CN103617999A - 基于硅上液晶的短波长红外成像器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于硅上液晶的短波长红外成像器件，从下至上依次包括：单晶硅片，短波长红外探测器阵列、硅上液晶，所述单晶硅片兼做短波长红外探测器阵列和硅上液晶两者的衬底。本发明的短波长红外成像器件利用LCoS原理，将光电探测器和显示器集成于同一硅片上，有利于短波长红外成像器的小型化、且与现有短波长红外成像器比较，采用液晶显示，功耗低，分辨率高；可充分利用发展已很成熟的硅集成工艺，制备工艺简单、进一步降低制作成本低。
Description
技术领域
本发明涉及红外成像技术领域，涉及一种基于硅上液晶的短波长红外成像器件。
背景技术
由于很多物质在短波长红外波段（波长范围在1-2微米）具有独特的光谱特性,因此短波长红外探测器在众多领域受到了广泛了应用,如空间探测、军事、刑侦、显微成像、医学检测、太阳能电池面板检测等。短波长红外成像器件主要包括短波长红外探测模块和图像显示模块。
目前对于可见-近红外光信号探测及成像的主要器件为基于半导体硅及InGaAs体系的互补金属氧化物半导体（Complementary Metal OxideSemiconductor，CMOS）元件与电荷耦合元件（Charge-coupled Device，CCD），现有的短波长红外成像器件一般采用阴极射线管（Cathode Ray Tube，CRT）显示技术进行图像显示，利用红外探测器的光敏元件将光信号转化为电信号，然后经过电信号放大转换成标准电视信号由监控器进行观察。该显示技术比较成熟，但是由于未与探测单元充分集成在一起，因此在小型化、集成化以及可靠性方面有待进一步提高。
基于硅基材料的CMOS元件具有工艺简单，外围电路简单，功耗低、易于集成，成本较低等优点。但由于硅基材料带隙较宽（Eg=1.1eV），对波长大于1.1微米的红外光吸收较弱，因此无法探测波长大于1.1微米的短波长红外光。
基于InGaAs体系的CCD，探测灵敏度高、分辨率高、且噪点少等优点。如目前商用化的微光夜视仪已经发展了三代，其中第三代微光夜视仪为III-V族（Ga-As）负电子亲和势光电阴极像增强型微光夜视仪，具有重量轻，图像清晰，功能全等特点，但由于其功耗大、制备工艺复杂、成本高等，在一般商业应用中微光夜视仪主要探测夜空辉光照射下的景物，其成像波长大部分位于短波长红外区域，是一种具有代表性的短波长红外成像器件。如目前已经商业化的第三代微光夜视仪，以III-V族元素化合物（如InGaAs化合物、Ga-As化合物等）作为微光管的光电阴极发射材料，利用III-V族元素具有负电子亲和势，对采集到的图像信号具有增强作用，从而使第三代微光夜视仪具有重量轻，图像清晰等优点。但是基于InGaAs体系的CCD阵列器件，与外围基于CMOS工艺的读取电路不兼容，导致外围电路复杂，提高了制备成本；其次，As元素有剧毒，对人体有害。
发明内容：
针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于硅上液晶的短波长红外成像器件。
一种基于硅上液晶的短波长红外成像器件，从下至上依次包括：单晶硅片，短波长红外探测器阵列、硅上液晶，所述单晶硅片兼做短波长红外探测器阵列和硅上液晶两者的衬底。
硅上液晶（Liguid Crystal on Sillicon，LCoS）是指直接将液晶做到硅片上，LCoS具有尺寸很小、可充分利用发展已很成熟的硅集成工艺、功耗低，分辨率高等优点。LCoS显示技术利用电寻址或光寻址等方式能够方便地实现大面积、高对比度、可靠的图像显示。
本发明的短波长红外成像器件利用LCoS原理，直接将硅上液晶（显示器）做到短波长红外探测器阵列（光电探测器）的上方，利用短波长红外探测器阵列获得的光电流信号驱动硅上液晶中液晶分子的取向，在短波长红外成像器件另一侧可见光的作用下，进行图像显示。将光电探测器和显示器集成于同一硅片上，有利于短波长红外成像器的小型化、且与现有短波长红外成像器比较，采用液晶显示，功耗低，分辨率高；可充分利用发展已很成熟的硅集成工艺，制备工艺简单、进一步降低制作成本低。
