CN104882455A - 集成微透镜阵列的背照式紫外焦平面探测器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成微透镜阵列的背照式紫外焦平面探测器及微透镜阵列的制备方法。背照式紫外焦平面探测器由以下几个部分组成：紫外光敏元阵列芯片、读出电路、混成互连铟柱、微透镜阵列。微透镜阵列在紫外光敏元阵列芯片的宝石片衬底上采用光刻胶光刻、高温成型、等离子体刻蚀等步骤加工形成。本发明的优点是：集成微透镜阵列之后，紫外光敏元的面积可以大幅度减少，从而使紫外光敏元具有高的零偏压动态电阻R₀和小的结电容，从而有利于减小读出电路的噪声以及提高紫外探测器的探测率。

Description

集成微透镜阵列的背照式紫外焦平面探测器及制备方法

技术领域

本发明涉及紫外光电探测器及微透镜，具体是指集成微透镜阵列的背照式紫外焦平面探测器及相应的微透镜阵列的制备方法。

背景技术

紫外探测器已经被广泛应用于导弹预警、溢油监测、电晕探测、指纹检测等军事、环境检测、工业生产等领域。紫外探测器可大致分为两类：光阴极探测器和半导体探测器。与光阴极探测器相比，半导体紫外探测不仅更紧凑，更坚固，具有更高的量子效率，驱动电压更低，而且还能在高温环境中获得更好的稳定性。典型的紫外固体探测器有Si紫外探测器、SiC紫外探测器以及III族氮化物紫外探测器。其中AlGaN基紫外探测器具有吸收系数大、截止波长锐利、响应速度快、异质结易实现、响应波段可调等优点。AlGaN基紫外探测器可分为正照式和背照式探测器两种。

相对于正照射结构，背照射结构有以下几个优点：(1)采用带高组分AlGaN窗口层的异质结结构，可以有效地裁剪响应波段，在响应波段内可以获得较高的量子效率；(2)窗口层为n-AlGaN，材料的生长较为容易；(3)适于制备大规模面阵器件，可以实现大规模的混成焦平面器件。

AlGaN基紫外探测器的衬底材料通常是蓝宝石、SiC和硅，这些衬底材料和AlGaN及GaN的晶格常数不匹配，所以在AlGaN及GaN材料中具有相当高的线位错密度，数量约为10⁸～10¹⁰cm^-2,这些位错以及材料生长过程中形成的原位缺陷如Ga空位和N空位及杂质元素如碳、氢、氧等会对载流子进行散射，从而降低探测器的内量子效率。

为了减少这些材料缺陷的数量，横向外延生长(LEO)以及表面钝化、热处理等技术已经被应用在材料生长和器件制备工艺中，这些技术的共同点是在保持光敏元面积一定的情况下，通过减少缺陷密度来减少光敏元中的缺陷数量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种集成微透镜阵列的背照式紫外焦平面探测器及微透镜阵列的制备方法，提高紫外焦平面探测器的探测率。

和以上各种技术不同，本发明的原理是使用微光学元件即微透镜的汇聚作用将紫外辐射汇聚到更小面积的光敏元上，由微透镜来获得与原来光敏元相同的紫外辐射能量。通过减小光敏元的面积的方法使光敏元上的线位错和材料缺陷数量的绝对值大幅度减少。此外，相同工艺条件下，小光敏元的零偏压动态电阻R₀高于大面积光敏元的R₀。在响应率基本不变的情况下，可以得到更高的优值因子R₀A，从而提高紫外焦平面探测器的探测率。

本发明一种集成微透镜阵列的背照式紫外焦平面探测器，包括紫外光敏元阵列芯片1、读出电路2、混成互连铟柱3、微透镜阵列4，宝石片衬底5，紫外光敏元阵列芯片1通过混成互连铟柱3和读出电路2连接，微透镜阵列4集成在紫外光敏元阵列芯片1的宝石片衬底5上的紫外辐照入射面上；

所述的紫外光敏元是pn结二极管、p-i-n结二极管、肖特基结二极管、多量子阱二极管或雪崩二极管。

所述的微透镜阵列4是平凸透镜，其外形是圆形、正方形、或六角形。

在紫外光敏元阵列芯片1制备完成后，在制备混成互连铟柱3之前制备微透镜阵列4，具体步骤如下：

1)根据紫外焦平面探测器的光敏元大小和数目制备同等规模的微透镜阵列光刻掩膜版；

2)在光刻机的显微镜下将微透镜阵列光刻掩膜版和紫外焦平面探测器的光敏元通过光刻标记对准，由于紫外焦平面探测器宝石片衬底对于可见光是透明的，所以可以通过调节显微镜的景深看到宝石片正面的光敏元光刻标记和微透镜阵列的图形是否对准；

3)对紫外焦平面探测器宝石片衬底背面的光刻胶进行曝光、显影，然后将紫外焦平面探测器宝石片衬底通过导热脂贴到加热板上，当温度升高到光刻胶的玻璃化转变温度以上时，光刻胶的粘度下降并在表面张力的作用下形成球冠形状，这时将紫外焦平面探测器宝石片衬底取下；

