CN101692456B - 一种集成滤光微结构的InGaAs线列或面阵探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成滤光微结构的InGaAs线列或面阵探测器，它由InP衬底、N型InP层、氮化硅钝化层、InGaAs吸收层、P型InP帽层、P电极区、中心波长在λ₁的Si/SiO₂滤光微结构薄膜、中心波长在λ₂的Si/SiO₂滤光微结构薄膜和P电极互连层和N电极区组成。滤光微结构是基于法布里-珀罗谐振腔结构设计的带通型滤光片，选用Si和SiO₂作为高折射率(nH)材料和低折射率(nL)材料。本发明的优点：滤光片微结构直接生长在InGaAs探测器芯片上，避免了多波段之间可能存在的“串色”和杂散光的进入，同时有利于两个波段尽可能靠近，缩短对同一目标探测的时间延迟。

Description

一种集成滤光微结构的InGaAs线列或面阵探测器

技术领域

本发明涉及光电探测器件技术，具体指一种集成滤光微结构的InGaAs线列或面阵探测器，该器件在InGaAs短波红外探测器芯片内直接集成滤光微结构，从而实现双波段或多波段的短波红外探测。

背景技术

短波红外成像可以提供可见光、微光夜视、中波、长波红外成像所不能提供的信息，填补微光夜视和中波红外成像之间的光谱空缺，可以实现在三个大气红外透射窗口的“无缝隙探测”。新型铟镓砷(InGaAs)短波红外探测器组件在0.9～1.7微米波段具有非制冷室温工作、探测率高、均匀性好等优点，是小型化、低成本和高可靠性的短波红外探测系统的最佳选择。未来InGaAs短波红外探测器组件朝两个方向发展：一是为了提高探测精度，扩大视场，发展高集成度的InGaAs红外焦平面探测器，即研制探测元数目多、密度高、均匀性好、灵敏度高的长线列和面阵焦平面组件；一是向集成化、多色、低功耗方向发展。

随着探测器技术的发展，探测器技术先进性可以用三个主要特征来概括：(1)目标的多光谱特征的探测能力；(2)目标的空间分布特征的高速识别能力；(3)微型化、集成化性能。目前研制的256元InGaAs焦平面组件其波段选择是在封装结构内把波段滤光片放置在光阑上实现的，这种方式一方面导致封装结构的复杂，不利于器件的微型化，一方面在滤光片和探测器芯片间存在间隙，有可能导致杂散光的进入，同时在多波段组件中可能存在“串色”，此外，在遥感系统应用过程中，为了实现对同一目标探测的时间延迟尽可能短，希望两个波段尽可能靠近，而光阑上置放滤光片的方式限制了两个波段探测器芯片向小间距发展的可能。

发明内容

本发明提出一种新型器件结构，将滤光微结构直接集成到InGaAs探测器芯片内(即微型集成滤光片和探测器一体化)，形成新型双波段或多波段InGaAs近红外探测器件结构，实现短波红外双波段或多波段探测，有利于实现器件的微型化、集成化，和满足航天遥感系统的需求，能得到更多有意义的短波红外目标信息，对短波红外焦平面探测器技术的发展有重要意义。

本发明通过设计滤光微结构的中心波长和带宽以及探测器芯片的结构，可制备芯片内集成滤光微结构双波段或多波段InGaAs探测器。本发明以中心波长位于λ₁和λ₂的芯片内集成滤光微结构双波段InGaAs探测器作为发明实例(λ₁和λ₂位于0.9～1.7微米的短波波段)，叙述探测器芯片的结构和滤光微结构的设计及其制备工艺。

本发明中新型InGaAs探测器芯片结构俯视图如图1所示，响应的中心波长位于λ₁和λ₂，探测器芯片的电信号由P电极互连层2和N电极区3引出。探测器芯片采用正入射台面结方式，单波段探测器光敏元1或4成“一”字型排列，光敏元占空比可达到80％，两波段光敏元沿Y轴方向中心距离有足够的设计空间，可从100微米到1毫米甚至更长，两波段光敏元沿X轴方向中心距离由半导体工艺控制，精度偏差小于1微米。

