CN109253804A - 一种单片集成长线列金属偏振光栅的InGaAs焦平面探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单片集成长线列金属偏振光栅的InGaAs焦平面探测器，其结构自下至上依次为硅基读出电路、铟柱互连层、InGaAs光敏芯片、SiO2介质层以及金属偏振光栅。所述金属偏振光栅由不同偏振取向的长线列亚波长金属光栅构成。本发明的优点在于：1、单片集成线列偏振光栅，结构紧凑，减小探测器体积；2、线列方式排布，能够有效避免不同偏振角度之间的串音问题，提高实际消光比；3、线列规模较大，可使探测器具有更大视场和更高分辨率；4、优化偏振探测单元设计，降低加工难度，增大光栅区域覆盖比例。
Description
技术领域
本发明是关于一种新型的光电探测器，具体涉及一种单片集成长线列金属偏振光栅的InGaAs焦平面探测器，它能够实现对目标的近红外偏振信息进行探测并具有较大视场和较高分辨率。
背景技术
铟镓砷(InGaAs)探测器在近红外波段内具有良好的性能，且能够在近室温条件下正常工作，被广泛应用于航天遥感、军事侦察和空间天文等领域。InGaAs焦平面探测器依据其光敏芯片中光敏元的排列形式可分为线列和面阵两种结构，可分别用于扫描和凝视红外系统。通过在光敏芯片表面制作亚波长金属光栅，能够实现对物体发出或反射的光的偏振信息进行探测。由于人造目标的偏振度远大于地物背景的偏振度，因此可以利用其偏振度差异在复杂背景中对目标进行识别，这进一步拓展了InGaAs焦平面探测器的应用范围。
目前，对于片上集成的亚波长偏振光栅主要有两种分布方式，一种是由一个0°偏振方向、一个45°偏振方向以及两个无偏振像元组成，另一种是由四个偏振方向组成，即0°、45°、90°和135°，并按照超像元的方式进行排布。这两种方式均能够通过计算完全得出Stokes向量中的S0、S1和S2三个参数。但由于此类分布方式会引入不同偏振角度光栅之间的串音问题，并且偏振光栅难以完全覆盖整个感光区域，因此实际制作出的偏振光栅，其消光比远低于理论数值，严重影响了探测器对目标偏振信息的探测能力。同时，随着红外焦平面探测器朝着大规模、小型化、集成化方向发展，以及对更大视场和更高分辨率的需求，现有微加工工艺难以在此类焦平面探测器上进行超像元排布方式的亚波长金属偏振光栅的生长，其工艺难度较大且成本很高。
因此，为了获得良好的近红外偏振信息探测性能，并使探测器具有较大视场的探测能力，对偏振探测单元的结构进行优化，研究单片集成长线列金属偏振光栅的InGaAs焦平面探测器具有非常重要的实际应用价值。
发明内容
针对上述提到的传统单片集成金属偏振光栅的InGaAs焦平面探测器所存在的问题和发展需求，本发明创新性的提出了一种单片集成长线列金属偏振光栅的InGaAs焦平面探测器。
本发明是在传统的单片集成金属偏振光栅InGaAs焦平面探测器基础上进行结构和技术改进，首先采用线列方式对金属偏振光栅进行排布，从而有效避免原有的不同偏振角度之间的串音问题，提高实际消光比；其次线列规模较大，使探测器具有很大的视场和很高的分辨率；再者优化了偏振探测单元结构，降低了加工难度，并增大了光栅区域覆盖比例，从而降低TE波透过率。
本发明的侧面结构示意图如图1所示，俯视结构示意图如图2所示，它由硅基读出电路1、铟柱互连层2、InGaAs光敏芯片3、SiO2介质层4和金属偏振光栅5组成，其中金属偏振光栅5由A、B、C、D四种不同偏振取向的线列光栅组成，所述四种不同偏振取向的线列光栅的角度依次为0°、45°、90°和135°，E为与每条线列光栅等同面积的无偏振光敏元区域。
所述InGaAs焦平面探测器的结构为：在硅基读出电路1上依次为铟柱互连层2、InGaAs光敏芯片3、SiO2介质层4和金属偏振光栅5，其中金属偏振光栅5的每条线列光栅均位于InGaAs光敏芯片3中光敏元的正上方，并将其完全覆盖；
所述的InGaAs光敏芯片3的厚度为50～150μm；
所述的SiO2介质层4厚度为50～200nm；
所述的金属偏振光栅5材料为Al、Au或Ag，光栅周期300～1000nm，栅条线宽200～400nm，其中每条线列光栅的长度为2～4cm，宽度为20～50μm，间距为10～100μm；
