CN109686806A - 一种可见光至近红外集成的光谱探测器装置及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可见光至近红外的单芯片集成的光谱探测器装置及制备方法，其中，该装置包括：外延片，包括上部的N接触层；胶状量子点阵列组成的胶状量子点滤光层，位于N接触层上。其制备方法中，胶状量子点由可以吸收可见光至近红外波段的硫化镉、硒化镉、硫化铅量子点纳米颗粒与对苯二胺混合后溶入高分子聚合物聚乙烯醇缩丁醛氯仿溶液中制成。本发明提供的焦平面器件的优点在于能够将多个不同波段的入射光进行分立同步采集，利用波长复用原理对原始光谱进行重建，同时获取多个波段的目标信息，有效地消除多色探测目标时遇到的干扰，提高对目标的高分辨效果。
Description
技术领域
本发明涉及红外探测与成像技术领域，更具体地说，本发明涉及可见光至近红外的单芯片集成的高光谱探测器的制备方法。
背景技术
红外探测器是将入射的红外辐射信号转变成为电信号的器件，可以捕捉人眼察觉不到的红外光并以电信号的形式进行输出。实现红外探测的材料和器件主要包括基于热效应的热释电探测器，基于光电效应的光电探测器，以及基于石墨烯、碳纳米管，量子点的新材料探测器等。目前，光电探测器的技术最为成熟，基于光电技术的红外探测器小型化后可制备成为密集的探测器阵列，也就是红外焦平面，焦平面是红外相机的核心元件，其在夜视成像、天文观测、医疗通讯、矿物勘探、化学化工、城市热流分析以及军事等方面，具有重要的应用价值。
近年来，高光谱红外成像技术引起了许多公司和研究机构的兴趣。在探测器的实际应用中，探测器的响应波段一般是一个较大的范围，而实际探测器的目标往往有一段很强的较窄红外波段，因此直接用探测器观测目标将会有较大的噪声。另外，用整体宽谱的探测器去观测目标，无法区分目标在不同波段辐射分布的细节特征；而分离的同时探测系统能够同时对目标原始光谱拟合重建，成像内容更凸显细节，能够得到更加精确的分析结果。
目前，实现高光谱红外成像的手段主要是基于色散、干涉等光学原理，在探测器前面加入光栅、光学薄膜、标准具等光学系统，形成一系列窄带光学滤光片或者透镜系统，选择性透过入射光中特定波段成分，再利用后面的探测器测量其光谱信息，从而实现多个波段同时成像的目的。但这种设计非常复杂，以光学滤光片为例，其尺寸受到有效光程的限制，难以实现微型化、高分辨率，并且每添加一个需要探测的波段就要在系统中多加一个对应的滤光片，这样大幅增加了系统的制备成本、体积和复杂程度；另外，入射光中大部分能量被滤光片和透镜系统阻挡，难以满足低功率下的光谱测量和成像分析。
发明内容
(一)要解决的技术问题
基于以上技术问题，本发明提供了一种可见光至近红外集成的光谱探测器的制备方法，从而解决了以往多色成像系统结构复杂，成像速度慢、成本较高、集成度低、分辨能力弱等问题。
(二)技术方案
一种可见光至近红外集成的光谱探测器，主体包括可见光拓展的InGaAs焦平面阵列和能选择透射入射光谱的量子点滤光层。
一种可见光至近红外集成的光谱探测器装置，该装置包括：
外延片，包括上部的N接触层；
胶状量子点阵列组成的胶状量子点滤光层，位于N接触层上。
其中，外延片为p-i-n结构的以InP为基底的InGaAs红外探测器外延片。
N接触层厚度在100nm以下。
量子点滤光层通过胶状量子点阵列实现，该胶状量子点阵列中包含多个区域，每一个区域作为一个量子点滤光器，同一个量子点滤光器的量子点结构、尺寸和材料组成相同，其中，所述量子点尺寸为1nm-50nm，但是不同于其他任意一个量子点滤光器。
进一步的，胶状量子点阵列中含有多个量子点滤光器，排列在焦平面入光面上。
一种可见光至近红外集成的光谱探测器的制备方法，具体为：
