CN108511469B - 一种集成型成像传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成型成像传感器及其制备方法，包括：雪崩光电探测器阵列、读出电路、微纳光栅(micro‑polarizer)和纳米鳍(nano‑fin)阵列超棱镜(metalens)结构，探测器采用倒装结构，下表面布置n型与p型欧姆电极并与图像信号读取电路相连接，上表面是半导体材料外延基底。超棱镜集成在外延基底之上。微纳光栅阵列分布在超棱镜之上。所述微纳光栅阵列可将入射的非偏振光（比如自然光）转变成偏振光，随后传递给超棱镜聚焦；所述超棱镜具备焦距超短，相差极小的优点，可以将物象清晰的成在传感器阵列上；所述成像传感器具有高灵敏和高集成的特征。
Description
技术领域
本发明涉及半导体探测技术，尤其涉及集成成像传感器及其制备方法。
背景技术
在对图像质量要求的前提下，目前对相机镜头轻薄化的趋势越来越明显， 这在2006 年至今的手机发展的机型可以明显看出来。越来越薄的手机倍受人们的喜爱，在市场所占的份额也比较大。镜头需要对光焦度分配、位置色差、倍率色差、场曲、球差、慧差、象散、畸变进行校正。
从技术角度来看，拍摄画面的画质如何是相机的各个机构共同作用的结果，而厚度的大小取决于模组的技术。因为图像的质地与手机的轻薄化需求在技术上存在一定的制约，图像越好，理论上厚度会越厚，所以需要通过镜头对模组的技术的升级来使得手机轻薄化。手机镜头的结构与普通摄影镜头的结构区别不大，但是受限于手机厚度，所以其装配空间很小，需要的精度比较高。复杂的结构容易带入较大的误差，加工起来也不能保证误差在允许范围内，装配时也容易造成配合不好而产生偏心、倾斜的现象。
很有希望取代传统棱镜组的一项技术是平面超棱镜技术，然而目前平面超棱镜无法识别非偏振光，对于自然光这样的光源识别度差，需要改进。另一方面，尽管超棱镜具有焦距短，相差小的优点，然而目前超棱镜还未能与探测器阵列集成在一起，如果分离使用，则优势并不大。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种集成成像型半导体光探测器及其制备方法。
为达到上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种集成型成像传感器，该探测器为雪崩探测器阵列集成读出电路、微纳光栅和超棱镜结构，从下至上依次包括图像信号读取电路、雪崩探测器阵列、纳米鳍(nanofin)阵列超棱镜(metalens)和微纳光栅(micro-polarizer)阵列；雪崩探测器采用倒装结构；下表面布置n型与p型欧姆电极并与图像信号读取电路相连接；上表面是探测器半导体材料外延基底，超棱镜集成在外延基底之上，采用纳米鳍阵列制成；微纳光栅阵列分布于纳米鳍阵列之上。
所述微纳光栅阵列可将入射的非偏振光（比如自然光）转变成偏振光，随后传递给纳米鳍阵列聚焦；所述纳米鳍阵列超棱镜具备焦距超短，相差极小的优点，可以将物象清晰的成在雪崩探测器阵列上；雪崩探测器阵列位于超棱镜的焦平面上，可以高灵敏地识别外部信号。
较佳地，所述图像信号读取电路为电荷耦合器件（CCD）读出电路。
较佳地，所述雪崩探测器阵列为p-i-p-i-n型分离吸收与倍增型线性雪崩探测器，器件从下到上依次包含衬底、p型滤光层、i型光敏吸收层、p型电荷层、i型倍增层、n型层；
所述p型滤光层和n型层构成pn结；所述p型滤光层和i型光敏吸收层为异质结；其中，所述p型滤光层禁带宽度大于所述i型光敏吸收层的禁带宽度；且所述p型滤光层为接收入射光的结构层。此外还要制作阵列、蒸镀电极并与CCD读出电路相连接。
