CN112840187B - 具有串扰限制装置的多光谱成像传感器 - Google Patents

Abstract

混合多光谱成像传感器，其特征在于它包括背面照射光敏探测器(DET)和滤光模块(MF)，所述背面照射光敏探测器在由InP构成的衬底(100)上制成并且由像素(105、P1、P2、P3)的矩阵形成，所述像素本身是在基于InGaAs的结构(103)中制成的，所述滤光模块由再现像素的所述矩阵的基本滤光器(λ1、λ2、λ3)的矩阵形成并且被置成接触所述衬底(100)，由InP构成的所述衬底(100)具有小于50μm优选小于30μm的厚度。

Description

具有串扰限制装置的多光谱成像传感器

技术领域

本发明涉及具有串扰限制装置的多光谱成像传感器。

背景技术

光谱分析的目的尤其在于研究构成固体、液体或气体介质的化学成分。这涉及记录介质在反射或透射时的吸收光谱。与所述介质相互作用的光在某些波段被吸收。这种选择性吸收是介质中某些或全部成分的特征。所测量的光谱的波长范围可包括紫外线范围和/或可见光范围和/或(近、中或远)红外线范围。

这种分析通常是借助于光谱仪进行的。

某些光谱仪使用至少一个法布里-珀罗滤光器。

应注意的是，这种滤光器为在两个镜之间称为“间隔物”的材料(通常是低折射率的材料，比如空气、二氧化硅等)的平行面板。这种滤光器通常是在真空中通过薄层沉积来制作的。从而，对于通带以中心波长λ为中心的滤光器，第一镜由m层交替的高折射率材料H和低折射率材料B组成，每层具有λ/4的光学厚度。该镜也可以是半反射薄金属层。间隔物经常由两层低折射率材料B组成，每层具有λ/4的光学厚度。一般来说，第二镜与第一镜是对称的。改变间隔物的几何厚度使滤光器能够被调谐到对其来说光学厚度等于λ/2的倍数的中心波长。

一种已知的技术基于每个待分析的波段包括一个滤光器的滤光模块。如果波段的数量为n，那么制作n个滤光器需要n个不同的真空沉积制备操作。于是，短期生产运行的成本非常高(几乎与波段数n成正比)，仅仅对于足够长时间的生产运行，成本才真正具有优势。此外，在这种构型下，小型化的可能性也非常有限，而且很难设想提供大量的滤光器。

最近研发的一种替代方法是使用法布里-珀罗式滤光模块，在所述滤光模块中，两个镜不再是平行的，而是在垂直于衬底的平面上的轮廓为楔形。在引用为Oxy的该平面中，轴Ox和Oy分别与衬底共线，并且垂直于衬底，间隔物在Oy方向的厚度随在Ox方向的被测位置而线性变化。

文献US 2006/0209413教导了一种包括这种滤光模块的波长光谱设备。这样就该设备来说，波长在轴Ox方向连续变化。

当研究连续光谱时，这些不同的技术使得能够以满意的光谱分辨率分析物品。

这些不同的技术也非常适合于有限数量的较窄通带(即，离散的频谱而不是连续的频谱)足以识别所研究的成分的情况。

然而，这些技术将待分析的物品视为不可分离的实体，即，不可空间分解的实体，并且它们不适合于识别物品本身内部的光透射或反射的变化。

从而，文献FR 2904432教导了一种滤光矩阵结构和关联的图像传感器。在该文献中，目的是为了获得不同的颜色。事实上，基于从可见光谱中提取的三原色(红、绿、蓝)，就可能再现大多数颜色。

在该文献中，使用布置在探测器矩阵的表面的滤光器矩阵。在该文献中，滤光器矩阵是“拜耳”矩阵，但这对本发明来说并不重要。探测器矩阵是有源像素传感器互补金属氧化物半导体(APS CMOS)矩阵。该矩阵是在半导体衬底上实现的，在半导体衬底的表面布置有光敏区、电子线路和电气连接。

在单元像素上，光敏区仅代表像素总面积的一小部分，所述面积的剩余部分被控制电子器件占据。于是，必须每个像素一个地设置微透镜，以便将入射光聚焦到像素的光敏区。滤光器矩阵是与探测器接触地布置的，使得所产生的组合件是由包含探测器-滤光器-微透镜的堆栈组成的组件的形式。

具体地，由于所述微透镜的拓扑结构非常明显，因此不可能设想将滤光器矩阵沉积在微透镜上。此外，微透镜由树脂制成，于是难以在有机材料上制造无机滤光器。

不幸的是，当滤光器被布置在微透镜下时，入射光束在滤光器上的孔径角较大。滤光器的响应与入射角密切相关。这导致光谱响应的改变。

关于这个主题，文献US 2014/0268146教导了带有集成的带通滤光器的微透镜的网络，其中添加了一个探测器。此外，在微透镜网络与探测器之间有一个偏向器。

为了避免滤光器上的入射角的问题，可以设想省略微透镜。然而，光敏区的面积与像素的总面积相比较小。利用微透镜所获得的灵敏度增益约为50％。于是，因省略微透镜而失去灵敏度似乎并不恰当。