步骤1：在InGaAs焦平面探测器的外延片生长中，原探测器主要结构不变，只将探测器的InPN接触层厚度控制在100nm以下，并在N接触层下方加入牺牲层；
步骤2：沿用InGaAs光电探测器制备工艺，制备焦平面阵列，并完成与读出电路的倒扣；
步骤3：在倒扣完成后，对焦平面的背面，用机械磨抛和化学腐蚀相结合的方法对探测器的外延片进行减薄，用腐蚀液分别去除InP衬底和牺牲层；
步骤4：在去除衬底后和牺牲层后的探测器背面设计需要喷涂的量子点阵列框图并图形化；
步骤5：在阵列中不同区域内喷墨打印含有不同结构、尺寸和材料组成量子点的滤光器，并固化；
步骤6：按实际使用要求进行封装，至此一种可见光至近红外集成的光谱探测器制备完成。
其中，牺牲层与InP晶格匹配。
量子点为硫化镉、硒化镉或者硫化铅量子点纳米颗粒与对苯二胺按比例混合后溶入高分子聚合物聚乙烯醇缩丁醛氯仿溶液中形成。
进一步的，高分子聚合物使用聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、或聚乳酸代替。
进一步的，通过提高InGaAs焦平面探测器的像元数量、或增加胶状量子点阵列中量子点滤光器的数量、或优化拟合算法提高探测分辨率和探测范围，其中，增加胶状量子点阵列中量子点滤光器的数量的方式具体包括：一个量子点滤光器对应一个探测元，即量子点滤光器的数量等于焦平面中探测元的数量，拟合算法采用最小二乘法或者其他算法。
器件制备完成后，可以进一步与透镜、读出电路相结合，形成可实用的可见光至近红外的单芯片集成的高光谱成像系统。
(三)有益效果
本发明提供的这种可见光至近红外的单芯片集成的光谱探测器的制备方法，与一般的利用外置透镜光学系统来实现高光谱成像的红外系统相比，具有以下突出的优点：
1.本发明制备的可见光至近红外的单芯片集成的光谱探测器，量子点滤光器对原始光谱的选择透射可以根据量子点的结构尺寸、组成成分来连续可调，满足实际的工作需求。
2.胶状量子点滤光层的制备工艺简单，降低了制备成本和缩短了工艺周期，并且不受有效光程的限制，利于探测系统的小型化、便携化。
3.胶状量子点多波段可见光至近红外焦平面探测器是在焦平面入光面设置胶状量子点滤光层制成，不同透射波段的信号统一通过读出电路分区域读出，与焦平面集成为统一的多路、高速、同步、实时的采集器件，为成像系统设计提供更高的成像质量与更多的设计自由度。
附图说明
图1为本发明实施例中，探测器外延片的结构示意图；
图2为本发明实施例中，制备出探测器阵列并与读出电路倒扣的示意图；
图3为本发明实施例中，倒扣后的探测器阵列去除衬底和牺牲层后的示意图；
图4为本发明实施例中，在去除衬底和牺牲层后的探测器入光面上设置胶状量子点滤光层的示意图；
图5为本发明实施例中，在焦平面上喷涂的胶状量子点阵列正视图，阵列包含8×10即80个区域，也即80个量子点滤光器；
图6为本发明实施例中，胶状量子点阵列中任取某一个量子点滤光器的示意图，区域内部包含随机分布的量子点和充斥在量子点周围的有机物。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明实施例提供了一种可见光至近红外集成的光谱探测器装置，该装置包括：
外延片，包括上部的N接触层；
胶状量子点阵列组成的胶状量子点滤光层，位于N接触层上。
该装置中，外延片为p-i-n结构的以InP为基底的InGaAs红外探测器外延片。
该装置中，N接触层厚度在100nm以下。
该装置中，量子点滤光层通过胶状量子点阵列实现，该胶状量子点阵列中包含多个区域，每一个区域作为一个量子点滤光器，同一个量子点滤光器的量子点结构、尺寸和材料组成相同，其中，所述量子点尺寸为1nm-50nm，但是不同于其他任意一个量子点滤光器。
进一步的，胶状量子点阵列中含有多个量子点滤光器，排列在焦平面入光面上。