所述偏振探测单元的一个周期由四条不同偏振取向的线列光栅以及一个与单条线列偏振光栅等同面积的无偏振光敏元区域组成，其中无偏振光敏元区域充当背景以计算线列偏振光栅的透过率，并且根据探测器规模和实际需求，在SiO2介质层4表面或设置多个偏振探测单元周期；
所述四种不同偏振取向的线列光栅的角度依次为0°、45°、90°和135°，其中对于0°线列偏振光栅，采用分段集成方式生长，每段光栅横向间隔0.5～2μm，以保证其具有良好形貌。
本发明的优点在于：
A.单片集成线列偏振光栅，结构紧凑，减小探测器体积；
B.线列方式排布，能够有效避免不同偏振角度之间的串音问题，提高实际消光比；
C.线列规模较大，可得到很大的视场和很高的分辨率；
D.优化偏振探测单元设计，降低加工难度，增大光栅区域覆盖比例。
附图说明
图1为本发明的侧面结构示意图。
图2为本发明的俯视结构示意图。
图中：
1——硅基读出电路；
2——铟柱互连层；
3——InGaAs光敏芯片；
4——SiO2介质层；
5——金属偏振光栅。
具体实施方式
以下结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的说明，但是不作为本发明的限定。
实施例一：
参见图1和图2，在背照射InGaAs焦平面探测器上集成长线列亚波长金属偏振光栅，InGaAs光敏芯片3厚度为100μm，SiO2介质层4厚度为100nm，金属偏振光栅5的材料为Al，周期为600nm，栅条线宽300nm，厚100nm，每条线列光栅的长度为3.1cm，宽度为40μm，间距为20μm，其中每段0°线列偏振光栅的横向间隔为0.5μm；
实施例二：
参见图1和图2，在背照射InGaAs焦平面探测器上集成长线列亚波长金属偏振光栅，InGaAs光敏芯片3厚度为120μm，SiO2介质层4厚度为110nm，金属偏振光栅5的材料为Ag，周期为800nm，栅条线宽320nm，厚150nm，每条线列光栅的长度为2.7cm，宽度为35μm，间距为15μm，其中每段0°线列偏振光栅的横向间隔为1μm；
实施例三：
参见图1和图2，在背照射InGaAs焦平面探测器上集成长线列亚波长金属偏振光栅，InGaAs光敏芯片3厚度为80μm，SiO2介质层4厚度为90nm，金属偏振光栅5的材料为Au，周期为400nm，栅条线宽200nm，厚120nm，每条线列光栅的长度为3.8cm，宽度为20μm，间距为20μm，其中每段0°线列偏振光栅的横向间隔为1.5μm。
Claims (1)
1.一种单片集成长线列金属偏振光栅的InGaAs焦平面探测器，包括硅基读出电路(1)、铟柱互连层(2)、InGaAs光敏芯片(3)、SiO2介质层(4)和金属偏振光栅(5)，其特征在于：
所述InGaAs焦平面探测器的结构为：在硅基读出电路(1)上依次为铟柱互连层(2)、InGaAs光敏芯片(3)、SiO2介质层(4)和金属偏振光栅(5)，其中金属偏振光栅(5)的每条线列光栅均位于InGaAs光敏芯片(3)中光敏元的正上方，并将其完全覆盖；
所述的InGaAs光敏芯片(3)的厚度为50～150μm；
所述的SiO2介质层(4)厚度为50～200nm；
所述的金属偏振光栅(5)材料为Al、Au或Ag，光栅周期300～1000nm，栅条线宽200～400nm，其中每条线列光栅的长度为2～4cm，宽度为20～50μm，间距为10～100μm；
所述偏振探测单元的一个周期由四条不同偏振取向的线列光栅以及一个与单条线列偏振光栅等同面积的无偏振光敏元区域组成，其中无偏振光敏元区域充当背景以计算线列偏振光栅的透过率，并且根据探测器规模和实际需求，在SiO2介质层(4)表面或设置多个偏振探测单元周期；
所述四种不同偏振取向的线列光栅的角度依次为0°、45°、90°和135°，其中对于0°线列偏振光栅，采用分段集成方式生长，每段光栅横向间隔0.5～2μm，以保证其具有良好形貌。
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