较佳地，所述纳米鳍阵列包含非晶态TiO2，Si等材料。阵列的基本单元为轴对称型纳米鳍，形状包括立方体，椭圆柱等。纳米鳍分布距离为亚波长量级。纳米鳍阵列包含5个变量，纳米鳍长轴长L（0 μm<L<100 μm），短轴长W（0<W<L<100μm），鳍高H（0 μm<H<100 μm），位于坐标（x,y）处的纳米鳍旋转角θ（x,y）（0<θ（x,y）<π），鳍间距A（0 μm<A<100 μm）。
较佳地，所述微纳光栅阵列的制备材料包含Au，Al，Ag等金属，液晶材料以及PVA等有机物。光栅阵列包含5个变量，光栅单元长轴长L g （0 μm<L g <100 μm），短轴长W g （0 μm<W g <L g <100μm），栅高H g （0 μm<H g <100 μm），位于坐标（x,y）处的光栅旋转角θ g （x,y）（0<θ g （x,y）<π），光栅间距A g （0 μm< A g <100 μm）。
本发明还提供了一种半导体光探测器的制备方法，适用于上述的探测器，该方法包括：
在衬底基础上生长一层p型滤光层；
在所述p型滤光层上生长一层i型光敏吸收层；
在所述i型光敏吸收层上生长一层p型电荷层；
在所述p型电荷层上生长一层i型倍增层；
在所述i型倍增层上生长一层n型层；
所述n型层上设置有n型欧姆电极，p型滤光层上设置有p型欧姆电极；所述p型滤光层和n型层构成pn结；所述p型滤光层和i型光敏吸收层为异质结；其中，所述p型滤光层禁带宽度大于所述i型光敏吸收层的禁带宽度；且所述p型滤光层为接收入射光的结构层；
将所述雪崩探测器材料通过刻蚀、钝化、制作阵列、制作电极、倒装焊等工艺与CCD相连；
将衬底减薄，使其厚度与p型滤光层的厚度总和等于超棱镜的焦距；
在衬底上旋涂光刻胶掩膜，使用电子束曝光的方法形成图形，采用原子层沉积（ALD）技术沉积TiO2，用控制层反应离子刻蚀（controlled blanket RIE）技术去掉掩膜上的TiO2，随后清洗掩膜。然后涂覆一层气凝胶原液，超临界干燥。在气凝胶表面涂覆一薄层大分子膜，随后在其上沉积一层铝膜，涂覆光刻胶，曝光并显影，刻蚀纳米线形成微纳光栅阵列。
较佳地，所述图像信号读取电路为电荷耦合器件（CCD）读出电路。
较佳地，所述雪崩探测器阵列为p-i-p-i-n型分离吸收与倍增型线性雪崩探测器，器件从下到上依次包含衬底、p型滤光层、i型光敏吸收层、p型电荷层、i型倍增层、n型层；
所述p型滤光层和n型层构成pn结；所述p型滤光层和i型光敏吸收层为异质结；其中，所述p型滤光层禁带宽度大于所述i型光敏吸收层的禁带宽度；且所述p型滤光层为接收入射光的结构层。
较佳地，所述纳米鳍阵列包含非晶态TiO2，Si等材料。阵列的基本单元为轴对称型纳米鳍，形状包括立方体，椭圆柱等。纳米鳍分布距离为亚波长量级。纳米鳍阵列包含5个变量，纳米鳍长轴长L（0 μm<L<100 μm），短轴长W（0<W<L<100μm），鳍高H（0 μm<H<100 μm），位于坐标（x,y）处的纳米鳍旋转角θ（x,y）（0<θ（x,y）<π），鳍间距A（0 μm<A<100 μm）。
较佳地，所述微纳光栅阵列的制备材料包含Au，Al，Ag等金属，液晶材料以及PVA等有机物。光栅阵列包含5个变量，光栅单元长轴长L g （0 μm<L g <100 μm），短轴长W g （0 μm<W g <L g <100μm），栅高H g （0 μm<H g <100 μm），位于坐标（x,y）处的光栅旋转角θ g （x,y）（0<θ g （x,y）<π），光栅间距A g （0 μm< A g <100 μm）。
由此可见，本发明提供的一种集成型成像传感器及其制备方法，在雪崩探测器阵列集成读出电路、微纳光栅和超棱镜结构的基础上，所述微纳光栅阵列可将入射的非偏振光（比如自然光）转变成偏振光，随后传递给纳米鳍阵列聚焦；所述纳米鳍阵列超棱镜具备焦距超短，相差极小的优点，可以将物象清晰的成在雪崩探测器阵列上；雪崩探测器阵列位于超棱镜的焦平面上，可以高灵敏地识别外部信号。