本发明还提出了一种可见光至近红外集成的光谱探测器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在InGaAs焦平面探测器的外延片生长中，原探测器主要结构不变，只将探测器的N接触层厚度控制在100nm以下，并在N接触层下方加入牺牲层。
其中，牺牲层与InP晶格匹配。参见附图1所示为一个典型的InGaAs光电探测器外延片结构示意图，外延片使用金属有机化学气相沉积MOCVD或分子束外延MBE设备生长。按照图例说明，外延片主要结构包括P接触层1——P型掺杂帽层，帽层为InP或InGaAsP或InGaAs，厚度在50nm到300um之间，光吸收层2——InGaAs吸收层，N接触层3——N型掺杂InP，牺牲层4——牺牲层InGaAs或InGaAsP，和衬底5——衬底InP。其中N接触层的厚度要求小于100nm，掺杂InP的N接触层的厚度足够薄以减少InP对可见光的吸收。
步骤2：沿用InGaAs光电探测器制备工艺，制备焦平面阵列，并完成与读出电路的倒扣。
参见附图2所示为InGaAs焦平面器件外延片通过铟柱6与读出电路7完成键合的结果。
步骤3：在倒扣完成后，对焦平面的背面，用机械磨抛和化学腐蚀相结合的方法对探测器的外延片进行减薄，用腐蚀液分别去除InP衬底和牺牲层。
参见附图3所示为InGaAs焦平面在倒扣之后，首先通过机械磨抛将背面的InP衬底减薄到100nm以下，然后使用盐酸与磷酸配比的腐蚀液从InGaAs上选择性去除InP，再使用柠檬酸与双氧水配比的腐蚀液从InP上选择性去除，这样，入光面上仅留存100nm以下的InP。
步骤4：在去除衬底后和牺牲层后的探测器背面设计需要喷涂的量子点阵列框图并图形化。参见附图4所示为在焦平面的入光面上喷墨打印胶状量子点阵列组成的滤光层8，用以在不同区域选择性地透射原始光谱。
步骤5：在阵列中不同区域内喷墨打印含有不同结构、尺寸和材料组成量子点的滤光器，并固化。
具体的，该装置中，量子点滤光层通过胶状量子点阵列实现，该量子点阵列中包含多个区域，每一个区域作为一个量子点滤光器，同一个量子点滤光器的量子点结构、尺寸和材料组成相同，其中，量子点尺寸为1nm-50nm，但是不同于其他任意一个量子点滤光器。
胶状量子点不同结构、尺寸和材料组成根据要选择透射的波段来确定。
胶状量子点阵列中含有多个量子点滤光器，排列在焦平面入光面上，利用波长复用原理，不同的量子点滤光器同时选择性透射原始入射光谱，通过不同透射信息拟合重建出原始光谱。
参见附图5为量子点滤光层的正视图，阵列包含8×10即80个区域；图例中9为焦平面；图例中10为阵列中任取的一个量子点滤光器；阵列中同一个量子点滤光器的量子点的结构、尺寸和材料组成是相同的，但是不同于其他任意一个量子点滤光器的量子点；阵列中不同的量子点滤光器同时选择性透射原始入射光谱，透射光被相对应的探测焦平面探测到，结合读出电路读出入射光信号。
完成该装置的制备方法中，量子点为硫化镉、硒化镉或者硫化铅量子点纳米颗粒与对苯二胺按比例混合后溶入高分子聚合物聚乙烯醇缩丁醛氯仿溶液中形成。
其中，高分子聚合物可使用聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、或聚乳酸代替。参见附图6为胶状量子点阵列中任取某一个区域的示意图。图例11为区域内部中随机分布的硫化镉(CdS)、硒化镉(CdSe)或者硫化铅(PbS)量子点纳米颗粒，图例中12为充斥在量子点周围的有机物PPD(p-phenylenediamine，对苯二胺)和高分子聚合物PVB(p-polyvinylbutyral，聚乙烯醇缩丁醛)。