所述的短波长红外探测器阵列为基于硅基锗的光电探测器阵列。
锗与硅一样是IV族半导体材料，相对于硅具有更窄的带隙(间接带隙Eg=0.66eV，直接带隙Eg=0.8eV),使得锗在1-1.5微米波长范围内有更大的吸收系数，同时锗具有比硅更高的电子与空穴迁移率。再加上锗与硅在成分与晶格匹配方面的兼容，这些因素使得在短波长红外领域，基于硅基锗的光电探测器的各项性能指标已经能够达到甚至超过InGaAs体系的光电探测器。且与基于InGaAs体系的CCD阵列器件比较，与CMOS工艺兼容性好，降低了制备成本，不含剧毒元素As。采用分子束外延(MBE)的方法或金属有机化合物化学气相沉积（Chemical vapor deposition，MOCVD）的方法在硅衬底上生长锗外延薄膜和金属层，然后通过硅上锗薄膜及金属层进行图形化刻蚀，利用该锗外延薄膜和金属电极构筑适用于短波长红外光的光电探测器阵列。
所述的光电探测器为p-i-n光电探测器或金属-半导体-金属光电探测器。
金属-半导体-金属（metal-semiconductor-metal，MSM）光电探测器由两只金属-半导体接触二极管背靠背串联形成，通过MSM的肖特基接触在半导体表面附近形成势垒，利用势垒中的电场将光生电子-空穴对分离，在外电路形成光电流。而p-i-n光电探测器通过半导体材料中存在的p-i-n结形成电势差，在本征层中产生电场，将光生电子-空穴对分离，从而在外电路形成光电流。p-i-n光电探测器具有较低的暗电流密度与较高的量子效率，探测灵敏度高，但是其响应速度受限；MSM结构探测器制备工艺相对简单，同时也更利于单片集成，其单位面积电容较低器件响应速度高，但是暗电流密度过大，导致探测灵敏度下降。MSM型器件的暗电流密度要比PIN型器件大至少一到两个数量级，故实际利用中需要采取其他手段抑制器暗电流。一般根据实际应用需要选择光电探测器的种类。
当所述的光电探测器为金属-半导体-金属光电探测器时，所述短波长红外探测器阵列与硅上液晶之间设有二氧化硅薄膜层。
二氧化硅薄膜层既能够充当光电探测器的减反射层，提高光电探测器的对光的吸收效率，又能作为上层液晶层的阻隔层材料，避免液晶材料直接与光电探测器接触，影响光电探测器的光电响应，也同样可以避免液晶材料受到导体金属的影响，从而恶化液晶性能。
所述的二氧化硅薄膜层厚度在200～1000nm之间。
作为优选，所述的二氧化硅薄膜层厚度为500nm。
二氧化硅薄膜层厚度直接影响到红外光电探测器的灵敏度，一般二氧化硅层厚度越大，灵敏度越好。但是由于受到制备工艺的限制，最大厚度一般在1000nm左右。当厚度为500nm时，工艺上容易实现，且能保证红外光电探测器的灵敏度。
所述的硅上液晶为45°排列的向列型液晶。
透射式的液晶器件一般选用90°排列的液晶分子，从而使光从一侧入射在出射时其偏振方向旋转90°，而硅上液晶是反射式器件，光从一侧入射，经反射仍然从该侧出射，光程变成两倍，因而需选用45°排列的液晶结构才能保证出射时偏振方向同样旋转90°。
本发明的基于硅上液晶的短波长红外成像器件的制备流程如下：
在单晶硅片上生长外延锗薄膜，该薄膜的厚度大于1微米，线位错密度小于108cm-2，表面粗糙度小于2nm；
在锗薄膜上沉积的一定厚度（约200nm左右）的金属薄膜作为金属电极层；
利用光刻工艺及蚀刻工艺对锗薄膜及金属薄膜进行图形化刻蚀，获得基于硅基锗的短波长红外探测器阵列；
形成下液晶定向层，根据短波长红外探测器阵列的种类不同，制备方法也不同，具体如下：
（a）当短波长红外探测器阵列为MSM光电探测器时，在短波长红外探测器阵列上沉积二氧化硅薄膜；
在所述二氧化硅薄膜之上生成下液晶定向层，并对下液晶定向层的上表面进行机械摩擦，使得下液晶定向层的上表面产生均匀的沟道结构；
（b）当短波长红外探测器阵列为MSM光电探测器时，在所述的短波长红外探测器阵列上生成下液晶定向层，并对下液晶定向层的上表面进行机械摩擦，使得下液晶定向层的上表面产生均匀的沟道结构；
