CN105181130A - 探测器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及一种探测器及其制造方法，所述探测器包括：衬底；偏振光栅，阵列式排布在衬底的上表面，偏振光栅用于对入射光进行偏振分光；光电二极管，阵列式排布在衬底的下表面，光电二极管与偏振光栅像素一一对应，用于吸收经偏振光栅分光后的偏振光而产生光电流；读出电路，与光电二极管相连接，用于接收和处理光电流。相应地，本发明还提供了探测器的制造方法。本发明实施例提出的探测器及其制造方法，通过在衬底的上下表面分别设置偏振光栅和光电二极管，偏振光栅与光电二极管像素一一对应，从而将偏振分光功能集成在探测器上，这种集成式设计有效的减少整个探测系统的体积和重量，显著提高了探测器系统的机械稳定性。

Description

探测器及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种探测器及其制造方法。

背景技术

传统红外探测器是对红外电磁波的辐射强度进行探测，但是当探测目标所处的背景复杂时，传统红外探测器无法通过单纯的探测电磁波的辐射强度将目标从杂乱的背景中分离出来。但是各个物体辐射或反射电磁波有着不同的偏振态，对目标的电磁辐射偏振态进行探测则可以将目标从复杂背景中区别出来，因而红外偏振探测技术是最近十年来发展很快的一项新的探测技术，具有广泛的军用和民用前景。相比红外电磁波的辐射强度探测，红外偏振探测的主要优势有：1)偏振探测无需准确的辐射量校准就可以达到很高的精度，这是由于偏振度是辐射值之比，而在传统的红外辐射强度探测中，定标对辐射强度测量的准确度至关重要；2)军事上红外防护的主要方法是制造复杂背景，使红外探测系统无法从背景中区分目标，但是这种杂乱的热源和目标的偏振态特性存在差异，因此这种形式的防护对于红外偏振探测就会失效；3)对于辐射强度相同的目标和背景，其偏振态特性是不一样的，通过红外辐射强度的探测无法区别开来，但通过对光的偏振度或偏振角等偏振态特性的探测，可将难以识别的杂乱背景和目标分开来，提高目标识别率。

现有技术的偏振探测系统是采用复杂光机结构先对偏振光分光，然后入射到红外探测器上进行探测，图1为现有技术的偏振探测系统，如图1所示，现有技术的偏振探测系统先通过偏振分光棱镜12对偏振光进行分光，然后再入射到红外探测器11上进行探测，这种设计使得传统偏振探测系统体积和重量大，机械稳定性差，空间分辨率低，应用环境受到很大限制。

发明内容

本发明实施例的目的是提出一种探测器及其制造方法，旨在解决传统红外探测系统体积和重量大、机械稳定性差的问题。

为实现上述目的，本发明实施例提供了一种探测器，所述探测器包括：衬底；偏振光栅，阵列式排布在所述衬底的上表面，所述偏振光栅用于对入射光进行偏振分光；光电二极管，阵列式排布在所述衬底的下表面，所述光电二极管与所述偏振光栅像素一一对应，用于吸收经所述偏振光栅分光后的偏振光而产生光电流；读出电路，与所述光电二极管相连接，用于接收和处理所述光电流。

本发明实施例还提供了一种探测器的制造方法，所述方法包括：提供衬底；在所述衬底的下表面形成光电二极管；在所述衬底的上表面形成阵列式排布的偏振光栅；将所述光电二极管与读出电路电连接。

本发明实施例提出的探测器及其制造方法，通过在衬底的上下表面分别设置偏振光栅和光电二极管，偏振光栅与光电二极管像素一一对应，从而将偏振分光功能集成在探测器上，这种集成式设计有效的减少整个探测系统的体积和重量，显著提高了探测器系统的机械稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术的偏振探测系统；

