CN102185018B - 用飞秒激光制备背入射硅基碲镉汞焦平面增透膜的方法 - Google Patents

用飞秒激光制备背入射硅基碲镉汞焦平面增透膜的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用飞秒激光制备背入射硅基碲镉汞焦平面增透膜的方法，它涉及光电探测器制造工艺技术。本发明采用飞秒激光超精细“冷”加工技术直接在硅衬底表面制备增透膜。通过选择合适的工作环境，调节飞秒激光平均功率、激光扫描速度等参数控制微结构的形貌，减小衬底表面对入射光的反射，实现在红外波段的增透目的。增透膜为衬底材料在飞秒激光作用下发生再构形成，与衬底具有很好的热匹配，可靠性高。增透膜制备所用的飞秒激光“冷”加工方法操作简单，具有加工精度高、热效应小的优点，特别适用于碲镉汞器件的加工工艺。

Description

用飞秒激光制备背入射硅基碲镉汞焦平面增透膜的方法
技术领域
本发明涉及光电探测器件增透膜制作方法，具体涉及一种用飞秒激光制备背入射硅基碲镉汞红外焦平面增透膜的方法。
背景技术
碲镉汞材料是一种理想的红外探测器材料，具有禁带宽度可调、内量子效率高、电子、空穴迁移率高等优点。随着红外成像探测技术在军事、航天航空、医学等领域的广泛应用，第三代红外探测系统的发展对碲镉汞红外焦平面探测器提出了新的挑战。为了满足红外探测系统更远的探测距离、更高的空间分辨率，焦平面探测器的象素规模需进一步扩大。随着红外成像探测技术在各类平台上的广泛应用，探测器的成本需要进一步降低。具有大面积、低成本、与Si读出电路热匹配等优点的硅基碲镉汞红外焦平面探测器成为当今大面阵红外焦平面探测器发展的主流。
量子效率是衡量探测器的一项重要指标。HgCdTe材料作为窄禁带直接带隙半导体，具有较大的光学吸收系数和光电转换效率，制成的10μm～15μm厚的薄膜探测器的内量子效率可达到100％，因此由衬底表面对入射光的反射造成的能量损失就成为制约HgCdTe探测器整体量子效率的重要因素。对于背入射硅基碲镉汞红外探测器而言，硅衬底具有较高的折射率(n≈3.4)，在空气与衬底交界面的反射率高达30％，极大降低了探测器的外量子效率，因此提高硅基碲镉汞红外焦平面衬底表面对入射光的透射率成为提高器件量子效率的当务之急。增透膜是一种常见的用于提高材料表面透射率方法，往往采用单层ZnS或SiO2作为硅基碲镉汞探测器的增透膜。随着红外探测技术应用领域的扩展，对红外探测器可靠性的要求越来越高，特别是在抗温度冲击、抗辐射方面。但ZnS或SiO2增透膜会由于与衬底的热失配而存在应力，当薄膜黏附度不够时会存在脱落的隐患，降低器件的可靠性，因此需要设计合适的增透膜并探索其生长工艺，在减小衬底表面反射，提高器件量子效率的同时还能保证器件的可靠性。
TelAztec公司一直致力于新型增透膜的研究、开发工作。在SPIE会议上曾发表过多篇文章介绍一种寿命长、高性能、高损伤阈值的新型增透膜(第6545卷(2007)65450Y-1页，第6720卷(2007)67200L-1页，第6940卷(2008)69400Y-1页)。这种增透膜是利用材料表面的有序微结构来减小表面对入射光的反射，从而增加对入射光的透射。但该增透膜的制备需要通过光刻、干法离子刻蚀或薄膜复制技术完成，操作过程复杂，用于碲隔汞焦平面的增透膜仍然存在可靠性差的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服当前硅基碲镉汞红外焦平面增透膜的不足，即抗温度冲击和抗辐照性能较差、制备过程复杂。在保证硅基碲镉汞红外焦平面性能的基础上，提供一种增透效果好、可靠性高的新型红外增透膜的制备方法。
本发明是飞秒激光微加工技术的一种应用。飞秒激光脉冲具有脉冲时间短，峰值功率高的优点，能够瞬间将作用区的物质变成等离子体，等离子体又在由入射波和材料表面散射波的干涉作用形成的光场作用下形成准周期性微结构。本发明中的新型增透膜为空气或真空中，利用飞秒激光在硅基碲镉汞焦平面芯片的衬底表面制备出的准周期性微结构组成。由微结构组成的增透膜可等效成折射率连续均匀变化的薄膜，起到减小硅衬底对入射光的反射，提高透射的目的。发明的制备方法步骤如下：
(1)利用常规碲镉汞红外焦平面制备工艺制成背入射硅基碲镉汞红外焦平面，并将制备好的焦平面模块芯片衬底朝上放置于三维移动平台上。
