CN101894847B - 一种原位集成浸没式微凸镜列阵的红外焦平面探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原位集成浸没式微凸镜列阵的红外焦平面探测器，它采用在前视光场方向上原位集成红外镜面窗口的浸没式微凸镜列阵的红外焦平面探测器的结构方案。浸没式微凸镜列阵的红外焦平面探测器不仅具有微凸镜列阵型探测器能抑制串音和提高响应率的优点，而且还能通过将微透镜列阵与前视光场耦合界面迁移到红外镜面窗口位置，以减小受衍射极限限制的光敏元尺寸。这解决了微凸镜列阵型红外焦平面探测器受红外衍射极限严重限制的缺点。同时，折射率合适的低温环氧胶、二氧化硅和硫化锌等多种材料，都能方便地制作浸没式微凸镜列阵的红外焦平面探测器的红外镜面窗口。因而本发明具有结构合理和可制作性好的特点。

Description

一种原位集成浸没式微凸镜列阵的红外焦平面探测器

技术领域

本发明涉及光电探测器件技术，具体是指一种原位集成有红外镜面窗口的浸没式微凸镜列阵型红外焦平面探测器。

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红外焦平面列阵器件制备技术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，红外探测器已进入了以大面阵、小型化和多色化等为特点的发展阶段，见S.Horn，P.Norton，T.Cincotta，A.Stoltz，etal，“Challenges for third-generation cooled imagers”，proceeding of SPIE，Vol.5074，2003，P44-51。高分辨率始终是红外探测器发展所不懈追求的目标，新一代红外焦平面探测器已由单像元发展到4096×4096的凝视大面阵，预计到2010年红外焦平面探测器规模将达到10K×10K。

但是，随着大面阵和小型化，红外焦平面探测器的光敏像元尺寸变得越来越小，其红外探测器像元之间的电学串音和空间串音就势必成为制约红外焦平面探测器高分辨率性能的关键因素。

为减小高密度小像元光电探测器的性能受越来越严重的像元之间的电学串音和空间串音的限制，可见光相机的CCD和CMOS器件，采用了在入射光场方向上原位集成与像元纵向对中且等尺寸的会聚微凸镜列阵的光电器件结构。该类原位集成微凸镜列阵型红外探测器利用背向集成的微凸镜列阵的会聚作用，使垂直照射在每个光敏像元上的红外辐射都会聚到光敏感元有源区的中心区域。原先照射在每个像元的周边区域位置的红外辐射，都能会聚在每个光敏感像元的中心区域，从而提高红外探测器的光电转换效率，并进而提高红外焦平面探测器对目标红外辐射的响应率和探测率。而且，垂直照射在每个光敏感像元上的红外辐射都会聚到光敏元有源区的中心区域，从而有利于增加高密度像元光电转换有效载流子收集区之间的间距，并进而减小红外光敏感元列阵芯片每个光敏元之间的空间与电学串音。因此，微凸镜列阵型红外焦平面探测器既可以提高高密度像元探测芯片的响应率，又可以抑制小像元之间的电学、光学串音。

但是，在光电探测器原位集成会聚微镜列阵后，微凸镜列阵型红外焦平面探测器的光场耦合界面，由原先受光电探测器内部高折射率的间接耦合的衍射极限变成了微凸镜列阵与前视光场(大气、真空)间直接耦合的衍射极限。例如，红外探测器内部折射率为n时，相应的红外探测器受衍射极限限制的像元尺寸是光学衍射艾里斑半径r_Airy的1/n。然而，在原位集成了微凸镜列阵后，红外探测器受衍射极限限制的像元尺寸直接就变成了光学衍射艾里斑半径r_Airy。所以，当红外探测器的像元尺寸接近、或小于光学衍射艾里斑半径r_Airy时，原位集成微凸镜列阵型红外焦平面探测器的分辨率就会严重地受到衍射极限的限制。

发明内容

基于上述原位集成微凸镜列阵型红外焦平面探测器存在的问题，本发明的目的是提供一种既能提高高密度像元探测芯片的响应率和抑制小像元之间的电学、光学串音，又能缓解高密度像元的探测分辨率受衍射极限的严重限制的新构形红外探测器。

为实现上述目的，本发明采用在前视光场方向上原位集成红外镜面窗口的浸没式微凸镜列阵的红外焦平面探测器的结构方案。

本发明的浸没式微凸镜列阵的红外焦平面探测器包括：传统红外焦平面、微凸镜列阵和红外镜面窗口。其中，红外焦平面探测器由红外光敏元列阵芯片通过混成互连铟柱与读出电路电连接构成。红外光敏元列阵芯片由衬底，衬底上置有响应红外目标辐射的光敏元列阵构成。所说的微凸镜列阵是在红外光敏元列阵芯片的衬底背面直接通过微机械加工原位集成的，微凸镜列阵中的各个微凸镜在空间上，分别一一垂直对应于光敏元列阵中的各个光敏元，且每一个微凸镜的光轴与其对应的光敏元的光敏面中心法线重合。入射红外目标辐射经微凸镜汇聚于光敏元列阵芯片像元有源区的中心区域。位于红外焦平面探测器前视光场的红外镜面窗口，由红外透明材料通过微机械加工制作而成。红外镜面窗口需要将红外焦平面探测器背面衬底的微凸镜列阵完全浸没。

