CN105527026A - 一种像素单元及其构成的红外成像探测器和制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有纳结构光敏单元并采用背照明方式的非致冷红外探测像素单元以及由此像素单元构成的面阵红外成像探测器芯片。该探测器芯片由含有光敏单元阵列的硅基有源片和起支撑作用的无源衬底片键合而成。有源片上含有大量的由像素单元组成的二维阵列，每个像素单元由硅衬底正面的中心红外光透射通道、透射通道外围的ROIC读出电路、像素中心的纳结构光敏单元、表面介质层和硅衬底背面的聚焦微光学单元组成。红外光从硅衬底背面的微透镜一侧入射，被微透镜会聚后通过光透射通道并被聚焦到硅衬底正面的纳结构光敏单元而被吸收探测。本发明的背照明纳结构红外探测器具有高填充因子和快速响应特点，器件结构和制备工艺均比较简单，可用于制造低成本红外热像仪。

Description

一种像素单元及其构成的红外成像探测器和制备工艺

技术领域

本发明属于红外探测技术领域，涉及具有纳结构光敏元的背照明红外探测像素单元、由该像素单元构成的非致冷红外成像探测器及其制备工艺。

背景技术

当前基于微测辐射热计原理的非致冷红外成像探测器均采用前照明热敏薄膜吸收探测方式。图1为以前照明方式工作的微测辐射热计探测器的像素垂直截面图。含有光敏薄膜的红外吸收层12通过两侧的支撑桥腿13悬浮于含有读出电路(ROIC)的硅衬底21表面，支撑腿13表面同时还含有导电电极使得光敏单元的两端分别与ROIC的电接触点14连接，构成电回路。红外辐射入射到光敏单元上被吸收后转化成热使得敏感薄膜的电阻发生变化，该变化量被读出电路检出。大量像素单元组成二维阵列形成面阵探测器，可以实现凝视红外成像。

图1中的像素结构中含有光敏薄膜的红外吸收层不直接与硅衬底接触而是悬浮于硅衬底之上，其目的是减小热导，增强光吸收后的温升，获得更高的光响应率。同时为了获得快的响应时间实现高帧频探测，红外吸收层12常采用厚度小于1微米的低热质量多层膜结构，部分未被吸收的红外光被衬底表面的金属层11反射后返回红外吸收层。通过控制红外吸收层12与金属层11的间距使之组成四分之一波长谐振空腔，可以在谐振波长附近获得80％以上的吸收率。但是图1的像素结构由于支撑腿占用了一定的像素面积，故探测器的填充因子不高，红外光的能量利用率低，同时红外吸收层的热质量仍然较大，限制了响应速度的进一步提高。改进的技术采用三层结构，如美国专利USP6144030中通过增加中间第二层用于放置支撑腿，上层红外吸收层通过短而细的支撑柱与下方第二层的支撑腿连接，对于30μm×30μm的像素单元，填充因子可高于85％。但是这种改进的结构制备工艺复杂，可靠性差，成本难以降低。

发明内容

本发明提供了一种像素单元及其构成的红外成像探测器及其制备工艺，目的在于提高探测器的填充因子和器件响应率，并且简化制备工艺，提高可靠性，并降低生产成本。

本发明提供的一种像素单元，其特征在于，它包括由下至上的依次设置的支撑层、键合层、介质层、光敏单元层、读出电路层以及微透镜层，所述读出电路层和光敏单元层位于硅衬底的同一面，所述微透镜层位于硅衬底的另一面，所述光敏单元为由导电金属或半导体材料制作的纳结构，并位于像素单元中心，所述光敏单元被读出电路环绕，且与读出电路互连，所述微透镜用于将入射的红外光会聚并聚焦至光敏单元，光敏单元用于吸收和探测红外光。