在光学玻璃的下表面依次生成透明导电氧化物薄膜和上液晶定向层，并对上液晶定向层的下表面进行机械摩擦，使得其下表面产生均匀的沟道结构，使上液晶定向层薄膜的沟道结构与下液晶定向层薄膜的沟道结构成45°的排列关系；
光学玻璃与短波长红外探测器组合形成短波长红外成像器件，具体步骤如下：
将光学玻璃放置于短波长红外探测器阵列色上方，并使下液晶定向层和上液晶定向层之间留有一定的空气间隔，通过该空气间隔向下液晶定向层和上液晶定向层的沟道灌入液晶，形成45°排列的向列型液晶。
本发明提供的基于硅上液晶的短波长红外成像器件使光电探测器和显示器集成于同一硅片上，有利于短波长红外成像器的小型化、且功耗低，分辨率高，且充分利用了发展已很成熟的硅集成工艺，制备工艺简单、进一步降低制作成本低。
附图说明：
图1为实施例1中的短波长红外成像器件结构示意图；
图2为实施例1中的短波长红外成像器件中各部分的等效电路图；
图3为实施例1中MSM光电探测器的叉指电极形状；
图4为实施例2中短波长红外成像器件结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，但本发明并不仅限于此。
实施例1
如图1所示，本实施例的短波长红外成像器件从下至上依次包括：单晶硅片1，基于硅基锗的MSM光电探测器阵列2、硅上液晶3，单晶硅片1兼做MSM光电探测器阵列2和硅上液晶3的衬底。单晶硅片1为P型（100）硅，电阻率为1000Ωcm。
MSM光电探测器阵列2包括锗薄膜21，由钛薄膜与金薄膜组成的金属薄膜22，厚度为500nm的二氧化硅薄膜23，以及位于二氧化硅薄膜23上的铝（Al）薄膜24。锗薄膜21从下自上依次包括低温锗薄膜和高温锗薄膜。
硅上液晶3从下至上依次包括：下液晶定向层31，液晶（Liguid Crystal，LC）32、上液晶定向层33、透明导电薄膜34和光学玻璃35，上液晶定向层33和透明导电薄膜34生长在光学玻璃35的下表面，且上液晶定向层33位于透明导电薄膜34的下方。本实施例中液晶32为液晶为45°排列的向列型液晶，下液晶定向层31和上液晶定向层33均为聚酰亚胺薄膜。
将金属薄膜22刻蚀为位于锗薄膜21上的叉指电极阵列22a，二氧化硅薄膜23包覆在叉指电极阵列22a上，作为阻隔层将各个叉指电极隔开，铝薄膜24用于形成铝电极阵列24a，且形成的铝电极阵列24a贯穿阻隔层与叉指电极阵列22a对应连接。硅上液晶3的下液晶定向层31生长在铝电极阵列24a上，铝电极阵列24a充当硅上液晶3读出光的反射层。铝电极阵列24a充当硅上液晶3读出光的反射层。
本实施例的短波长红外成像器件通过以下方法制备得到，具体包括以下步骤：
（1）以电阻率为1000Ωcm的p型（100）单晶硅片作为衬底材料，经过RCA清洗后获得清洁表面，且该清洁表面有薄氧化层覆盖；该氧化层为致密的SiO2；
RCA清洗步骤：用丙酮溶液超声清洗10分钟，再用去离子水冲洗；氨水双氧水溶液（以体积比计，NH4OH：H2O2：H2O=1：1：5）煮沸10分钟，去离子水反复冲洗；HF（质量百分比为4%）溶液浸泡1分钟，去离子水冲洗；盐酸双氧水溶液（以体积比计，HCl：H2O2：H2O=1：1：5）煮沸10分钟，去离子水反复冲洗；反复HF溶液浸泡和盐酸双氧水溶液煮沸步骤两轮到三轮，再用去离子水密封保存，氮气吹干使用。
（2）将经过步骤（1）处理完成的硅衬底放入分子束外延（MBE）设备中，以1000℃温度烘烤硅衬底表面，以除去表面的氧化层。采用固相束源炉以2.5纳米/分的速率在300℃硅衬底上生长30纳米厚的低温锗薄膜，然后再以6.5纳米/分的速率在650℃的单晶硅片上生长1000纳米厚的高温锗薄膜。
（3）在经过步骤（2）得到的锗薄膜（即硅上锗薄膜，Ge-on-Silicon）上通过直流溅射的方法依次沉积15纳米的钛薄膜与35纳米的金属金薄膜组合作为金属薄膜。使用光刻结合干法蚀刻的方法将金属薄膜刻蚀出叉指电极，形成叉指电极阵列，如图3所示。