还应该提到的是，这种组件的制备效率较低。总效率实质上等于以下三种效率的乘积：

-探测器制备效率；

-滤光器矩阵制备效率；和

-微透镜网络制备效率。

结果，倍增制备操作的数量会相应地降低总制备效率。

于是，文献WO2017/187029公开一种不存在上述限制的多光谱成像设备。

该多光谱成像设备包括：

-由像素矩阵形成的光敏探测器；

-再现所述像素矩阵的微透镜网络；和

-由再现所述像素矩阵的单元滤光器的矩阵形成的滤光模块；

-微透镜网络是直接接触探测器地布置的；和

-滤光模块制作于安装成与微透镜网络接触的衬底上。

该探测器的问题在于它是使用CMOS(硅)技术生产的，于是它仅适用于可见和近红外光谱，即大约在400纳米(nm)到1000nm范围内。

为了在红外端扩展光谱，现在普遍使用由铟镓砷化物(InGaAs)制成的探测器。这样就有可能达到2500nm。

参考图1，这种探测器DET从而是从发生照射的背面开始制作的。

例如由厚度约300微米(μm)的磷化铟(InP)制成的衬底100具有由入射辐射照射的背面101。在衬底的正面102上是基于光敏InGaAs的外延生长结构103，在该结构上有多个像素，只完整地表示了其中的一个像素(105)。在所述像素105上有用来收集在所述像素内产生的电子的第一金属接点107。接点107被显示在像素上的这个位置是为了使图更容易理解，不过它也可能位于其他地方，像素内产生的电荷然后通过金属迹线被路由到接点107。

像素105由在硅衬底上实现的读取电路110读取。从而，在该衬底上，存在通过“凸块”112，即焊料球连接到第一金属接点107的第二金属接点111。

理论上，于是可以将滤光模块安装成InP衬底接触。不幸的是，据披露这种设备不起作用。具体地，由于像素的大小一般约为10μm，并且由于由InP衬底的厚度所造成的距离一般约为300μm，因此串扰如此之高，以至于它妨碍从像素获得可用的测量信号。

发明内容

从而，本发明的目的是提供一种对于大于1000nm且一直到2200nm的波长起作用的混合多光谱成像传感器。

本发明提供一种混合多光谱成像传感器，包括：

-背面照射光敏探测器，背面照射光敏探测器在由InP构成的衬底上制成并且由像素的矩阵形成，像素本身在基于InGaA的结构中制成；

-滤光模块，滤光模块由再现像素的矩阵的基本滤光器(λ1、λ2、λ3)的矩阵形成并且与衬底接触；

-由InP构成的衬底具有小于50μm，并且还优选地小于30μm的厚度。

从而大大减少串扰现象。

Heng-jing Tang的题为“The novel dual-waveband SWIR InGaAs FPAs withmonolithic integration filter microstructure”的科技论文(发表于OpticalComponents and Materials，actes de Spie，Vol.8982)描述一种光学探测器，它基于在通过外延法沉积在InP衬底上的一层InGaAs中形成的光电二极管，并且包括在同一InP衬底上通过蒸气沉积的多层中形成的法布里-珀罗腔。然而该传感器是通过单片集成获得的。

有利的是，本发明的传感器的滤光模块围绕所述探测器的周边粘接到所述探测器。

优选地，所述滤光模块具有对准图案。

特别地，滤光模块和在InP衬底上制成的光敏探测器在并行制备工艺期间以形成两个分离的元件的方式被独立地制备，随后将滤光模块安装成接触InP衬底，并通过诸如粘合剂之类的固定手段固定到InP衬底上，使得获得顺序包括滤光模块、InP衬底和光敏探测器的混合结构。

从而，本发明的成像传感器起背面传感器的作用，即，待检测的辐射在辐照光敏探测器之前，先通过所述探测器的InP衬底。例如，滤光模块由被间隔物隔开的两个镜组成，所述滤光模块包括多个滤光单元，每个所述滤光单元包含至少两个滤光器。

