CN101106164A - 一种用于量子阱红外探测器的交叉组合式双周期光栅 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于量子阱红外探测器的交叉组合式双周期光栅。本发明采用两种尺寸的光栅交叉排列来响应两个波段，获取两个波段的信息。交叉排列使得这种新型光栅在整个面上的响应均匀性很好，且两种光栅的分布位置是类似“品”字状，使光刻线宽增至最大从而提高了光刻图形的精度。另外由于采用正方栅孔，避免了像散；且优化的参数设计使得光栅的耦合效率提高。本发明应用于双色量子阱红外探测器中，能同时在两个波段更准确的获取目标信息，更好的对复杂背景进行抑制，从而提高对目标的探测效果；本发明制作简单，成本低，可容易地实现大规模产品系列化生产。

Description

一种用于量子阱红外探测器的交叉组合式双周期光栅

技术领域

本发明涉及一种应用于双色量子阱红外探测器中的光栅。

背景技术

量子阱红外探测器(英文简称为QWIP)具有大面积均匀性好、抗辐射、易于双色或多色器件单片集成等优点，是目前红外探测器研究的焦点，在矿物资源探测、森林防火、工业监控、医疗卫生、食品工业等领域有广泛应用前景，其原理结构如图1所示。研制响应率和探测率高、价格低的量子阱红外焦平面阵列是人们一直在追求的一个目标。国外研究机构已经报道了双色、三色和四色量子阱红外探测器(下面量子阱红外探测器简称QWIP)，其中双色的QWIP的光栅的栅孔阵列规模达到了1024×1024，四色达到了640×512。由于QWIP有源区对垂直于器件表面的入射光分量不吸收，因此需要在像元表面制作衍射光栅，使入射光通过衍射产生平行于量子阱方向的光分量，所以光栅的设计和制作是影响双色QWIP器件性能的重要因素。

在以往的文献中曾报道了两种结构的双周期光栅，如图3、4所示。图3中的是x、y方向参数不同的双周期光栅。这种光栅在x方向响应一个波长，在y方向响应另一个波长。但是由于x、y方向的参数不同，失去了正交对称性，易造成像散。图4所示的是单周期简单组合而成的双周期光栅。这种光栅左半面响应一个波长，右半面响应另一个波长。但是在整个面上的响应均匀性不是很好，而且当光栅孔的尺寸很小时，受光刻线宽的限制比较大。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种在整个面上响应均匀性好的、可避免像散、且提高耦合效率的交叉组合式的双周期光栅。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

本发明中光栅的奇数行是由响应同一个波长的方形栅孔组成，偶数行是由响应另一个波长的方形栅孔组成，奇数行和偶数行交叉排列；奇数行的一个光栅孔和偶数行的两个光栅孔组成一个“品”字形。奇数行周期为d₁，栅孔宽度为a₁，栅孔深度为h₁；偶数行周期为d₂，栅孔宽度为a₂，栅孔深度为h₂；纵向周期为d₃，奇数行光栅到偶数行光栅的间距为x₁，偶数行光栅到下一奇数行光栅的间距为y₁。

光栅尺寸的设计方法如下：对于横向尺寸(包括d₁、a₁、d₂、a₂)，计算方法和单周期光栅的计算法相同，即光栅周期d＝λ/n，栅孔宽度a＝0.707d，栅孔深度h＝λ/(3.2n)。其中λ为入射光的波长，n为量子阱层的折射率。因此，对于响应波长为λ₁和λ₂的双色量子阱红外探测器，它的交叉组合双周期光栅的横向参数分别为d₁＝λ₁/n，d₂＝λ₂/n，a₁＝0.707d₁，a₂＝0.707d₂；栅孔深度分别为：h₁＝λ₁/(3.2n)，h₂＝λ₂/(3.2n)。对于纵向尺寸(包括d₃、x₁、y₁)，各参数为：d₃≈d₁+d₂，x1＝0.707d₂，y1＝0.707d₁。

本发明的光栅的光刻工艺为：

A在光栅片上先刻出奇数行光栅的图形，其工艺步骤为

A1、外延片预处理，依次用丙酮、乙醇分别超声清洗、用氮气吹干，

A2、涂胶，采用AZ1500光刻胶，

A3、前烘，在100℃热板上烘烤，

A4、曝光，

A5、显影，氮气吹干，

A6、坚膜，

A7、光栅刻蚀，采用ICP干法刻蚀得到所要求的光栅深度，

A8、去胶，用丙酮浸泡完成刻蚀的片子，去除光刻胶；

B在上述片子的对应位置上，用偶数行光栅掩膜版通过光刻工艺制作出偶数行光栅的掩模图形。

本发明取得的技术进步是：

本发明提高了双色量子阱红外探测器的响应率和探测率。它采用双周期光栅，两种尺寸的光栅交叉排列，因此可同时响应两个波段，并且提高了在整个面上的响应均匀性；采用正方栅孔，避免了由于水平和垂直方向的参数不同造成的像散；纵向尺寸和光栅深度优化设计，使得新型交叉组合双周期光栅的耦合效率提高。