4)用电感耦合等离子体刻蚀方法，将光刻胶刻蚀去除，此时光刻胶的球冠形状被转移到了紫外焦平面探测器宝石片衬底上，形成紫外焦平面探测器宝石片微透镜阵列。

本发明的优点是微透镜阵列的制备工艺和微电子工业的设备、工艺方法兼容，无需另外添加复杂的专门设备。

附图说明

图1是集成微透镜阵列的背照式紫外焦平面探测器的结构示意图。

图2是微透镜阵列的结构示意图。

图3是微透镜阵列的制备流程图；其中步骤(1)是对衬底进行清洗，步骤(2)是用匀胶机涂敷光刻胶，步骤(3)是使用光刻机进行光刻，步骤(4)是用加热板加热光刻胶，步骤(5)是刻蚀去除光刻胶。

图4是微透镜阵列的局部形貌。

图5是响应光谱。

具体实施方式

下面结合附图，以像元数为320×256，像元大小为30×30μm²，光敏元大小为15×15μm²的紫外焦平面探测器为例，对本发明的具体实施方法做进一步地详细说明。

1.按照320×256紫外焦平面探测器的规格制备微透镜阵列光刻版；

2.对0.4mm厚的宝石片衬底进行减薄和化学机械抛光至100μm厚，抛光后的表面质量为80/50划痕/麻点。

3.对320×256紫外焦平面探测器用三氯乙烯、乙醚、丙酮、酒精各清洗5分钟，最后用氮气吹干。

4.在宝石片衬底上匀胶AZ5200,匀胶速度为4000rpm/min。

5.通过调整光刻机显微镜的景深，在光刻机上将微透镜阵列光刻版上的光刻标记与衬底正面的光刻标记对准，并进行曝光、显影。

6.用7501真空硅脂在衬底正面涂均匀以利于均匀导热。

7.将衬底正面贴在恒温在140摄氏度的加热板上，加热期间用培养皿罩住，防止落尘；加热4分钟后取下。

8.在台阶仪上测量光刻胶球冠的高度，看是否达到预定的高度，否则从步骤C开始进行返工。

9.放入ICP刻蚀机中进行刻蚀，刻蚀参数为：BCL₃：45sccm,压强：10mtorr,温度：5摄氏度，ICP功率：1500W，RF功率：30W,刻蚀时间：30min,He冷却气体压强：10Torr；

效果情况

如附图4所示，用台阶仪获得的紫外焦平面探测器微透镜阵列的局部轮廓扫描图，可见光刻胶已充分融化，表面粗糙度在可接受范围内。对光敏元大小为15×15μm²的紫外焦平面探测器，在集成微透镜阵列和未集成微透镜阵列两种情况下的响应光谱进行对比，如图5所示，可见集成微透镜阵列的探测器响应率是未集成微透镜阵列的探测器响应率的3.8倍，这说明微透镜将落在光敏元以外的光线全部汇聚到光敏元上。相对于填充因子为87.1％的28×28μm²的光敏元，实现了在接受等量的紫外辐照的同时，具有15×15μm²光敏元的紫外焦平面探测器的光敏元面积和结电容缩小为28.7％,优值因子R₀A提高至3.5倍，从而探测率提高至1.9倍。

Claims (3)

1.一种集成微透镜阵列的背照式紫外焦平面探测器，包括紫外光敏元阵列芯片(1)、读出电路(2)、混成互连铟柱(3)、微透镜阵列(4)，宝石片衬底(5)，其特征是：紫外光敏元阵列芯片(1)通过混成互连铟柱(3)和读出电路(2)连接，微透镜阵列(4)集成在紫外光敏元阵列芯片(1)的宝石片衬底(5)上的紫外辐照入射面上；

所述的紫外光敏元是pn结二极管、p-i-n结二极管、肖特基结二极管、多量子阱二极管或雪崩二极管。

2.根据权利要求1所述的一种集成微透镜阵列的背照式紫外焦平面探测器，其特征是：所述的微透镜阵列(4)是平凸透镜，其外形是圆形、正方形、或六角形。

3.一种制备如权利要求1所述集成微透镜阵列的背照式紫外焦平面探测器中微透镜阵列的方法，其特征在于步骤如下：

1)根据紫外焦平面探测器的光敏元大小和数目制备同等规模的微透镜阵列光刻掩膜版；

2)在光刻机的显微镜下将微透镜阵列光刻掩膜版和紫外焦平面探测器的光敏元通过光刻标记对准，由于紫外焦平面探测器宝石片衬底对于可见光是透明的，所以可以通过调节显微镜的景深看到宝石片正面的光敏元光刻标记和微透镜阵列的图形是否对准；

3)对紫外焦平面探测器宝石片衬底背面的光刻胶进行曝光、显影，然后将紫外焦平面探测器宝石片衬底通过导热脂贴到加热板上，当温度升高到光刻胶的玻璃化转变温度以上时，光刻胶的粘度下降并在表面张力的作用下形成球冠形状，这时将紫外焦平面探测器宝石片衬底取下；

4)用电感耦合等离子体刻蚀方法，将光刻胶刻蚀去除，此时光刻胶的球冠形状被转移到了紫外焦平面探测器宝石片衬底上，形成紫外焦平面探测器宝石片微透镜阵列。