（4）在经过步骤（3）处理得到的叉指电极阵列表面采用等离子体辅助化学气相沉积（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD）的方法沉积一层厚度达500纳米的二氧化硅(SiO2)薄膜，充当阻隔层将各个叉指电极隔开，使用光刻、利用套刻技术在阻隔层上形成与底层电极（金属电极层中的各个电极，即叉指电极阵列中的各个叉指电极）位置对应的圆孔。
（5）在经过步骤（4）处理完成的二氧化硅薄膜阻隔层上沉积一层铝薄膜，通过套刻技术将底层电极引出至阻隔层之外，避免各MSM像素之间的电学相连，上层的铝电极阵列同时充当读出光的反射层。
（6）在经过步骤（5）处理完成的铝电极阵列表面采用旋涂(spin-coating)技术制备1-2微米厚的聚酰亚胺薄膜作为下液晶定向层。聚酰亚胺溶液溶解于2-甲基乙酰胺溶剂中，体积百分比为5-10%。所生成的聚酰亚胺薄膜在150℃温度下加热2小时，以固化薄膜。
（7）在经过步骤（6）处理完成的聚酰亚胺薄膜表面进行机械摩擦，使得薄膜表面产生均匀的沟道结构。机械摩擦可以采用绒布单方向摩擦聚酰亚胺表面的方法获得。
（8）在一块镀制了透明导电氧化物薄膜的光学玻璃表面采用步骤（6）的方法制备1-2微米厚的聚酰亚胺薄膜，作为上液晶定向层，并采用步骤（7）的方法对聚酰亚胺（Polyimide，PI）薄膜进行机械摩擦，本实施例中的透明导电氧化物薄膜为ITO薄膜。
（9）将经过步骤（8）制备的光学玻璃与经步骤（1）至步骤（7）制备的硅衬底上的MSM探测器阵列组合形成基于硅上液晶的短波长红外成像器件，组合时使光学玻璃上的上液晶定向层的沟道结构与硅上的下液晶定向层的沟道结构成45°的排列关系，且使上液晶定向层与下液晶定向层与之间有10微米厚的空气间隔，通过该间隔中向沟道灌入液晶，形成向列型液晶。
（10）分别从步骤（3）所制备的叉指电极处及透明导电氧化物薄膜引出整个红外成像器件的正极与负极。
本实施例的短波长红外成像器件中各部分的等效电路图如图2所示。短波长红外成像器件工作时，在短波长红外成像器件的正极和负极间一定电压，该电压同时提供MSM光电探测器阵列2的偏压和硅上液晶3的工作电压。通过优化设计整个短波长红外成像器件的结构，使得电极间的偏压能够合理地分配在MSM光电探测器阵列2的偏压和硅上液晶3两端。每个MSM像素均与液晶像素串联，因而能够导致该液晶像素两极间的off态电压值变大，被红外线照射时，产生一定大小的光电流，从而改变液晶分子的取向，在读出光的作用下，即可完成图像显示。MSM像素为一个叉指电极两个电极所对应的部分，在此部分的材料对于红外辐射有相同的光电响应。液晶像素即为在一定电压下，液晶分子共同运动的部分，即液晶中一对上下电极中间的部分，液晶像素的大小与对应的两侧电极尺寸有关。
实施例2
如图4所示，本实施例的短波长红外成像器件包括单晶硅片1，硅基锗的p-i-n光电探测器阵列2a、硅上液晶3，硅上液晶3，硅上液晶3以单晶硅片1为衬底。单晶硅片1为P型（100）硅，电阻率为1000Ωcm。
单晶硅片1的下表面生长有透明导电氧化物薄膜11。
基于硅基锗的p-i-n光电探测器阵列2a包括锗薄膜21，由钛薄膜与金薄膜组成的金属薄膜22，锗金属层21从下至上依次包括低温锗薄膜和高温锗薄膜，高温锗薄膜从下至上依次包括P型锗薄膜、本征锗薄膜和n型锗薄膜。
硅上液晶3的组成与实施例1相同。
金属薄膜22刻蚀得到金属电极阵列22b作为p-i-n光电探测器阵列的电极，金属电极阵列22b充当硅上液晶3读出光的反射层。
本实施例的短波长红外成像器件通过以下方法制备得到，具体包括以下步骤：
（1）选用电阻率为1000Ωcm的p型（100）双面抛光的单晶硅片作为衬底材料，进行衬底清洗，清洗步骤与实施例1的步骤（1）相同；
（2）将经过步骤（1）处理后的单晶硅片放入分子束外延（MBE）设备中，以1000℃温度烘烤硅衬底表面，以除去表面的氧化层；