附图说明
图1是本发明实施例一中半导体光探测器的制备方法流程图。
图2是本发明实施例一的半导体光探测器的结构示意图。
图3是本发明实施例一中纳米鳍阵列超棱镜。
图4是本发明实施例一中微纳光栅阵列。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面参照附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例提供一种新的集成型成像传感器。微纳光栅阵列可将入射的非偏振光（比如自然光）转变成偏振光，随后传递给纳米鳍阵列聚焦；所述纳米鳍阵列超棱镜具备焦距超短，相差极小的优点，可以将物象清晰的成在雪崩探测器阵列上；尽管在这种成像传感器中，光通量比较小，然而所述雪崩探测器具有高灵敏的特征，可以识别微弱信号，从而大大增强成像传感器的灵敏性。同时，雪崩探测器阵列可以将物像按照空间采样并输送给图像读取电路进行成像。
图1是本实施一的集成型成像传感器的制备方法流程图。如图1所示，该制备方法包括：步骤101、在衬底基础上生长一层p型滤光层。步骤102、在p型滤光层上生长一层i型光敏吸收层。步骤103、在i型光敏吸收层上生长一层p型电荷层。步骤104、在p型电荷层上生长一层i型倍增层。步骤105、在i型倍增层上生长一层n型层。实际应用中，还需要设置电极、刻蚀阵列等步骤，此为现有技术无需赘述。步骤106、将所述雪崩探测器材料通过刻蚀、钝化、倒装焊等工艺与CCD相连。步骤107、衬底减薄，使其厚度与p型滤光层的厚度总和等于超棱镜的焦距。步骤108、在衬底上旋涂光刻胶掩膜，使用电子束曝光的方法形成图形，采用原子层沉积（ALD）技术沉积TiO2，用控制层反应离子刻蚀（controlled blanket RIE）技术去掉掩膜上的TiO2，随后清洗掩膜，形成TiO2纳米鳍阵列。步骤109、涂覆一层气凝胶原液，超临界干燥。在气凝胶表面涂覆一薄层大分子膜。步骤110、沉积一层铝膜，涂覆光刻胶，曝光并显影，刻蚀纳米线形成微纳光栅阵列。
图2是根据上述方法制备出的传感器的结构示意图。如图2所示，该成像传感器为雪崩探测器阵列集成读出电路、微纳光栅和超棱镜结构，在衬底上依次包括：从下至上依次包括图像信号读取电路、雪崩探测器阵列、纳米鳍阵列超棱镜、微纳光栅阵列。实际应用中，半导体光探测器还包括衬底、缓冲层和电极，图2中未明显画出。为了方便描述，假设1区为p型滤光层，2区为i型光敏吸收层，3区为p型电荷层，4区为i型倍增层，5区为n型层，6区为图像信号读取电路，7区为纳米鳍阵列超棱镜，8区为气凝胶填充物，9区为大分子薄膜，10区为微纳光栅阵列。其中，1区和5区构成pn结，是半导体具备导电性能的最基本结构。1区的p型滤光层主要用于过滤掉不符合波长要求的光。2区的i型光敏吸收层主要用于吸收能量高于其禁带宽度的光子的能量，产生电子空穴对。3区的p型电荷层，主要用于电场控制。4区的i型倍增层主要用于电子离化碰撞，达到倍增或雪崩的效果。6区的图像信号读取电路将雪崩探测器阵列输出的光电信号读出成像。10区的微纳光栅阵列将非偏振态的光线转换成偏振光，9区的大分子薄膜层起到固定光栅的作用，8区的气凝胶填充物起到隔离的作用，7区的纳米鳍阵列超棱镜将10区光栅滤出的偏振光转变成具有一定相位梯度的圆偏振光，完成对波前传输方向的控制，达到聚焦的目的。
图3是上述器件中所述的纳米鳍阵列超棱镜，其中图3（a）为纳米鳍阵列斜视图，由高纵横比的鳍状单元按照一定的空间位置分布而成，其中如图3（b）所示的鳍状单元旋转角度可以用来操控光的相位，从而达到聚焦的目的。纳米鳍阵列包含5个参数，L（0 μm<L<100μm），短轴长W（0<W<L<100μm），鳍高H（0 μm<H<100 μm），位于坐标（x,y）处的纳米鳍旋转角θ（x,y）（0<θ（x,y）<π），鳍间距A（0 μm<A<100 μm），符号含义如图3（c）与（d）所示。
