CN105514209A - 基于GeSn红外探测器的红外夜视仪 - Google Patents
基于GeSn红外探测器的红外夜视仪 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105514209A CN105514209A CN201510953100.0A CN201510953100A CN105514209A CN 105514209 A CN105514209 A CN 105514209A CN 201510953100 A CN201510953100 A CN 201510953100A CN 105514209 A CN105514209 A CN 105514209A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- infrared
- gesn
- detector
- signal
- viewing device
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 229910005898 GeSn Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 33
- 230000004297 night vision Effects 0.000 title abstract description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 30
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 15
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 12
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 abstract description 5
- 239000013078 crystal Substances 0.000 abstract 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 abstract 1
- 239000000306 component Substances 0.000 description 15
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 7
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000002513 implantation Methods 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 3
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 3
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910000661 Mercury cadmium telluride Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 231100000252 nontoxic Toxicity 0.000 description 2
- 230000003000 nontoxic effect Effects 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 238000004500 asepsis Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000008358 core component Substances 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000001931 thermography Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
- H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B23/00—Telescopes, e.g. binoculars; Periscopes; Instruments for viewing the inside of hollow bodies; Viewfinders; Optical aiming or sighting devices
- G02B23/12—Telescopes, e.g. binoculars; Periscopes; Instruments for viewing the inside of hollow bodies; Viewfinders; Optical aiming or sighting devices with means for image conversion or intensification
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
- H01L31/0264—Inorganic materials
- H01L31/028—Inorganic materials including, apart from doping material or other impurities, only elements of Group IV of the Periodic Table
