CN102201487B - 一种优化被照式红外探测器微透镜列阵聚光能力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种优化锑化铟红外焦平面探测器背向集成微透镜列阵聚光能力的方法，该方法是通过器件模拟和理论计算发现将光聚焦在距离锑化铟与硅界面处2.75倍的吸收长度位置上可以很好地改善器件性能，并且根据所得结果将微透镜直接刻蚀在锑化铟红外焦平面探测器的背面衬底上，进而为优化锑化铟红外焦平面探测器背向集成微透镜列阵的聚光能力提供了依据。本发明对于改善器件性能和优化器件设计都有着十分重要的意义。

Description

一种优化被照式红外探测器微透镜列阵聚光能力的方法

技术领域

本发明涉及红外焦平面探测器，具体是指一种优化锑化铟红外焦平面探测器背向集成微透镜列阵聚光能力的方法。

背景技术

低熔点化合物锑化铟单晶是制造中波红外探测器的优良材料之一，这种材料能够吸收易于透过大气的3～5μm波红外波段，由于是本征吸收，量子效率高，因此广泛应用于中波红外探测器的研制。我国从很早就开始了对锑化铟材料的研制，随着生长工艺的成熟，可以制作出低杂质浓度、高载流子迁移率、电学性质高的优质大单晶。随着航天和军事领域的飞速发展，对中波红外探测器件的性能要求也是越来越高，仅仅生长高品质的材料是无法满足现有需求的，优化设计器件结构提高器件性能才是探测器发展的重中之重。20世纪90年代锑化铟红外焦平面阵列器件发展成熟，在凝视军用系统中占据主导地位。

锑化铟焦平面列阵器件大多以n型锑化铟为基体材料，通过离子注入形成p+-on-n型二极管列阵，和CMOS读出电路通过铟柱互连混成，再经芯片背减薄和减反射膜淀积达到量子效率的优化。

高灵敏度和高分辨率成像的红外焦平面列阵器件通常要求响应率和探测率高、噪声低和像元尺寸小。由于材料制备和工艺制作上的困难，这些要求一般很难同时实现。因此，设计微透镜列阵与红外焦平面列阵集成，利用微透镜的光学聚光原理，把有效光敏区之外的红外辐射聚焦到探测器光敏面上，在提高红外焦平面列阵填充因子的同时，能够减小像元尺寸和增大分辨率，改善信噪比，从而达到提高焦平面列阵性能的目的。尽管到目前为止国内外对微透镜列阵已有大量报道，但基本上都是讨论微透镜的制作工艺、微透镜的种类例如折射型透镜、衍射型透镜、混合型透镜，对如何优化微透镜的聚光能力却很少研究。

因此，本发明从折射型微透镜列阵的光聚焦着手研究，考察聚焦位置对光响应和串音的影响，得出的结果将会对新型器件的研制具有一定的指导意义。

发明内容

本发明提供了一种优化锑化铟红外焦平面探测器背向集成微透镜列阵聚光能力的方法，该方法通过数值模拟得到探测器响应率和串音随微透镜曲率半径变化的规律，通过与计算数据对比得到了最佳的光聚焦位置，进而根据优化后的结构设计制作了锑化铟红外焦平面探测器背向集成微透镜列阵。所说的微透镜列阵是在红外焦平面列阵芯片的衬底背面直接通过微机械加工形成的，微透镜列阵中的各个微透镜在空间上，分别一一垂直对应于光敏元列阵中的各个光敏元，且每一个微透镜的光轴与其对应的光敏元的光敏面中心法线重合。其步骤如下：

1.首先根据锑化铟光伏探测器列阵构建二维器件的模拟模型，即p⁺-on-n型锑化铟红外焦平面探测器列阵结构，衬底材料为对入射光无吸收作用的硅材料，n区经外延法生长在硅衬底上，p⁺区为离子注入所形成，通过湿化学刻蚀的方法形成台面结构；

2.构建物理模型：半导体器件数值模拟的基本方程是泊松方程、电子与空穴的连续性方程、电子输运方程，光响应可由载流子产生率加入方程，表面复合也可加入方程，包括SRH复合、Auger复合和辐射复合，同时还要考虑到载流子的热效应、高场饱和效应，用有限元方法离散化联立迭代求解，势垒的隧穿效应为独立方程，与上述方程自洽求解；

3.模拟中将硅衬底直接设计成折射型微透镜结构，曲率半径为变量，外加入射光垂直照射到微透镜上，改变微透镜的曲率半径，由数值模拟得到响应率和串音随曲率半径变化的曲线；

4.根据折射定律，计算了入射光经微透镜聚焦在锑化铟n区，且距离锑化铟与硅界面处2.75倍的吸收长度位置上的光斑尺寸随曲率半径的变化，通过对比步骤3的结果发现响应率的最高点、串音的最低点和光斑尺寸的最小值均对应同一个曲率半径，说明将光聚焦到距离锑化铟/硅表面2.75倍的吸收长度位置上可以很好地改善器件性能；

5.根据模拟和计算的结构来制备微透镜，首先根据列阵的规模制备相应的光刻掩模版，并在掩模版上留下与列阵芯片上相同位置、相同图形的对准标记；

6.将集成有微透镜列阵和对准标记图形的光刻掩模版放置在光刻机上，通过光刻机的下视场显微镜获得光刻掩模版中的微透镜列阵图形和对准标记图形，并将该图形保存在光刻机的监视器上；