图2为本发明实施例的探测器的结构示意图；

图3为本发明实施例的探测器的光栅阵列排布示意图；

图4为本发明实施例的探测器的读出电路工作原理图；

图5为本发明实施例的探测器的制造方法的流程图；

图6为本发明实施例的探测器的背面的对准备标记；

图7为本发明实施例的探测器的背面生长金属薄膜示意图；

图8为本发明实施例的探测器的偏振光栅的光刻示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明实施例的探测器通过将偏振光栅集成到探测器上，并对偏振光栅结构进行特殊设计，单帧可同时进行多个偏振角度的探测，经过图像处理便可在一帧图像内获得偏振度和偏振角的信息，相比传统光机扫描式分光偏振探测，帧频大大提升。同时这种集成式设计有效的减少整个探测系统的体积和重量，显著提高了探测系统的机械稳定性。

图2为本发明实施例的探测器的结构示意图，如图2所示，本发明实施例的探测器20包括：衬底21、偏振光栅22、光电二极管23、读出电路24。

衬底21为探测器20的基板，偏振光栅22、光电二极管23、读出电路24均形成在衬底21上。

需要说明的是，本发明实施例的衬底21根据探测的光的波长不同可以采用不同的材料制备，不同的探测波长需求，需要不同的衬底21材料以及相应的光电二极管23的制备材料，例如：对于近红外波长的偏振探测，光电二极管23可采用铟镓砷材料制备而成，衬底21可采用磷化铟材料。对于短波红外、中波红外、长波红外的偏振探测，衬底21可采用碲锌镉，光电二极管23的材料可采用碲镉汞。

偏振光栅22，形成在衬底21的上表面，偏振光栅22成阵列式排布。图3为本发明实施例的探测器的光栅阵列排布示意图，如图3所示，偏振光栅22成阵列式排布，偏振光栅22用于对入射辐射的进行偏振分光，可将入射光变为完全线偏振光。再如图3所示，偏振光栅22每2×2阵列的光栅为一组，包括四种起偏方向的光栅，具体可包括：0°偏振分光光栅31、45°偏振分光光栅32、90°偏振分光光栅33、135°偏振分光光栅34。偏振光栅22设置多个起偏方向的光栅，则在每一帧内可同时进行多个偏振角度的探测，经过图像处理便可在一帧图像内获得偏振度和偏振角的信息，相比传统光机扫描式分光偏振探测(每一帧只可进行一个偏振角度的探测)，帧频大大提升。

偏振光栅22为亚波长金属光栅，光栅的线条中心之间的间隔为200～500nm，光栅的间隔是通过光学设计得到，是由光栅材料、衬底材料的光学特性(折射率、消光系数)以及电磁波的入射波长决定，其他参数发生变化时，光栅间隔也随之发生变化。

光电二极管23，形成在衬底21的下表面。经偏振光栅22分光后的偏振光到达光电二极管23上时，由于光电效应产生光电流，并将产生的光电流的电学信号注入至读出电路24。如图2所示，光电二极管23包括：光电二极管的p型区25、光电二极管的n型区26、光电二极管的p型区欧姆接触27、光电二极管的n型区欧姆接触28。对于近红外波长的偏振探测，光电二极管23可采用铟镓砷材料制备而成，衬底21可采用磷化铟材料。光电二极管23的像素尺寸大小在20～40um×20～40um之间，像素间隔为2～5um，成阵列排布。

需要说明的是，偏振光栅22的每个光栅的像素与光电二极管23的像素一一对应，实现一对一像素级偏振滤光，从而有效避免偏振探测中像素间的串扰。

优选的，本发明实施例中的光电二极管23为雪崩光电二极管，雪崩光电二极管可以显著增强光电增益，弥补由于偏振分光导致的辐射能量约减少一半所带来的信号变弱问题，从而提高了探测器的灵敏度。