所述纳结构可以为纳米点、纳米线、纳米杆，或者星形、多边形或分形图形的纳米结构。

上述技术方案可以采用下述任一种或任几种方式进行改进：(一)所述光敏单元周围设有隔离槽，用于将光敏单元与四周的硅衬底进行热隔离，同时使电极引线部分悬空减少通过引线热传导损失；(二)所述支撑层表面设有凹腔阵列，凹腔内表面镀有金属反射膜，用于将光敏单元未被吸收但到达凹腔表面的光反射回光敏单元，以实现增强吸收；(三)所述光敏单元四周开有锥形槽，使像素中心区域形成一个上宽下窄的锥形台面，该锥形台面的侧面用于对微透镜会聚的红外光进行反射并使其进入到所述的光敏单元中；(四)所述光敏单元两端通过电极线与像素单元内的读出电路的电接触点进行电互连，所述光敏单元两侧设有天线，天线用于收集汇聚到锥形台面的红外谐振辐射，并在光敏单元附近激发增强的电磁场强，以提高光敏单元对谐振红外辐射的吸收能力；(五)所述光敏单元为纳米线，纳米线两侧设有偶极天线，偶极天线的两臂与纳米线垂直，并覆盖天线中间的馈入点；(六)所述天线为对数天线、螺旋形天线或蝶形天线。

本发明提供了由上述像素单元构成的红外成像探测器，该红外成像探测器由呈二维阵列分布的像素单元构成。

本发明提供的一种红外成像探测器的制备工艺，其步骤包括：

第1步硅基有源片和无源支撑片的制备：

所述硅基有源片制备过程为：先在双面抛光的硅衬底的一侧表面制作读出电路，然后在各像素单元的中心区域制作光敏单元，构成光敏单元阵列；最后在各像素单元环绕光敏单元的硅材料部分，形成矩形或V型截面的热隔离槽阵列；

所述无源支撑片制备过程为：以硅或玻璃片作为支撑层，在支撑层的一个表面上制作与光敏单元阵列对应的凹形或V型空腔阵列，并在空腔内表面镀制金属反射膜；

第2步分别在有源片和支撑片上有图案的一侧制作键合图案；

第3步将有源片有图形的一侧和支撑片对准后键合在一起；

第4步将键合片中有源硅衬底另一侧的硅层减薄到10-50微米的厚度；

第5步在减薄面上与另一侧光敏单元阵列对应的位置制作微透镜阵列，随后在微透镜阵列表面镀制光学膜层；

第6步将键合片切片后封装。

本发明提供的背照明纳结构探测器的结构和和制备工艺具有这样的有益效果：(1)背面微透镜有助于提高填充因子,进而提高器件的响应率；(2)纳结构光敏单元的热质量很小，可显著提高探测器的响应速度；(3)制备工艺简单，有利于降低成本。

附图说明

图1是传统的非致冷探测器单个像素的垂直截面图；

图2是本发明的一种背照明非致冷红外探测器单个像素的垂直截面图；

图3是以二维阵列形式密集排列构成的探测器像素阵列的正面图(不含无源支撑片)；

图4是本发明的一种带有热隔离空腔和球面反射镜的背照明非致冷探测器单个像素的垂直截面图；

图5是本发明的一种有源片上带有锥形台面的背照明非致冷探测器单个像素的垂直截面图；

图6是本发明的一种有源片上带有隔离环形槽的背照明非致冷探测器单个像素的垂直截面图；

图7是一种具有偶极天线耦合的亚波长或纳米线红外光敏单元的正面俯视图；

图8是一种具有蝶形天线耦合的亚波长或纳米线红外光敏单元的正面俯视图；

图9是一种具有螺旋形天线耦合的亚波长或纳米线红外光敏单元的正面俯视图；

图10是本发明实例提供的一种纳结构非致冷红外探测器的制作工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图2为一种红外探测器单个像素的垂直截面图。该像素主要由薄型硅基有源片200和无源支撑片210两部分键合而成，因此从下往上键合后的像素单元结构依次含有：支撑层21、键合层22、光敏单元23、介质层24、读出电路(ROIC)层25以及硅微透镜层26。

支撑层20的材料可以是硅、陶瓷或光学玻璃，优选光学玻璃；键合层22的材料可以是有机或无机粘接胶、合金焊料等；介质层24起到绝缘和钝化作用，所用的材料为具有低热导系数的介质材料，优选二氧化硅。光敏单元23为具有热敏电阻特性的导电金属如Pt、Ti、Ni等，或者半导体如氧化钒(VOx)、非晶硅或Si-Ge等材料制作的纳结构。本发明所指的纳结构是指在平行于衬底表面的平面内至少有一个方向的尺寸为纳米量级的平面结构，如简单的纳米点、纳米线、纳米杆，也可包含复杂形状的纳米结构图形如星形、多边形或分形图形等。