虽然，本发明中的浸没式微凸镜列阵的红外焦平面探测器应满足红外镜面窗口的折射率小于原位集成微凸镜列阵(等同于红外探测器衬底)的折射率，即满足n_{红外镜面窗口}＜n_{微凸镜列阵}。但是，折射率合适的低温环氧胶、二氧化硅和硫化锌等多种红外透明材料，都可以方便地制作成浸没式微凸镜列阵的红外焦平面探测器的红外镜面窗口。

本发明提出的的浸没式微凸镜列阵的红外焦平面探测器，不仅具有微凸镜列阵型红外焦平面探测器能抑制高密度像元之间的电学、光学串音，以及提高探测的响应率的优点。而且，在红外焦平面探测器原位集成了红外镜面窗口后，它还能缓解红外焦平面探测器探测性能受衍射极限的严重限制。这与原位集成的红外镜面窗口将微凸镜列阵完全浸没有关。由于原位集成的红外镜面窗口将原本受微凸镜列阵与前视光场直接耦合的衍射极限，变成在原位集成的红外镜面窗口的介质内进行间接耦合，从而能进一步减小受衍射极限限制的微凸镜列阵型红外焦平面光敏元尺寸。

例如，当红外镜面窗口的折射率为n_{红外镜面窗口}时，红外探测器受衍射极限限制的像元尺寸，可缩小为没有集成红外镜面窗口的红外探测器像元几何尺寸的1/n_{红外镜面窗口}。这在红外探测器光敏元(微凸镜)横向几何尺寸接近、或小于艾里斑半径r_Airy时，对缓解红外焦平面探测分辨率等性能受衍射极限的严重限制而言显得尤为重要。

本发明的优点是：由于红外镜面窗口的折射率小于微凸镜列阵的折射率，浸没式微凸镜列阵的红外焦平面探测器，不仅具有微凸镜列阵型探测器能抑制串音和提高响应率的优点，而且还能减小受衍射极限限制的光敏元尺寸。同时，折射率合适的低温环氧胶、二氧化硅和硫化锌等多种材料，都能方便地制作浸没式微凸镜列阵的红外焦平面探测器的红外镜面窗口。

附图说明

图1是原位集成浸没式微凸镜列阵的红外焦平面探测器的剖面结构示意图和工作原理图。

具体实施方式

下面以截止波长为10μm、浸没式微凸镜列阵的碲镉汞(Hg_1-xCd_xTe)光伏红外焦平面探测器为实施例，结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：

见图1，浸没式微凸镜列阵的碲镉汞红外焦平面探测器包括：碲镉汞光敏元列阵芯片1、读出电路2、混成互连铟柱3、微凸镜列阵4和红外镜面窗口5。碲镉汞红外光敏元列阵芯片1由砷化镓衬底101，在砷化镓衬底101置有响应红外目标辐射的光敏元列阵，每一光敏元由p型层碲镉汞102和硼离子注入成结的n型区103构成。微凸镜列阵4是在红外光敏元列阵芯片1的砷化镓衬底101背面通过微机械加工形成的。位于红外焦平面探测器前视光场的红外镜面窗口5为低温环氧胶通过微机械加工制作而成。红外镜面窗口5需要将红外焦平面探测器背面衬底的微凸镜列阵4完全浸没。

在本实施例中，用于制作红外镜面窗口5的低温环氧胶折射率为1.5，小于由砷化镓衬底101制作的微凸镜列阵4的折射率为3.4。因而，满足浸没式微凸镜列阵的红外焦平面探测器n_{红外镜面窗口}＜n_{微凸镜列阵}的要求。

红外焦平面探测系统的光学衍射艾里斑半径r_Airy满足下列公式：

其中λ是探测波长，

是光学系统光圈F数。取λ＝10μm和

可计算得到r_Airy＝40μm。为确保红外焦平面探测器的探测分辨率，微凸镜列阵型红外探测器的像元尺寸必须大于40μm。但是，采用低温环氧胶作为红外镜面窗口的浸没式微凸镜列阵的红外探测器，红外探测器的像元尺寸可以缩小到r_Airy/n_{红外镜面窗口}。n_{红外镜面窗口}以低温环氧胶的折射率为1.5计算，红外探测器最小像元可以缩小为25μm。这可以缓解红外焦平面探测分辨率等性能受衍射极限的严重限制。

为此，本发明提出的浸没式微凸镜列阵的碲镉汞红外焦平面探测器是结构合理的和可制作的。

Claims (2)

1.一种原位集成浸没式微凸镜列阵的红外焦平面探测器，它包括红外焦平面、微凸镜列阵和红外镜面窗口，其特征在于：在红外焦平面探测器的红外光敏元列阵芯片的砷化镓衬底(101)背面直接通过微机械加工原位集成有微凸镜列阵(4)，所述的微凸镜列阵(4)中的各个微凸镜在空间上，分别一一垂直对应于光敏元列阵中的各个光敏元，且每一个微凸镜的光轴与其对应的光敏元的光敏面中心法线重合；由红外透明材料通过微机械加工制作而成的红外镜面窗口(5)位于红外焦平面探测器前视光场，所述的红外镜面窗口(5)将红外焦平面探测器背面砷化镓衬底(101)上的微凸镜列阵完全浸没，其材料的折射率应满足：

n_{红外镜面窗口}＜n_{微凸镜列阵}；

入射的红外目标辐射通过红外镜面窗口经微凸镜汇聚于光敏元列阵芯片像元有源区的中心区域。

2.根据权利要求1所述的一种原位集成浸没式微凸镜列阵的红外焦平面探测器，其特征在于：对于由砷化镓衬底制成的微透镜而言，所述的红外镜面窗口(5)的材料采用低温环氧胶、二氧化硅或硫化锌。

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