读出电路24通过连接铟柱29与光电二极管23相连接，具体的，读出电路24通过连接铟柱29分别与光电二极管的p型区欧姆接触27、光电二极管的n型区欧姆接触28电连接，用于接收光电二极管23由于光电效应产生的光电信号，并将该电学信号处理后对外输出。

图4为本发明实施例的探测器的读出电路工作原理图，如图4所示，读出电路24具体包括：输入单元41、运算放大单元42、输出单元43、数字控制单元44。输入单元41与光电二极管23相连接，接收光电二极管23产生的电学信号，并将该电学信号注入至运算放大单元42，运算放大单元42将电学信号进行放大处理，然后经输出单元43对外输出电学信号。数字控制单元44与输入单元41、运算放大单元42、输出单元43电气连接，用于对整个读出电路24进行时序控制。

本发明实施例的探测器可应用于红外偏振探测领域，当红外电磁波入射到探测器的偏振光栅阵列上，被偏振光栅进行偏振分光，由于偏振光栅的特殊设计可以同时获得0°、45°、90°、135°四个偏振角度的偏振光，分光后的偏振光到达雪崩光电二极管上，由于光电效应产生光电流，产生的光电流经与读出电路互连的铟柱连接注入至读出电路，然后经电路的列运算放大单元进行电学信号的放大，经读出电路的输出单元输出电学信号，通过外部数据采集模块的处理，即可进行0°、45°、90°、135°四个偏振角度的探测数据采集，基于偏振度和偏振角的算法对输出电学信号进行图像处理，即可获得偏振度和偏振角的图像。

本发明实施例提出的探测器通过在衬底的上下表面分别设置偏振光栅和光电二极管，偏振光栅与光电二极管像素一一对应，从而将偏振分光功能集成在探测器上，这种集成式设计有效的减少探测系统的体积和重量，显著提高了探测系统的机械稳定性。同时偏振光栅每2×2为一组，包括四个起偏方向的光栅，可同时进行0°、45°、90°、135°四个偏振角度的分光，从而使得每一个帧周期可同时输出探测器阵列中所有的像素对经偏振分光后的入射辐射的光电响应信号，这些信号中包括0°、45°、90°、135°四个偏振角度偏振分光的光电响应。光电二极管采用雪崩光电二极管可以大大增强光电增益，弥补由于偏振分光导致的辐射能量减少一半所带来的信号变弱问题，从而提高了探测器的灵敏度。

本发明实施例还提供了一种探测器的制造方法，图5为本发明实施例的探测器的制造方法的流程图，如图5所示，本发明实施例的探测器的制造方法的具体步骤为：

步骤501：提供衬底；

具体的，衬底21为探测器20的基板，偏振光栅22、光电二极管23、读出电路24均形成在衬底21上，衬底21可采用磷化铟材料。

步骤502：在衬底的下表面形成光电二极管；

具体的，利用材料外延工艺技术在磷化铟衬底21上外延出制备光电二极管23的铟镓砷材料，通过锌元素扩散形成光电二极管的p型区25，通过镉元素扩散形成光电二极管的n型区26，并在p型区和n型区的界面处形成p-n结。通过像元间隔离刻蚀形成光电二极管的p型区欧姆接触27和光电二极管的n型区欧姆接触28。通过制备钝化绝缘层，在钝化层开孔形成接触电极制备等工艺，形成探测器芯片，探测器芯片上预留用于背面光刻的对准标记。

步骤503：在衬底的上表面形成阵列式排布的偏振光栅；

具体的，图6为本发明实施例的探测器的背面的对准备标记，图7为本发明实施例的探测器的背面生长金属薄膜示意图，图8为本发明实施例的探测器的偏振光栅的光刻示意图。如图6、7、8所示，将探测器芯片的磷化铟衬底21减薄抛光：利用机械抛光设备以及化学机械抛光设备，将探测器芯片的磷化铟衬底21的厚度减薄至150～200um。在探测器的背面形成对准标记61，具体的，将探测器芯片的衬底21背面清洗干净，利用匀胶设备涂敷约3um厚的光刻胶，通过双面对准曝光方法，与探测器正面预留的对准标记进行套刻，在光刻胶上光刻出对准标记，利用反应离子刻蚀方法将没有光刻胶保护部分的标记部分进行刻蚀；刻蚀完后去掉残余光刻胶，最终在探测器芯片背面上形成对准标记61。