（3）采用固相束源炉以2.5纳米/分的速率在300℃单晶硅片的上表面生长30纳米厚的低温锗薄膜，生长过程中单晶硅片的温度保持为300℃，然后再以6.5纳米/分的速率在低温锗薄膜上生长1000纳米厚的高温p型锗薄膜，生长过程中单晶硅片的温度保持为650℃。p型掺杂可以通过锗生长过程中硼离子的蒸发获得，也可以通过离子注入的方法得到；
（4）采用分子束外延的方法以6.5纳米/分的速率在高温p型锗薄膜上以6.5纳米/分的速率生长1000纳米厚的本征锗薄膜，生长过程中单晶硅片的温度保持为650℃；
（5）采用分子束外延的方法以6.5纳米/分的速率在本征锗薄膜上以6.5纳米/分的速率生长1000纳米厚的n型锗薄膜，生长过程中单晶硅片的温度保持为650℃，n型掺杂可以通过锗生长过程中锑离子的蒸发获得，也可以通过离子注入的方法得到；
（6）在经过步骤（5）处理完成的硅片的下表面镀上一层500纳米厚的透明导电氧化物薄膜，该薄膜可以是氧化铟锡（Indium Tin Oxides，ITO），也可以是含铝氧化锌，薄膜可以采用射频磁控溅射制备；
（7）在经过步骤（6）处理完成的硅上锗(Ge-on-Silicon)薄膜上通过直流溅射的方法依次沉积15纳米厚的钛薄膜与35纳米厚的金薄膜组合作为金属薄膜；
（8）在经过步骤（7）处理完成的金属薄膜表面通过光刻与刻蚀技术获得128×128二维金属圆点阵列作为金属电极阵列，金属圆点直径达100微米，相邻圆点之间的间距为200微米，与金属电极阵列与单晶硅硅片上的锗薄膜构成基于硅上锗的p-i-n光电探测器阵列；
（9）同实施例1步骤（6），旋涂聚酰亚胺薄膜，作为下液晶定向层；
（10）同实施例1步骤（7），机械摩擦聚酰亚胺薄膜，形成均匀的沟道结构；
（11）同实施例1中步骤（8），在光学玻璃上生长透明导电氧化物薄膜与聚酰亚胺薄膜，聚酰亚胺薄膜作为上液晶定向层，并对聚酰亚胺薄膜的表面进行机械摩擦，形成均匀的沟道结构；
（12）同实施例1步骤（9），制作硅上液晶盒，并注入液晶，形成45°的排列的向列型液晶，得到短波长红外成像器件；
（13）分别从单晶硅片1下表面的透明导电氧化物薄膜及生长于光学玻璃下表面的透明导电薄膜引出整个短波长红外成像器件的正极与负极。
本实施例的短波长红外成像器件的工作原理如下：
短波长红外成像器件工作时，在短波长红外成像器件的正极和负极间一定电压，该电压同时提供p-i-n光电探测器阵列2a的偏压和硅上液晶3的工作电压。通过优化设计整个短波长红外成像器件的结构，使得电极间的偏压能够合理地分配在p-i-n光电探测器阵列2a的偏压和硅上液晶3两端。每个p-i-n像素均与液晶像素串联，因而当p-i-n像素被红外线照射时，产生一定大小的光电流，从而改变相应液晶像素中液晶分子的取向，在读出光的作用下，即可完成图像显示。p-i-n像素为p-i-n光电探测器阵列中一对金属电极所对应的部分，该部分的材料在红外辐射下有相同的光电响应。
Claims (8)
1.一种基于硅上液晶的短波长红外成像器件，其特征在于，从下至上依次包括：单晶硅片，短波长红外探测器阵列、硅上液晶，
所述单晶硅片兼做短波长红外探测器阵列和硅上液晶两者的衬底。
2.如权利要求1所述的基于硅上液晶的短波长红外成像器件，其特征在于，所述的短波长红外探测器阵列为基于硅上锗的光电探测器阵列。
3.如权利要求2所述的基于硅上液晶的短波长红外成像器件，其特征在于，所述的光电探测器为p-i-n光电探测器。
4.如权利要求2所述的基于硅上液晶的短波长红外成像器件，其特征在于，所述的光电探测器为金属-半导体-金属光电探测器。
5.如权利要求4所述的基于硅上液晶的短波长红外成像器件，其特征在于，所述短波长红外探测器阵列与硅上液晶之间设有二氧化硅薄膜层。
6.如权利要求5所述的基于硅上液晶的短波长红外成像器件，其特征在于，所述的二氧化硅薄膜层厚度为200～1000nm。
7.如权利要求6所述的基于硅上液晶的短波长红外成像器件，其特征在于，所述的二氧化硅薄膜层厚度为500nm。
8.如权利要求3或7所述的基于硅上液晶的短波长红外成像器件，其特征在于，所述的硅上液晶为45°排列的向列型液晶。
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