本发明中滤光微结构是基于法布里-珀罗谐振腔结构设计的带通型滤光膜，生长在SiN_x钝化层上。选用Si和SiO₂作为高折射率(nH)材料和低折射率(nL)材料。带宽可根据实际要求设计，设计带宽与实际制备后的误差在±5nm以内。

本发明将双波段滤光微结构集成到正入射InGaAs台面芯片上，其结构剖面图如附图2所示，它由InP衬底5、N型InP层6、氮化硅钝化层7、InGaAs吸收层8、P型InP帽层9、P电极区10、中心波长在λ₁的Si/SiO₂滤光微结构薄膜11、中心波长在λ₂的Si/SiO₂滤光微结构薄膜12和P电极互连层2、N电极区3组成。器件的制备方法如下。首先通过常规的材料外延工艺和器件制备工艺制备p-InP/i-InGaAs台面型探测器芯片，通过刻蚀形成p-InP/i-InGaAs台面，在p-InP/i-InGaAs台面的局部区域上置有P电极区10，接触电极采用Ti/Pt/Au；在P电极区上置有与读出电路互连的电极互连层2，该电极互连区覆盖部分台面，并从台面上延伸至台面下；在两列台面的中间区域有一刻蚀至n-InP层并置于n-InP层上的N电极区3，接触电极采用Cr/Au；除P、N电极区外，整个外延片上，包括p-InP/i-InGaAs台面的侧面覆盖有氮化硅钝化层7。然后，制备Si/SiO₂基中心波长在λ₁的滤光微结构薄膜11和中心波长在λ₂的滤光微结构薄膜12，最后，通过引入合适的退火工艺，使滤光微结构和探测器芯片间达到应力匹配。

本发明的优点是：

1.器件采用正入射台面方式，每个响应波段光敏元成“一”字型排列，光敏元占空比可达到80％以上；

2.本发明中的两波段光敏元沿Y轴方向中心距离有足够的设计空间(光敏元排列方向定义为X轴，垂直于X轴的方向定义为Y轴)，可从100微米到1毫米甚至更长，两波段光敏元沿X轴方向中心距离由半导体工艺控制，精度偏差小于1微米，而目前国内外普遍采用的多波段高精度拼接技术研制的多波段探测器组件，两波段光敏元沿Y轴方向中心距离在1.5毫米以上，沿X轴方向中心距离偏差±5微米；

3.滤光片微结构直接生长在InGaAs探测器芯片上，和滤光片与探测器分立的方式相比，避免了多波段之间可能存在的“串色”和杂散光的进入，同时有利于两个波段尽可能靠近，缩短对同一目标探测的时间延迟；

4.采用Si/SiO₂体系通过精细掩膜的方法制备两个通道的滤光微结构到探测器表面，采用光刻结合反应离子刻蚀(RIE)的方法将需要引线的金属电极区域的滤光微结构去除。

附图说明

图1为新型InGaAs探测器芯片结构俯视图。

图2为双波段滤光微结构探测器芯片结构剖面图；

其中：

1——光敏元；

2——P电极互连层

3——N电极区；

4——光敏元；

5——InP衬底；

6——N型InP层；

7——氮化硅钝化层；

8——InGaAs吸收层；

9——P型InP；

10——P电极区；

11——中心波长在λ₁的滤光微结构薄膜；

12——中心波长在λ₂的滤光微结构薄膜。

具体实施办法

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明实施例将中心波长λ₁和λ₂分别设定为1.38微米和1.60微米。中心波长在1.38微米的滤光微结构和中心波长在1.60微米的滤光微结构的膜系结构相同，膜系结构为：