本发明的光栅的分布位置是类似“品”字状，吸收了品字形光栅的优点，使光刻线宽增至最大从而提高了光刻图形的精度。

本发明适合于双色量子阱红外探测器中，能同时在两个波段更准确的获取目标信息，更好的对复杂背景进行抑制，从而提高对目标的探测效果。

附图说明

图1为双色量子阱红外探测器。

图2适于双色QWIP的交叉组合双周期光栅的示意图。

图3为x、y方向参数不同的双周期光栅结构示意图。

图4为单周期简单组合而成的双周期光栅结构示意图。

图5为交叉组合式双周期光栅结构顶视示图。

图6为交叉组合式双周期光栅结构纵向侧视示图。

其中：1、接触金属，2、光栅，3、响应波长λ₁的多量子阱，4、响应波长λ₂的多量子阱，5、高掺杂的砷化镓层，d₁、奇数行周期，d₂、偶数行周期，a₁、奇数行栅孔宽度，a₂、偶数行栅孔宽度，h₁、奇数行栅孔深度，h₂、偶数行栅孔深度，d₃、纵向周期，x₁、奇数行光栅到偶数行光栅的间距，y₁、耦合行光栅到下一奇数行光栅的间距。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明：

本发明中光栅的结构及参数分布如图5、6所示，图2是本发明的光栅的立体结构示意图。

本发明包括响应不同波长的两种尺寸的光栅，两种尺寸的光栅孔各自成行后依次交叉排列，奇数行的一个光栅孔和偶数行的两个光栅孔组成一个“品”字形。

本发明所述的一种用于量子阱红外探测器的交叉组合式双周期光栅的横向尺寸按单周期光栅设计，其尺寸参数的计算公式为d₁＝λ₁/n；d₂＝λ₂/n；a₁＝0.707d₁；a₂＝0.707d₂；h₁＝λ₁/(3.2n)；h₂＝λ₂/(3.2n)；纵向尺寸的计算公式为：d₃≈d₁+d₂；x₁＝0.707d₂；y₁＝0.707d₁。

本发明的交叉组合式双周期光栅制作方法举例如下：

A在光栅片上先用光刻工艺刻出奇数行光栅的图形：

A1、外延片预处理：依次用丙酮、乙醇分别超声清洗，用氮气吹干；

A2、涂胶：采用AZ1500光刻胶，转速：4000r/min；

A3、前烘：在100℃热板上烘烤90秒；

A4、曝光：调整并选择合适的曝光功率，将奇数行光栅掩膜版与涂好胶的QWIP片子对准并压紧，曝光10～20秒；

A5、显影：采用AZ专用显影液显影30～50秒后，迅速用去离子水冲3分钟，氮气吹干；

A6、坚膜：在100℃热板上烘烤3分钟；

A7、光栅刻蚀：采用ICP干法刻蚀得到所要求的光栅深度；

A8、去胶：用丙酮浸泡完成刻蚀的片子，去除光刻胶。

B在上述片子上，用偶数行光栅掩膜版通过光刻工艺制作出偶数行光栅的掩模图形：采用上面相同的光刻工艺得到在片子上对应位置制作出偶数行光栅图形。

Claims (4)

1.一种用于量子阱红外探测器的交叉组合式双周期光栅，包括响应不同波长的两种尺寸的光栅，其特征在于：两种尺寸的光栅孔各自成行后依次交叉排列。

2.根据权利要求1所述的一种用于量子阱红外探测器的交叉组合式双周期光栅，其特征在于所述奇数行的一个光栅孔和偶数行的两个光栅孔组成一个“品”字形。

3.根据权利要求1所述的一种用于量子阱红外探测器的交叉组合式双周期光栅，其特征在于所述光栅的横向尺寸按单周期光栅设计，其尺寸参数的计算公式为：d₁＝λ₁/n，d₂＝λ₂/n，a₁＝0.707d₁，a₂＝0.707d₂，h₁＝λ₁/(3.2n)，h₂＝λ₂/(3.2n)；纵向尺寸的计算公式为：d₃≈d₁+d₂，x₁＝0.707d₂，y₁＝0.707d₁。

4.根据权利要求1所述的一种用于量子阱红外探测器的交叉组合式双周期光栅，其特征在于所述光栅的光刻工艺为：

A先在光栅片上刻出奇数行光栅的图形；

B再用偶数行光栅掩膜版通过光刻工艺制作出偶数行光栅的掩模图形。

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