图4是上述器件中所述的微纳光栅阵列，其中图4（a）为微纳光栅阵列斜视图，由条状光栅单元按照一定的空间位置分布而成，其中如图4（b）所示的光栅单元旋转角度可以用来操控光的偏振方向，配合纳米鳍阵列调控光的相位。如果没有微纳光栅阵列的作用，入射光必须为偏振光，自然光是无法被该器件准确成像的，加载这样的微纳光栅阵列后，自然光等非偏振光就可以被准确成像了。微纳光栅阵列包含5个参数，光栅单元长轴长L g （0 μm<L g <100 μm），短轴长W g （0 μm<W g <L g <100μm），栅高H g （0 μm<H g <100 μm），位于坐标（x,y）处的光栅旋转角θ g （x,y）（0<θ g （x,y）<π），光栅间距A g （0 μm< A g <100 μm），符号含义如图4（c）与（d）所示。
本发明提供了一种半导体光探测器，微纳光栅阵列可将入射的非偏振光（比如自然光）转变成偏振光，随后传递给纳米鳍阵列聚焦；所述纳米鳍阵列超棱镜具备焦距超短，相差极小的优点，可以将物象清晰的成在雪崩探测器阵列上；尽管在这种成像传感器中，光通量比较小，然而所述雪崩探测器具有高灵敏的特征，可以识别微弱信号，从而大大增强成像传感器的灵敏性。同时，雪崩探测器阵列可以将物像按照空间采样并输送给图像读取电路进行成像。需要强调的是，本发明实施例仅提供了一种具体的实施方式，只要半导体光探测器符合雪崩探测器阵列集成读出电路、微纳光栅和超棱镜结构，包含本发明实施例所述的10个区域的所有探测器及其制备方法都包含在本发明保护范围之内。因此，上述几种优化的实施例并不用于限制本发明的保护范围。
以上所述对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述并不用以限制本发明，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)
1.一种集成型成像传感器，其特征在于，该集成型成像传感器为雪崩探测器阵列集成读出电路、微纳光栅(micro-polarizer)和超棱镜(metalens)结构，从下至上依次包括图像信号读取电路、雪崩探测器阵列、纳米鳍(nanofin)阵列超棱镜和微纳光栅阵列；雪崩探测器采用倒装结构；下表面布置n型与p型欧姆电极并与图像信号读取电路相连接；上表面是探测器半导体材料外延基底，超棱镜集成在外延基底之上，采用纳米鳍阵列制成；微纳光栅阵列分布于纳米鳍阵列之上；
所述微纳光栅阵列可将入射的非偏振光转变成偏振光，随后传递给纳米鳍阵列聚焦；所述纳米鳍阵列超棱镜具备焦距超短，相差极小的优点，可以将物象清晰的成在雪崩探测器阵列上；雪崩探测器阵列位于超棱镜的焦平面上，可以高灵敏地识别外部信号。
2.根据权利要求1所述的集成型成像传感器，其特征在于，
所述图像信号读取电路包含并不限于电荷耦合器件（CCD）读出电路。
3.根据权利要求1所述的一种集成型成像传感器，其特征在于，
所述雪崩探测器阵列探测中心波长包含紫外、可见光、红外；光线入射模式包含正入射和背入射；材料包含GaN、GaAs、InP、Si、AlGaAsSb、HgCdTe；工作模式包含线性模式和盖革模式。
4.根据权利要求1所述的一种集成型成像传感器，其特征在于，
所述纳米鳍阵列超棱镜的制备材料包含非晶态TiO2，Si材料；阵列的基本单元为轴对称型纳米鳍，形状包括立方体，椭圆柱；纳米鳍分布距离为亚波长量级；纳米鳍阵列包含5个变量，纳米鳍长轴长L，其中，0 μm<L<100 μm，短轴长W，其中，0 μm<W<L<100 μm，鳍高H，其中，0μm<H<100 μm，位于坐标（x,y）处的纳米鳍旋转角θ（x,y），其中，0<θ（x,y）<π，鳍间距A，其中，0 μm<A<100 μm。