围绕像素中心一定范围的圆形或方形区域属于红外光透射通道，读出电路的分布应避开这些区域，以免阻挡红外光会聚到光敏单元23。读出电路层位于硅基有源片200的一侧表面上，其深度范围一般在3-4微米以内，微透镜层26则处于硅基有源片200的另一侧表面，其冠高一般为5微米以内。由于探测器的像素尺寸较小(通常为方形，边长十几至几十微米)，为获得衍射极限的聚焦斑点，宜采用快微透镜，故硅衬底200需减薄到10-50微米的厚度，再在其上制作微透镜并镀制光学膜层如减反膜或滤光膜。

图3为以纳结构探测器作为像素单元通过二维形式密集排列构成像素阵列的正面视图(从无源支撑片一侧观察，但不含无源支撑片)，其中纳米线光敏单元23占据每个像素中心的很小面积，纳米线的两端通过金属薄膜引线31与读出电路的电接触点32连接，实现与读出电路的电互连。

图4为另一实施例，与图2实施例的区别在于支撑片210上与光敏单元23相对的区域含有凹腔20，凹腔20的内表面还可镀制金属反射膜27，其作用是将光敏单元未吸收的红外辐射反射回光敏单元23，增强对红外光的吸收率。凹腔20的另一作用是减少光敏单元外表面的热传导损失。凹腔的表面形状可以是球面形、非球面形，或者是V型或优化设计的其他形状。

图5为另一实施例，与图2和图4的区别在于，光敏单元23的四周有隔离槽30，其作用是降低光敏单元23通过硅衬底和金属引线的热传导损失。而其支撑片210仍采用与图2和图3实施例中同样的结构。隔离槽的深度一般为几微米至十几微米，宽度为1-3微米左右。

图6为图5实施例的改进结构，与图5的不同在于，光敏单元23的四周采用倾斜的锥形槽结构，其同样具有减低光敏单元23通过四周的热导损失功能。同时锥形槽使像素中心区域形成一个上宽下窄的锥形台面，光敏单元处于锥形台的窄台面上。因宽的锥形底面具有较大的面积，故可收集更多的由微透镜会聚而来的红外光入射到光敏单元，锥面外侧壁的反射将更多的光线会聚到光敏单元。

图7为一种集成偶极光学天线的纳米线探测器像素的正面俯视图(不含支撑片时)。光学天线用于增强对特定谐振谱段红外辐射的收集能力。光敏单元23(如纳米线)作为对红外辐射敏感的材料，其两端通过电极线31与该像素中的ROIC的电接触点32进行电互连。纳米线两侧有偶极天线33的两臂与其垂直，并覆盖天线中间的馈入点。天线将会聚到锥形台面34的部分红外谐振辐射收集，在纳米线附近激发增强的电磁场强从而提高纳米线对谐振红外辐射的吸收能力。台面34上的天线结构形式可以多样，如可以如图8所示的蝶形天线33，或图9所示的螺旋形天线33，或者其他天线形式如对数天线等。不同的天线具有不同的光谱响应和偏振响应特性，可根据需要选用。天线耦合的灵活性还在于可以同一种天线结构或多种天线结构组合使用，实现多谱段或选择性谱段探测。

上述各种天线所使用的材料可采用金属、导电化合物或者半导体，其中金属优选金(Au)，导电化合物优选氧化铟锡(ITO)，半导体优选高掺杂硅。通过天线参数的设计，可以激发红外波段的天线模式，在天线馈入点产生集中的增强场强，在该处的光敏单元将产生强烈的吸收而导致局部温度上升，从而引起电参数发生变化而被读出电路探测。在天线耦合下，光敏单元的尺寸可以降低到十几或几十纳米量级，但仍具有比较大的光收集能力。

本发明针对图4至图6的实施例，设计基于晶圆级的制备工艺步骤如图10所示。根据器件的结构，晶圆片的制备分为有源片和无源支撑片两类，可同时制作，再采用键合技术将两种晶圆片集成在一起。

主要的工艺步骤包括：

(1)制作ROIC电路：采用双面抛光硅晶圆片作为器件的衬底，在硅晶圆片的一侧表面制作ROIC电路；

(2)制作纳结构光敏元阵列：在各像素的中心区域制作光敏单元，构成光敏单元阵列，并在其表面制作介质层；

(3)侧面热隔离槽制作：采用干法或湿法工艺腐蚀各像素中环绕光敏单元的硅材料部分，形成矩形或V型截面的热隔离槽阵列。

(4)制作无源支撑片(可与上述1-3步骤同时进行)：采用硅或玻璃衬底，在支撑片的一个表面上制作与光敏单元阵列对应的凹形或V型空腔阵列，并在空腔内表面镀制金属反射膜；