(2)利用飞秒激光在硅基碲镉汞焦平面的芯片衬底上制备增透膜。利用钛宝石激光再生放大系统作为光源，输出波长为800nm、脉冲宽度40～60fs、重复频率250kHz的激光脉冲。激光脉冲经过孔径为Φ3mm的空间滤波器、衰减片衰减后，由分光镜调节光路，最后通过放大倍率为5的物镜垂直聚焦于硅基碲镉汞焦平面芯片的衬底表面。通过调节衰减片，得到平均功率为60mW～300mW的激光脉冲；当样品台的扫描移动速度为250um/s～1000um/s，扫描平移距离为1～2um时，在空气或真空环境中，垂直聚焦于硅基碲镉汞焦平面芯片衬底表面的脉冲激光在硅基碲镉汞红外焦平面芯片衬底表面制作出微结构增透膜。
本发明的优点在于：
1、本发明采用飞秒激光加工技术在硅基碲镉汞焦平面衬底表面制备出与衬底一体的增透膜，自体增透膜与硅衬底之间存在很好地热匹配，可有效解决ZnS或SiO2增透膜可靠性差的问题，在提高器件量子效率的同时，提高器件的可靠性。
2、飞秒激光超精细“冷”加工技术具有加工精度高、热效应小、损伤阈值低等优点。因此增透膜加工时不需要对焦平面的其它部分进行保护，直接在焦平面的衬底表面制备而成，极大简化了增透膜的制备步骤，同时制备过程不会对对温度敏感的HgCdTe探测器造成损伤。
附图说明
图1为背入射式硅基碲镉汞红外焦平面的剖面结构示意图。
图2为背面制备增透膜的硅基碲镉汞红外焦平面的剖面结构示意图。
图中：1——硅基碲镉汞焦平面芯片；
      2——铟柱；
      3——硅读出电路；
      4——宝石基板；
      5——增透膜。
图3为新型增透膜的制备实验装置图。
图4为背面部分区域制备增透膜后的焦平面照片。
图5为制备增透膜后，焦平面响应率测试结果。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：
(1)利用常规碲镉汞光伏探测器制备工艺制作硅基碲镉汞红外探测器芯片1，通过冷压焊技术将芯片与硅读出电路3通过铟柱2互联后贴于宝石基板4上，最后将制备好的焦平面模块(图1)芯片衬底朝上放置于三维移动平台上。
(2)利用飞秒激光在硅基碲镉汞焦平面的芯片衬底上制备增透膜，实验装置如图3所示。钛宝石激光再生放大系统作为光源，输出波长为800nm、脉冲宽度60fs、重复频率250kHz的激光脉冲，激光脉冲经过孔径为Φ3mm的空间滤波器、衰减片衰减后，由分光镜调节光路，最后通过放大倍率为5的物镜垂直聚焦于硅基碲镉汞焦平面芯片的衬底表面，通过调节衰减片，得到平均功率为300mW的激光脉冲；当样品台的移动速度为250um/s，扫描平移距离为2um时，在空气中，垂直聚焦于硅基碲镉汞焦平面芯片衬底表面的脉冲激光在硅基碲镉汞红外焦平面芯片衬底表面部分区域制作出微结构增透膜。背面制备增透膜的硅基碲镉汞红外焦平面如图2所示。
图4和图5分别为芯片衬底部分区域制备增透膜的硅基碲镉汞焦平面的照片和焦平面响应率的测试结果图。可以看出在有增透膜区域的像元响应率明显高于没有增透膜区域的值，平均提高了30％。这表明利用飞秒激光制备的应用于背入射硅基碲镉汞焦平面的增透膜确实能够起到提高衬底的透射率，进而提高器件量子效率的目的。

Claims (1)

1.一种用飞秒激光制备背入射硅基碲镉汞焦平面增透膜的方法，其特征在于包括以下步骤：
1)背入射硅基碲镉汞红外焦平面的制备：背入射硅基碲镉汞探测器芯片由常规碲镉汞光伏探测器工艺制备而成，利用冷压焊技术将芯片与读出电路互联后贴于宝石基板上，最后将制备好的焦平面模块芯片衬底朝上放置于三维移动平台上；
2)利用钛宝石激光再生放大系统作为光源，输出波长为800nm、脉冲宽度40～60fs、重复频率250kHz的激光脉冲，激光脉冲经过孔径为Φ3mm的空间滤波器、衰减片衰减后，由分光镜调节光路，最后通过放大倍率为5的物镜垂直聚焦于硅基碲镉汞焦平面芯片的衬底表面，通过调节衰减片，得到平均功率为60mW～300mW的激光脉冲；当样品台的移动速度为250um/s～1000um/s，扫描平移距离为1～2um时，在空气或真空环境中，垂直聚焦于硅基碲镉汞焦平面芯片衬底表面的脉冲激光在硅基碲镉汞红外焦平面芯片衬底表面制备出微结构增透膜。
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