利用磁控溅射设备或者离子束沉积等金属薄膜沉积设备，生长厚度200～300nm厚的Al金属膜层71。将生长过Al薄膜的的衬底21背面清洗干净，涂上一层200～300nm厚的高分子材料，然后将亚波长偏振光栅的模板压在高分子材料上面，高分子材料经过固化，取掉模具，形成亚波长偏振光栅阵列掩膜81。

将制备好亚波长偏振光栅掩膜的探测器芯片放入干法刻蚀设备中进行刻蚀，刻蚀掉无掩膜遮挡部分的金属Al，金属Al刻蚀完毕后，采用氧气等离子体去除掩膜材料，最终形成亚波长偏振光栅阵列22。

步骤504：将光电二极管与读出电路电连接

在专用读出电路24上制备好连接铟柱29，利用倒装焊接机将探测器芯片与专用读出电路24进行倒装互连，形成最终的集成红外偏振探测器。

本发明实施例提供的探测器的制造方法，将偏振光栅集成在探测器上，这种集成式设计有效的减少整个探测系统的体积和重量，显著提高了探测系统的机械稳定性。同时偏振光栅经特殊设计可同时进行0°、45°、90°、135°四个偏振角度的分光，从而使得每一个帧周期可同时输出探测器阵列中所有的像素对经偏振分光后的入射辐射的光电响应信号，有效提高了探测的精度。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种探测器，其特征在于，所述探测器包括：

衬底；

偏振光栅，阵列式排布在所述衬底的上表面，所述偏振光栅用于对入射光进行偏振分光；

光电二极管，阵列式排布在所述衬底的下表面，所述光电二极管与所述偏振光栅像素一一对应，用于吸收经所述偏振光栅分光后的偏振光而产生光电流：

读出电路，与所述光电二极管相连接，用于接收和处理所述光电流。

2.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述偏振光栅每4个为一组，包括0°、45°、90°、135°四个方向的偏振光栅。

3.根据权利要求1或2所述的探测器，其特征在于，所述偏振光栅的线条之间间隔200～500um。

4.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述光电二极管为雪崩光电二极管。

5.如权利要求1或4所述的探测器，其特征在于，所述光电二极管的像素大小在20～40um×20～40um之间，像素间隔为2～5um。

6.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述读出电路与所述光电二极管相连接具体为，所述读出电路通过倒装焊接工艺与所述光电二极管相连接。

7.如权利要求1或6所述的探测器，其特征在于，所述读出电路具体为：

输入单元，与所述光电二极管电连接，用于接收所述光电流；

列运算放大单元，与所述输入单元电连接，用于对所述光电流的电学信号进行放大处理；

输出单元，与所述列运算放大单元电连接，用于输出所述经放大处理的电学信号；

数字控制单元，与所述输入单元、列运算放大单元、输出单元电连接，用于提供所述读出电路的工作时序。

8.一种探测器的制造方法，其特征在于，所述方法包括：

提供衬底；

在所述衬底的下表面形成光电二极管；

在所述衬底的上表面形成阵列式排布的偏振光栅；

将所述光电二极管与读出电路电连接。

9.如权利要求8所述的探测器的制造方法，其特征在于，所述光电二极管与所述偏振光栅像素一一对应。

10.如权利要求8所述的探测器的制造方法，其特征在于，在所述衬底的上表面形成阵列式排布的偏振光栅具体为，所述偏振光栅每4个为一组，包括0°、45°、90°、135°四个方向的偏振光栅。