进一步的，通过提高InGaAs焦平面探测器的像元数量、或增加胶状量子点阵列中量子点滤光器的数量、或优化拟合算法提高探测分辨率和探测范围，其中，增加胶状量子点阵列中量子点滤光器的数量的方式具体包括：一个量子点滤光器对应一个探测元，即量子点滤光器的数量等于焦平面中探测元的数量，拟合算法采用最小二乘法或者其他算法。
以上所述的具体实施例，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，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，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)
1.一种可见光至近红外集成的光谱探测器装置，其特征在于，所述装置包括：
外延片，包括上部的N接触层；
胶状量子点阵列组成的胶状量子点滤光层，位于所述N接触层上。
2.根据权利要求1所述的可见光至近红外集成的光谱探测器装置，其特征在于，所述外延片为p-i-n结构的以InP为基底的InGaAs红外探测器外延片。
3.根据权利要求1或2所述的可见光至近红外集成的光谱探测器装置，其特征在于，所述N接触层的厚度在100nm以下。
4.根据权利要求1所述的可见光至近红外集成的光谱探测器装置，其特征在于，所述的量子点滤光层通过胶状量子点阵列实现，所述胶状量子点阵列中包含多个区域，每一个区域作为一个量子点滤光器，同一个量子点滤光器的量子点结构、尺寸和材料组成相同，其中，所述量子点尺寸为1nm-50nm，但是不同于其他任意一个量子点滤光器。
5.根据权利要求1或4所述的可见光至近红外集成的光谱探测器装置，其特征在于，所述胶状量子点阵列中含有多个量子点滤光器，排列在焦平面入光面上。
6.一种可见光至近红外的单芯片集成的光谱探测器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
步骤1：在InGaAs焦平面探测器的外延片生长中，原探测器主要结构不变，只将探测器的N接触层厚度控制在100nm以下，并在N接触层下方加入牺牲层；
步骤2：沿用InGaAs光电探测器制备工艺，制备焦平面阵列，并完成与读出电路的倒扣；
步骤3：在倒扣完成后，对焦平面的背面，用机械磨抛和化学腐蚀相结合的方法对探测器的外延片进行减薄，用腐蚀液分别去除InP衬底和牺牲层；
步骤4：在去除衬底后和牺牲层后的探测器背面设计需要喷涂的量子点阵列框图并图形化；
步骤5：在阵列中不同区域内喷墨打印含有不同结构、尺寸和材料组成量子点的滤光器，并固化；
步骤6：按实际使用要求进行封装，至此一种可见光至近红外的单芯片集成的光谱探测器制备完成。
7.根据权利要求6所述的可见光至近红外集成的光谱探测器的制备方法，其特征在于，所述牺牲层与InP晶格匹配。
8.根据权利要求6所述的可见光至近红外集成的光谱探测器的制备方法，其特征在于，所述量子点为硫化镉、硒化镉或者硫化铅量子点纳米颗粒与对苯二胺按比例混合后溶入高分子聚合物聚乙烯醇缩丁醛氯仿溶液中形成。
9.根据权利要求6或8所述的可见光至近红外集成的光谱探测器的制备方法，其特征在于，所述高分子聚合物使用聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、或聚乳酸代替。
10.根据权利要求6所述的可见光至近红外集成的高光谱探测器的制备方法，其特征在于，通过提高InGaAs焦平面探测器的像元数量、或增加胶状量子点阵列中量子点滤光器的数量、或优化拟合算法提高探测分辨率和探测范围，其中，所述增加胶状量子点阵列中量子点滤光器的数量的方式具体包括：一个量子点滤光器对应一个探测元，即量子点滤光器的数量等于焦平面中探测元的数量，所述拟合算法采用最小二乘法或者其他算法。
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