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Astronomy & Astrophysics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于GeSn红外探测器的红外夜视仪，主要解决现有红外夜视仪感光效率低的问题。其包括光学系统，探测器、信号处理器和显示器，其中探测器采用GeSn红外探测器，它包括衬底(1)、下电极(2)、吸收区(3)和上电极(4)，该吸收区(3)采用通式为Ge1-xSnx的GeSn材料，其中x为Sn的组分，且0≤x≤0.25。本发明利用在Ge元素中引入Sn元素形成的弛豫本征GeSn单晶，在减小禁带宽度减小的同时，使GeSn能带结构由间接带隙向直接带隙变化，从而实现感光频率提高，吸收边红移可调，提高了红外夜视仪的感光效率和吸收波长范围。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，特别涉及红外夜视仪，可用于气象，医疗，国防以及报警系统等。
背景技术
红外热成像夜视仪又称为被动红外夜视仪，主要包括：光学系统、探测器、信号处理器和显示器，如图1所示。光学系统，采用常规的光聚集装置，主要用于处理物体所发出的红外线，以提高红外线强度；探测器，将由光学系统聚集的红外线光信号转化为电信号，实现红外图像的拍摄；信号处理器，包含DSP处理器和ARM处理器等，用于修复和识别红外图像，将数字信号转变为模拟信号，传送至输出端；显示器，优选彩屏高分辨率显示器，接收输出端的模拟信号，并呈现为图像信号。
探测器，是红外夜视仪的核心部件，主要是通过半导体技术实现，其由上、下金属电极以及吸收区组成。目前，用于该谱段红外夜视仪的吸收区的半导体材料主要为III-V族材料InGaAs、GaInAsSb、InGaSb和II-VI材料HgCdTe。InGaAs材料在近红外波段性能优异，而HgCdTe材料的相关红外器件是目前性能最好的中红外器件，且可以通过调节材料中Hg的组分可以实现带隙0-0.8eV的连续可调。然而无论使用III-V族或者II-VI族材料，本身都会引起环境问题而且成本非常高。Ⅳ族元素无毒、环保且储量丰富，可用于改善上述Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族材料所面临的问题，且Ge元素在1.3-1.55μm波段范围内有较高的感光效率。但是由于Ge材料为间接带隙半导体材料，则制约了其感光效率的提升，从而限制了红外夜视仪的灵敏度与感光效率。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，提供一种基于GeSn红外探测器的红外夜视仪，以提高红外夜视仪的灵敏度与感光效率。
实现本发明目的的技术关键是：通过采用GeSn材料制备红外探测器，在使禁带宽度减小的同时，促使能带结构由间接带隙向直接带隙转变，从而实现感光频率提高。该红外夜视仪包括:
光学系统，用于接收并聚集物体所发出的红外线，照射在探测器上；
探测器，用于将聚集的红外线由光信号转化为数字电信号，传输给信号处理器；
信号处理器，用于将数字电信号转变为模拟电信号，传输给显示器；
显示器，接收模拟电信号，并以图像形式呈现；
其特征在于：所述探测器采用GeSn红外探测器，它包括衬底、下电极、吸收区和上电极，该吸收区采用通式为Ge1-xSnx的GeSn材料，其中x为Sn的组分，且0≤x≤0.25。
上述基于GeSn红外探测器的红外夜视仪，其特征在于：下电极、吸收区和上电极依次由下至上分布在衬底。
上述基于GeSn红外探测器的红外夜视仪，其特征在于：衬底采用单晶Ge材料或其他单晶材料。
上述基于GeSn红外探测器的红外夜视仪，其特征在于：信号处理器，是用DSP处理器和ARM处理器连接组成。
上述于GeSn红外探测器的红外夜视仪，其特征在于：光学系统，核心为光学聚焦系统，其形式为混合式聚焦系统，即透射式和反射式混合而成。
本发明具有如下优点：
1、感光效率高，吸收边红移可调。
本发明由于其探测器采用的GeSn材料，由于即在Ge材料中引入了Sn元素，因此使得GeSn材料的能带结构由从间接带隙结构向直接带隙结构转变，同时，禁带宽度逐步减小，扩大了吸收波长范围，提高了感光效率，从而提高了红外夜视仪的性能。
2、成本低廉、无毒环保
本发明中的探测器采用IV族材料，同现有的III-V族材料和II-VI材料相比，IV族材料无毒环保、价格低廉。
附图说明
图1为本发明的结构框图；
图2为本发明中的探测器截面图；
图3为本发明中探测器制造工艺流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1，本实例包括：光学系统、探测器、信号处理器和显示器。其中：
光学系统，用于聚集物体所发出的红外线，并将其放大。其核心是光学聚焦系统，优选混合式聚焦系统，即透射式和反射式混合而成，但不用于限定这两种；
探测器，用于将聚集的红外线光信号转化为电信号，提高感应频率和吸收波长；
信号处理器，优选但限定用DSP处理器和ARM处理器连接组成，用于修复和识别红外图像，将数字电信号转变为模拟电信号，传送至输出端；
显示器，用于接收输出端信号，并以图像形式呈现，其优选彩屏高分辨率显示器。
工作时，将光学系统置于探测器的前端，通过光学系统聚集物体所发出的红外线，并将其放大，照射在探测器上，通过探测器将红外线光信号转化为电信号，传输给信号处理器；信号处理器，将数字电信号转变为模拟电信号，并传输至输出端；最后，由显示器将输出端信号接收并以图像形式呈现。
参照图2，本发明的红外探测器包括：衬底1、下电极2、吸收区3和上电极4，且从下至上依次分布，其中吸收区3，采用Sn组分为大于等于0小于等于0.25的GeSn材料，其通式为Ge1-xSnx，0≤x≤0.25。衬底1采用单晶Ge材料或其他单晶材料。
该探测器的制作工艺如图3所示。
参照图3，本发明中的红外探测器制作，给出如下三种实施例。
实施例1：制作吸收区Sn组分为0，Ge组分为1的，GeSn红外探测器。
步骤1：利用离子注入，在Si衬底1中注入剂量为1015cm-2，能量为20KeV的磷元素，形成N型下电极2，如图3b。
步骤2：利用分子束外延工艺，在下电极2上，以固体Ge和Sn作为蒸发源，用10-4pa的压强，在180℃环境下，生长弛豫本征GeSn单晶，其中Sn组分为0，Ge组分为1，形成吸收区3，如图3c。