(5)键合图案制作：分别在硅片和玻璃片上有图案的一侧制作键合图案，键合材料可以是聚合物、合金焊料或金属等；

(6)硅晶圆片与玻璃支撑片键合：在硅晶圆片有图形的一侧和支撑片对准后键合在一起，键合方式可选用胶接键合或者焊料键合等形式；

(7)键合片的减薄：将键合片中硅晶圆片一侧的硅层减薄到10-50微米的厚度；

(8)制作微透镜并镀制表面光学膜层：在减薄面上与另一侧光敏单元对应的位置制作微透镜阵列，随后在微透镜阵列表面镀制光学膜层如减反膜或滤光膜等。

(9)切片和封装：将键合片切成小芯片，测试并挑选合格的小芯片用于封装。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种像素单元，其特征在于，它包括由下至上的依次设置的支撑层、键合层、介质层、光敏单元层、读出电路层以及微透镜层，所述读出电路层和光敏单元层位于硅衬底的同一面，所述微透镜层位于硅衬底的另一面，所述光敏单元为由导电金属或半导体材料制作的纳结构，并位于像素单元中心，所述光敏单元被读出电路环绕，且与读出电路互连，所述微透镜用于将入射的红外光会聚并聚焦至光敏单元，光敏单元用于吸收和探测红外光。

2.根据权利要求1所述的像素单元，其特征在于，所述纳结构为纳米点、纳米线、纳米杆，或者星形、多边形或分形图形的纳米结构。

3.根据权利要求1所述的像素单元，其特征在于，所述光敏单元周围设有隔离槽，用于将光敏单元与四周的硅衬底进行热隔离，同时使电极引线部分悬空减少通过引线热传导损失。

4.根据权利要求1所述的像素单元，其特征在于，所述支撑层表面设有凹腔阵列，凹腔内表面镀有金属反射膜，用于将光敏单元未被吸收但到达凹腔表面的光反射回光敏单元，以实现增强吸收。

5.根据权利要求1所述的像素单元，其特征在于，所述光敏单元四周开有锥形槽，使像素中心区域形成一个上宽下窄的锥形台面，该锥形台面的侧面用于对微透镜会聚的红外光进行反射并使其进入到所述的光敏单元中。

6.根据权利要求5所述的像素单元，其特征在于，所述光敏单元两端通过电极线与像素单元内的读出电路的电接触点进行电互连，所述光敏单元两侧设有天线，天线用于收集汇聚到锥形台面的部分红外谐振辐射收集，并在纳米线附近激发增强的电磁场强，以提高纳米线对谐振红外辐射的吸收能力。

7.根据权利要求6所述的像素单元，其特征在于，所述光敏单元为纳米线，纳米线两侧设有偶极天线，偶极天线的两臂与纳米线垂直，并覆盖天线中间的馈入点。

8.根据权利要求6所述的像素单元，其特征在于，所述天线为对数天线、螺旋形天线或蝶形天线。

9.一种由权利要求1至5中任一所述像素单元构成的红外成像探测器，其特征在于，该红外成像探测器由呈二维阵列分布的像素单元构成。

10.一种红外成像探测器的制备工艺，其步骤包括：

第1步硅基有源片和无源支撑片的制备：

所述硅基有源片制备过程为：先在双面抛光的硅衬底的一侧表面制作读出电路，然后在各像素单元的中心区域制作光敏单元，构成光敏单元阵列；最后在各像素单元环绕光敏单元的硅材料部分，形成矩形或V型截面的热隔离槽阵列；

所述无源支撑片制备过程为：以硅或玻璃作为支撑层，在支撑层的一个表面上制作与光敏单元阵列对应的凹形或V型空腔阵列，并在空腔内表面镀制金属反射膜；

第2步分别在硅衬底和支撑层上有图案的一侧制作键合图案；

第3步将硅衬底有图形的一侧和支撑层对准后键合在一起；

第4步将键合片中硅衬底另一侧的硅层减薄到10-50微米的厚度；

第5步在减薄面上与另一侧光敏单元阵列对应的位置制作微透镜阵列，随后在微透镜阵列表面镀制光学膜层；

第6步将键合片切片后封装。