基础上利用RF磁控溅射镀上SiO2钝化层。然后反应离子刻蚀形成上电极的Al接触孔(或用Au和Pt形成肖特基接触)，接着利用蒸发镀膜的办法形成金属接触电极，最后利用快速退火激活紫外敏感活性层及形成良好的欧姆接触。至此，紫外焦平面成像阵列就制作完成。
制作完成的背照式的紫外成像探测阵列单元可以和一个匹配的Si-CMOS读出电路芯片，通过铟凸点互连(图2)。然后放在紫外透镜的焦平面上，加上相应的图像处理、存储电路和软件就可以形成一个完整的紫外成像器件。
另外，接触电极也可以采用Au或Pt与UID-MgZnO层形成肖特基接触，这样一来每一个成像单元就是一个肖特基接础的紫外探测单元。这一点在研究中都可以灵活的实验。
由于蓝宝石基底(或其它对紫外透过的基底)本身对波长大于200nm的光是透明的，所以探测的时候，光是从衬底蓝宝石背面接收的。另外，制作完成的背光照明的紫外成像阵列单元可以和一个匹配的Si-CMOS读出电路芯片，通过铟凸点互连。
工艺方面利用LMBE实现日盲紫外焦平面成像阵列的主要结构，利用光刻、湿法刻蚀、ICP离子刻蚀、RIE离子刻蚀实现其微结构的加工。利用蒸发镀膜和快速热退火工艺实现欧姆接触或肖特基接触。利用磁控溅射实现钝化层的沉积，利用KNS球焊机实现凸点的制作。
本发明制备的背照式ZnO基固态焦平面阵列像素单元的紫外光响应谱参见图4。由图4可知，单个ZnO探测器单元的峰值响应波长约在365nm左右，截至波长约为382nm。

Claims (1)

1.一种背照式ZnO基紫外成像固态焦平面探测阵列，该平面探测阵列以双面抛光的蓝宝石(0001)为基底，其特征在于：
在所述的双面抛光的蓝宝石(0001)基底上利用激光分子束外延或射频反应溅射法生长Al重掺杂的N-MgxZn1-xO或Al重掺杂的BexZn1-xO层作为透明导电膜，用于电极和UV-C光窗口层，保证UV-C波段的光充分透过；
在透明导电膜上外延生长不掺杂的MgyZn1-yO层，该层的作用是充分吸收紫外光，是阵列像素单元的核心层；
再生长一层Al重掺杂的N-MgzZn1-zO外延层，以实现良好的欧姆接触；或采用肖特基接触，直接在MgyZn1-yO层上用蒸发镀膜工艺制作一层金属镀层；
最后利用光刻和ICP离子刻蚀的方法形成阵列像素单元结构图形，并在刻蚀好的阵列像素单元结构图形上利用RF磁控溅射镀上SiO2钝化层。
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