步骤3：利用离子注入，在GeSn材料顶部中注入剂量为1015cm-2，能量为20KeV的硼元素，在注入硼元素的区域形成P型电极4，如图3d。
实施例2：制作吸收区Sn组分为0.10，Ge组分为0.90的，GeSn红外探测器。
步骤一：离子注入形成下电极
在Ge衬底1中注入剂量为1015cm-2，能量为20KeV的磷元素，形成N型下电极2，如图3b。
步骤二：外延弛豫本征GeSn单晶
利用分子束外延工艺，在下电极2上，以固体Ge和Sn作为蒸发源，用10-4pa的压强，在180℃环境下，生长弛豫本征GeSn单晶，其中Sn组分为0.10，Ge组分为0.90,如图3c。
步骤三：离子注入形成上电极
利用离子注入，在GeSn材料顶部中注入剂量为1015cm-2，能量为20KeV的硼元素，在注入硼元素的区域形成P型电极4，如图3d。
实施例3：制作吸收区Sn组分为0.25，Ge组分为0.75的，GeSn红外探测器。
步骤A：利用离子注入，在SOI衬底1中注入剂量为1015cm-2，能量为20KeV的磷元素，形成N型下电极2，如图3b。
步骤B：利用分子束外延工艺，在下电极2上，以固体Ge和Sn作为蒸发源，用10-4pa的压强，在180℃环境下，生长弛豫本征GeSn单晶，其中Sn组分为0.25，Ge组分为0.75,如图3c。
步骤C：利用离子注入，在GeSn材料顶部中注入剂量为1015cm-2，能量为20KeV的硼元素，在注入硼元素的区域形成P型电极4，如图3d。
Claims (5)
1.一种基于GeSn红外探测器的红外夜视仪，包括：
光学系统，用于接收并聚集物体所发出的红外线，照射在探测器上；
探测器，用于将聚集的红外线由光信号转化为数字电信号，传输给信号处理器；
信号处理器，用于将数字电信号转变为模拟电信号，传输给显示器；
显示器，接收模拟电信号，并以图像形式呈现；
其特征在于：所述探测器采用GeSn红外探测器，它包括衬底(1)、下电极(2)、吸收区(3)和上电极(4)，该吸收区(3)采用通式为Ge1-xSnx的GeSn材料，其中x为Sn的组分，且0≤x≤0.25。
2.根据权利要求1所述基于GeSn红外探测器的红外夜视仪，其特征在于：下电极(2)、吸收区(3)和上电极(4)依次由下至上分布在衬底(1)。
3.根据权利要求1所述基于GeSn红外探测器的红外夜视仪，其特征在于：衬底(1)采用单晶Ge材料或其他单晶材料。
4.根据权利要求1所述基于GeSn红外探测器的红外夜视仪，其特征在于：信号处理器，是用DSP处理器和ARM处理器连接组成。
5.根据权利要求1所述基于GeSn红外探测器的红外夜视仪，其特征在于：光学系统，核心为光学聚焦系统，其形式为混合式聚焦系统，即透射式和反射式混合而成。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510953100.0A CN105514209A (zh) | 2015-12-17 | 2015-12-17 | 基于GeSn红外探测器的红外夜视仪 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510953100.0A CN105514209A (zh) | 2015-12-17 | 2015-12-17 | 基于GeSn红外探测器的红外夜视仪 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN105514209A true CN105514209A (zh) | 2016-04-20 |
Family
ID=55722041
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201510953100.0A Pending CN105514209A (zh) | 2015-12-17 | 2015-12-17 | 基于GeSn红外探测器的红外夜视仪 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN105514209A (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105895727A (zh) * | 2016-04-22 | 2016-08-24 | 西安电子科技大学 | 基于弛豫GeSn材料的光电探测器 |
| CN110729373A (zh) * | 2018-07-16 | 2020-01-24 | 上海新微技术研发中心有限公司 | 基于Ge波导的GeSn红外光电探测器及其制造方法 |
| CN111211182A (zh) * | 2018-11-19 | 2020-05-29 | 上海新微技术研发中心有限公司 | 一种波导型光电探测器及其制造方法 |
| WO2020107784A1 (zh) * | 2018-11-27 | 2020-06-04 | 上海新微技术研发中心有限公司 | 一种单向载流子传输光电探测器及其制造方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3130276U (ja) * | 2005-12-29 | 2007-03-22 | リ ファン | 赤外線撮像装置 |
| CN101149554A (zh) * | 2007-10-29 | 2008-03-26 | 西安华金光电系统技术有限公司 | 多波长自动切换车辆夜间驾驶辅助系统 |
| CN104300013A (zh) * | 2014-05-05 | 2015-01-21 | 重庆大学 | 带有应变源的GeSn红外探测器 |
-
2015
- 2015-12-17 CN CN201510953100.0A patent/CN105514209A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3130276U (ja) * | 2005-12-29 | 2007-03-22 | リ ファン | 赤外線撮像装置 |