D|S|1L 1H 1L(1L 1H 1L 1H 1L 1H 1L)^21L 1H 1L 1H 1L|A

D表示探测器的帽层材料InP；S表示SiN_x钝化层；H表示高折率材料Si；L表示低射率材料SiO₂。

如附图1所示，本实施例探测器所用的外延材料是在厚度为350μm的半绝缘InP衬底5上依次生长厚度为1μm的N型InP层6，载流子浓度大于2×10¹⁸cm^-3；厚度为2.0μm至2.5μm的In_0.53Ga_0.47As吸收层8，载流子浓度为1～7×10¹⁶cm^-3；厚度为0.5μm的P型InP帽层9，载流子浓度大于2×10¹⁸cm^-3。图2为本实施例的剖面结构示意图，在外延片上通过ICP刻蚀和湿法腐蚀相结合的方法形成线列p-InP/i-InGaAs台面，在p-InP/i-InGaAs台面上的局部区域上置有P电极区10，与p-InP欧姆接触的P电极采用Ti/Pt/Au；除P、N电极区外，整个外延片上，包括p-InP/i-InGaAs台面的侧面覆盖有氮化硅钝化层7；在P电极区上置有与读出电路互连的电极互连层8，该电极互连层覆盖部分台面，并从台面上延伸至台面下；在两列台面的中间区域有一刻蚀至n-InP层并置于n-InP层上的N电极区3，接触电极采用Cr/Au。最后，通过制备精确掩膜，并结合电子束蒸发方法分别制备Si/SiO₂滤光微结构薄膜11和12，该薄膜覆盖整个台面，并从台面上延伸至台面下，覆盖部分氮化硅钝化层7和部分电极互连层8。台面上覆盖氮化硅和滤光微结构薄膜、但没有覆盖电极互连层的为探测器的光敏感区1和4。

本实施例探测器制备具体工艺过程为：

1.采用常规台面型InGaAs探测器芯片的制备工艺制备探测器芯片；

2.采用电子束蒸发方法在成型的探测器芯片上沉积中心波长在1.38微米的Si/SiO₂滤光微结构薄膜体系，将膜系的生长温度控制在300℃以下；

3.正胶(厚胶)光刻，光刻后65℃烘干30分钟；

4.RIE刻蚀，采用SF6气体，将需要引线的金属电极区域的滤光微结构去除；

5.采用电子束蒸发方法在成型的探测器芯片上沉积中心波长在1.60微米的Si/SiO₂滤光微结构薄膜体系；

6.正胶(厚胶)光刻，光刻后65℃烘干30分钟；

7.反应离子刻蚀技术，采用SF₆气体，将需要引线的金属电极区域的滤光微结构去除；

8.在N₂气氛下快速热退火。

Claims (2)

1.一种集成滤光微结构的InGaAs线列或面阵探测器，其材料结构为：在半绝缘InP衬底(5)上依次生长N型InP层(6)、In_0.53Ga_0.47As吸收层(8)和P型InP帽层(9)，通过刻蚀形成两列p-InP/i-InGaAs台面；在两列p-InP/i-InGaAs台面上局部区域设置有P电极区(10)；N电极区(3)位于两列p-InP/i-InGaAs台面之间的中间区域并设置于n-InP层(6)上；除P电极区(10)、N电极区(3)外，整个探测器上包括p-InP/i-InGaAs台面的侧面覆盖有氮化硅钝化层(7)；与读出电路耦合的电极互连层(2)覆盖P电极区(10)和部分设置于p-InP/i-InGaAs台面上的氮化硅钝化层(7)，并分别沿两列p-InP/i-InGaAs台面远离N电极区(3)的侧面延伸至台面下；中心波长在λ₁的Si/SiO₂滤光微结构薄膜(11)和中心波长在λ₂的Si/SiO₂滤光微结构薄膜(12)分别覆盖两列p-InP/i-InGaAs台面，并沿台面的两侧从台面上延伸至台面下，覆盖部分氮化硅钝化层(7)和部分电极互连层(2)；中心波长在λ₁的Si/SiO₂滤光微结构薄膜和中心波长在λ₂的Si/SiO₂滤光微结构薄膜均选用Si作为高折射率材料和SiO₂作为低折射率材料，其特征在于：所述的InGaAs线列或面阵探测器分别在两列p-InP/i-InGaAs台面的氮化硅钝化层(7)上，集成中心波长在λ₁的Si/SiO₂滤光微结构薄膜(11)和中心波长在λ₂的Si/SiO₂滤光微结构薄膜(12)。

2.根据权利要求1所述的一种集成滤光微结构的InGaAs线列或面阵探测器，其特征在于：所述中心波长在λ₁的Si/SiO₂滤光微结构薄膜(11)和中心波长在λ₂的Si/SiO₂滤光微结构薄膜(12)是法布里-珀罗谐振腔结构的带通型滤光微结构薄膜。

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