7.然后将衬底背面涂有光刻胶的列阵芯片正面朝下放置在光刻机的载物台上，通过下视场显微镜完成列阵芯片正面的对准标记图形和光刻掩模版对准标记图形的对准，再将光刻掩模版的微透镜列阵图形转移到列阵芯片衬底背面光刻胶层上进行曝光、显影和坚膜等光刻工序，最后通过等离子体组合刻蚀方法在列阵芯片衬底背面形成微透镜列阵。

本发明的优点是：首先通过数值模拟和理论计算得出了折射型微透镜光聚焦的最佳位置，进而根据计算所得到的透镜厚度和相应匹配的曲率半径来制作透镜结构。微透镜列阵直接刻蚀在列阵芯片衬底背面，具有很高的集成度和可靠性，使用非常方便；利用微透镜列阵对入射目标红外辐射的会聚功能，既能提高红外焦平面探测器的响应率，又能减小探测器相邻像元之间的光串音，从而为改善器件性能和优化器件设计提供有针对性的方案。

附图说明

图1为锑化铟红外焦平面探测器背向集成微透镜列阵的剖面结构示意图。

图2为微透镜列阵单个光敏元的光聚焦原理图。

图3为模拟的不同硅衬底微透镜厚度下锑化铟焦平面探测器响应率随曲率半径的变化曲线。

图4为模拟的不同硅衬底微透镜厚度下锑化铟焦平面探测器串音随曲率半径的变化曲线。

图5为计算的不同硅衬底微透镜厚度下聚焦到距离锑化铟与硅界面处2.75倍的吸收长度位置上(图中插图虚线所示)的光斑尺寸随曲率半径的变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明：

1.首先根据锑化铟红外焦平面探测器列阵构建二维模拟的器件模型，即p⁺-on-n型锑化铟红外焦平面探测器列阵结构：p区厚度0.8μm掺杂浓度为10¹⁷cm^-3，n区厚度12.2μm掺杂浓度为10¹⁵cm^-3，衬底材料为对入射光无吸收作用的硅材料厚度200μm，n型锑化铟材料是经外延法生长在硅衬底上，p⁺区为离子注入形成的，然后通过湿化学刻蚀的方法形成台面结构，并在整个器件外表面钝化一层SiO₂，同时p区和n区分别安装电极以测量输出电压信号，见图1；

2.构建物理模型：半导体器件数值模拟的基本方程是泊松方程、电子与空穴的连续性方程、电子输运方程，光响应可由载流子产生率加入方程，表面复合也可加入方程，包括SRH复合、Auger复合和辐射复合，同时还要考虑到载流子的热效应、高场饱和效应，用有限元方法离散化联立迭代求解，势垒的隧穿效应为独立方程，与上述方程自洽求解；

3.调节物理参数，模拟中将硅衬底直接设计成折射型微透镜结构，曲率半径为变量，模拟环境温度为77K，外加入射光垂直照射到微透镜上，光波长选用截止波长5.5μm，光功率恒为0.0001W/cm^-2，设定微透镜厚度分别为50μm和60μm，改变微透镜的曲率半径，由数值模拟最终得到两组不同微透镜厚度下响应率(图3)和串音(图4)随曲率半径变化的曲线；

4.根据折射定律，计算了入射光经微透镜聚焦在锑化铟n区，且距离锑化铟与硅界面处2.75倍的吸收长度位置上的光斑尺寸随曲率半径的变化，聚焦光路见图2，同样地设定微透镜厚度分别为50μm和60μm，改变微透镜的曲率半径，得到两组不同微透镜厚度下2.75倍的吸收长度位置上的光斑尺寸随曲率半径变化的曲线(图5)；

5.通过对比步骤3和步骤4的结果发现响应率的最高点、串音的最低点和光斑尺寸的最小值均对应同一个曲率半径，即微透镜厚度为50μm时极值均对应曲率半径40μm，微透镜厚度为60μm时极值均对应曲率半径48μm，说明将光聚焦到距离锑化铟与硅界面处2.75倍的吸收长度位置上可以很好地改善器件性能；

6.根据模拟和计算的结果选用微透镜厚度60μm、曲率半径48μm的结构，首先根据红外光敏元列阵的规模制备相应的光刻掩模版，并在掩模版上留下与焦平面列阵芯片上的相同位置、相同图形的对准标记；

7.将列阵芯片的衬底背减薄到60μm，采用旋转匀胶法在背减薄后的衬底背面均匀地涂敷厚度为4μm的光刻胶；

8.先将集成有微透镜列阵和对准标记图形的光刻掩模版固定在光刻机上，通过下视场显微镜获得光刻掩模版中的微透镜列阵和对准标记图形，并保存记忆在监视器上；

9.将衬底背面涂有光刻胶的列阵芯片正面朝下地放置在光刻机的载物台上，通过下视场显微镜将列阵芯片正面对准标记图形实时显示在监视器上，并不断地调整载物台的位置，完成列阵芯片正面的对准标记图形和光刻掩模版对准标记图形的对准，再进行紫外光曝光、显影和坚膜，将光刻掩模版的微透镜列阵图形转移到列阵芯片衬底背面的光刻胶层上；

10.采用等离子体刻蚀机，根据曲率半径48μm的要求，调整氩等离子体方向与列阵芯片衬底背面法线方向的夹角，调整样品旋转速度，刻蚀后去除掩膜层光刻胶，就在衬底背面形成集成微透镜列阵结构。

Claims (1)

1.一种优化具有硅衬底的锑化铟红外焦平面探测器背向集成微透镜列阵聚光能力的方法，其特征在于：集成微透镜列阵将入射光聚焦在与硅衬底相邻的锑化铟n区，且距离锑化铟与硅界面处2.75倍的吸收长度位置上，此时器件性能达到最佳。

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