| CN101149554A (zh) * | 2007-10-29 | 2008-03-26 | 西安华金光电系统技术有限公司 | 多波长自动切换车辆夜间驾驶辅助系统 |
| CN104300013A (zh) * | 2014-05-05 | 2015-01-21 | 重庆大学 | 带有应变源的GeSn红外探测器 |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105895727A (zh) * | 2016-04-22 | 2016-08-24 | 西安电子科技大学 | 基于弛豫GeSn材料的光电探测器 |
| CN105895727B (zh) * | 2016-04-22 | 2017-07-28 | 西安电子科技大学 | 基于弛豫GeSn材料的光电探测器 |
| CN110729373A (zh) * | 2018-07-16 | 2020-01-24 | 上海新微技术研发中心有限公司 | 基于Ge波导的GeSn红外光电探测器及其制造方法 |
| CN110729373B (zh) * | 2018-07-16 | 2022-04-12 | 上海新微技术研发中心有限公司 | 基于Ge波导的GeSn红外光电探测器及其制造方法 |
| CN111211182A (zh) * | 2018-11-19 | 2020-05-29 | 上海新微技术研发中心有限公司 | 一种波导型光电探测器及其制造方法 |
| WO2020107784A1 (zh) * | 2018-11-27 | 2020-06-04 | 上海新微技术研发中心有限公司 | 一种单向载流子传输光电探测器及其制造方法 |
| CN111312827A (zh) * | 2018-11-27 | 2020-06-19 | 上海新微技术研发中心有限公司 | 一种单向载流子传输光电探测器及其制造方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105514209A (zh) | 基于GeSn红外探测器的红外夜视仪 | |
| CN104300013B (zh) | 带有应变源的GeSn红外探测器 | |
| US8564666B2 (en) | Image pickup device, visibility support apparatus, night vision device, navigation support apparatus, and monitoring device | |
| CN106409967B (zh) | p‑i‑n—‑n型GaN单光子雪崩探测器 | |
| JP2017022361A (ja) | 量子井戸バンド間遷移に基づく光電検出器、光通信システム及び画像形成装置 | |
| KR101974004B1 (ko) | 다공성 태양광발전용패널 | |
| CN105006500A (zh) | 横向ⅳ族元素量子阱光电探测器及制备方法 | |
| CN105742397A (zh) | 一种可见光到红外光探测的宽波段光电二极管 | |
| CN103367520A (zh) | InP基截止波长大范围可调的晶格匹配InGaAsBi探测器结构及其制备 | |
| Sood et al. | SiGe based visible-NIR photodetector technology for optoelectronic applications | |
| US20150357361A1 (en) | Imaging device | |
| CN111900217B (zh) | 一种中/长波红外双波段超晶格红外探测器及其制备方法 | |
| Tsaur et al. | Long-wavelength GexSi1-x/Si heterojunction infrared detectors and focal-plane arrays | |
| CN104538484A (zh) | 一种波长扩展型InGaAs雪崩光电二极管的外延结构 | |
| Péré-Laperne et al. | Latest developments of 10μm pitch HgCdTe diode array from the legacy to the extrinsic technology | |
| Rutz et al. | InGaAs-based SWIR photodetectors for night vision and gated viewing | |
| CN105895727A (zh) | 基于弛豫GeSn材料的光电探测器 | |
| US11069825B2 (en) | Optoelectronic devices formed over a buffer | |
| Rutz et al. | SWIR photodetector development at Fraunhofer IAF | |
| Rutz et al. | SWIR detectors for low photon fluxes | |
| CN209766420U (zh) | 多像元集成铟镓砷雪崩二极管四象限光电探测芯片 | |
| King et al. | Column IV sensors for 2D and 3D infrared imaging | |
| Eckardt et al. | CMOS-TDI detector technology for reconnaissance application | |
| Dutta | Imaging beyond human vision | |
| CN104157718B (zh) | 一种高速硅基光探测器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20160420 |