5.根据权利要求1所述的一种集成型成像传感器，其特征在于，
所述微纳光栅阵列的制备材料包含Au，Al，Ag金属，液晶材料以及PVA有机物；光栅阵列包含5个变量，光栅单元长轴长L g ，其中，0 μm<L g <100 μm，短轴长W g ，其中，0 μm<W g <L g <100 μm，栅高H g ，其中，0 μm<H g <100 μm，位于坐标（x,y）处的光栅旋转角θ g （x,y），其中，0<θ g （x,y）<π，光栅间距A g ，其中，0 μm< A g <100 μm。
6.一种集成型成像传感器的制备方法，适用于权利要求1所述的集成型成像传感器，其特征在于，该方法包括：
在衬底基础上生长一层p型滤光层；
在所述p型滤光层上生长一层i型光敏吸收层；
在所述i型光敏吸收层上生长一层p型电荷层；
在所述p型电荷层上生长一层i型倍增层；
在所述i型倍增层上生长一层n型层；
所述n型层上设置有n型欧姆电极，p型滤光层上设置有p型欧姆电极；所述p型滤光层和n型层构成pn结；所述p型滤光层和i型光敏吸收层为异质结；其中，所述p型滤光层禁带宽度大于所述i型光敏吸收层的禁带宽度；且所述p型滤光层为接收入射光的结构层；
将所述雪崩探测器材料通过刻蚀、钝化、制作阵列、蒸镀电极、倒装焊工艺与CCD相连；
将衬底减薄，使其厚度与p型滤光层的厚度总和等于超棱镜的焦距；
在衬底上旋涂光刻胶掩膜，使用电子束曝光的方法形成图形，采用原子层沉积（ALD）技术沉积TiO2，用控制层反应离子刻蚀（controlled blanket RIE）技术去掉掩膜上的TiO2，随后清洗掩膜，然后涂覆一层气凝胶原液，超临界干燥，在气凝胶表面涂覆一薄层大分子膜，随后在其上沉积一层铝膜，涂覆光刻胶，曝光并显影，刻蚀纳米线形成微纳光栅阵列。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，
所述图像信号读取电路包含并不限于电荷耦合器件（CCD）读出电路。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，
所述雪崩探测器阵列探测中心波长包含紫外、可见光、红外；光线入射模式包含正入射和背入射；材料包含GaN、GaAs、InP、Si、AlGaAsSb、HgCdTe；工作模式包含线性模式和盖革模式。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，
所述纳米鳍阵列超棱镜的制备材料包含非晶态TiO2，Si材料；阵列的基本单元为轴对称型纳米鳍，形状包括立方体，椭圆柱；纳米鳍分布距离为亚波长量级；纳米鳍阵列包含5个变量，纳米鳍长轴长L，其中，0 μm<L<100 μm，短轴长W，其中，0 μm<W<L<100 μm，鳍高H，其中，0μm<H<100 μm，位于坐标（x,y）处的纳米鳍旋转角θ（x,y），其中，0<θ（x,y）<π，鳍间距A，其中，0 μm<A<100 μm。
10.根据权利要求6所述的一种集成型成像传感器的制备方法，其特征在于，
所述微纳光栅阵列的制备材料包含Au，Al，Ag金属，液晶材料以及PVA有机物；光栅阵列包含5个变量，光栅单元长轴长L g ，其中，0 μm<L g <100 μm，短轴长W g ，其中，0 μm<W g <L g <100 μm，栅高H g ，其中，0 μm<H g <100 μm，位于坐标（x,y）处的光栅旋转角θ g （x,y），其中，0<θ g （x,y）<π，光栅间距A g ，其中，0 μm< A g <100 μm。
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