从而，所述滤光器中的至少一个具有带通传递功能。

按照附加特性，所述滤光单元中的至少一些在第一条带中对齐。

类似地，所述滤光单元中的至少一些在平行于第一条带而与第一条带不相交的第二条带中对齐。

在优选实施例中，所述滤光器中的至少两个相邻的滤光器由串扰屏障隔开。

可选地，所述滤光器中的至少一个是全色的。

通常，所述探测器被安装到读取电路上。

有利的是，使用CMOS技术集成所述读取电路。

在第一种选择中，通过抛光使由InP构成的衬底变薄。

在第二种选择中，通过蚀刻使由InP构成的衬底变薄。

附图说明

从参考附图以举例的方式给出的实施例的以下说明，将更详细地显现本发明，附图中：

-图1是在InP衬底上制成的已知探测器的示图；

-图2是一维滤光单元的理论示图，更具体地：

-图2a是所述单元的平面图；

-图2b是所述单元的剖视图；

-图3a至3c表示制作滤光模块的实施例的三个步骤；

-图4是二维滤光模块的理论示图；

-图5是表示具有64个滤光器并且具有屏蔽网格的滤光模块的示图；

-图6是其中每个单元都具有9个滤光器的滤光模块的示图。

-图7是本发明的设备的剖视图；

-图8表示用来形成探测器的设备。

出现在不止一个图中的元件在所有图中被赋予相同的附图标记。

具体实施方式

本说明从具有在衬底SUB上形成的多个大致相同的滤光单元的滤光模块开始。

参考图2a和2b，滤光单元包括相继对齐，以便形成条带的三个法布里-珀罗式干涉滤光器FP1、FP2、FP3。

所述单元由在滤光单元的所述衬底SUB上的堆栈组成，所述衬底例如由玻璃、二氧化硅或硅构成，所述堆栈由第一镜MIR1、间隔物SP和第二镜MIR2构成。

限定每个滤光器的中心波长的间隔物SP从而对于任何给定滤光器是恒定的，并因滤光器而异。其轮廓是阶梯状的，因为每个滤光器具有基本上矩形的表面。

下面举例给出一种利用薄层技术制作滤光模块的有利方法。

参考图3a，该方法首先在衬底SUB上沉积第一镜MIR1，然后沉积用于定义间隔物SP的电介质层或一组电介质层TF。所述镜是金属的或者电介质的。

参考图3b，蚀刻电介质层TF：

-在第一步骤中在第二和第三滤光器FP2和FP3处蚀刻，以便限定间隔物SP在第二滤光器FP2处的厚度；和

-在第二步骤中在第三滤光器FP3处蚀刻，以便限定所述间隔物在第三滤光器处的厚度。

在第一滤光器FP1处，间隔物SP具有沉积厚度。

参考图3c，在间隔物SP上沉积第二镜MIR2，以便最终形成三个滤光器。

间隔物SP可以通过沉积电介质TF然后进行如上所述的相继蚀刻来获得，不过也可以通过相继沉积多个薄层来获得。

例如，通过改变间隔物的光学厚度，可以扫描900nm至2000nm的波长范围。

此时应注意的是，间隔物的厚度需要小到足以在要探测的范围内只获得一个透射波段。具体地，厚度越大，满足条件[ne＝kλ/2]的波长的数量越大。

从而，本发明使得能够制作一组对齐的滤光器，这些滤光器从而可以在一维空间中被引用。

参考图4，本发明还使得能够在二维空间中组织滤光单元。这种组织通常被称为矩阵。

四个相同的水平条带中的每一个包含四个单元。第一个条带，即在图中顶部所示的条带，对应于矩阵的第一行，包含单元IF11～IF14。第二、第三、第四个条带分别包含单元IF21～IF24、滤光器IF31～IF34和单元IF41～IF44。

这种组织被称为矩阵，因为单元IFjk属于第j个水平条带，也属于包含单元IF1k、IF2k、…、IF4k的第k个垂直条带。

参考图5，为了避免一个滤光器在与之相邻的滤光器上的部分重叠，并且为了尽量减少任何串扰问题，可取的对滤光模块的各个滤光器进行很好地分隔。为了实现这一点，可以在滤光模块上添加网格(图中用黑色表示)，以便形成用于对所有滤光器定界的串扰屏障。所述网格应具有吸收性。例如，通过沉积并蚀刻黑铬(铬+氧化铬)可制作吸收性网格，而通过沉积并蚀刻铬可制作反射性网格。

参考图6，每个滤光单元变为有具有9个滤光器。这些单元每一个都是正方形的形式，位于其中的对应滤光器被调谐到不同波长λ1、λ2、λ3、λ4、…、λ9。

在该图中，为了清楚起见，与两个滤光器之间的间距相比，主动增大了单元之间的间距。当然，在实际中，这些间距是相同的。

滤光模块从而与能够测量由各种滤光器产生的光通量的探测器相关联。

参考图7，再说明图6中所述的滤光模块MF。

使用如在本申请的介绍中所述的InP衬底上的InGaAs技术制作探测器DET。

滤光模块MF接触InP衬底地靠在探测器DET上，使得滤光器λ1、λ2、λ3面向像素P1、P2、P3，并被置于探测器DET的InP衬底和滤光模块的衬底SUB之间。

这样，将像素与滤光器隔开的距离被降至最小，并且可被减小到InP衬底的厚度，串扰也被降至最小。

定位该模块MF是通过校准图案进行的，这是一种为光刻领域的技术人员已知的技术，于是下面不再更详细地说明。

通过粘合剂镶边ST，滤光模块MF被固定到探测器DET。

特别地，滤光模块MF是在例如由玻璃、二氧化碳或硅构成的第一种衬底上制成的，探测器DET是在第二种衬底上制成的，在本例中，第二种衬底由InP构成，这两个元件被装配在一起从而形成成像传感器的混合结构。

为澄清起见，规定像素通常具有约15微米的尺寸。

此外，自然很好理解的是，InP基板100需要做得较薄。为了实现这一点，提出两种解决方案。

第一种解决方案在于将衬底机械抛光到约20μm～30μm的厚度。

在第二种解决方案中，参考图8，在InP衬底上生长阻挡层108，随后通过外延生长InP薄层109。

随后在所述薄层109上生长InGaAs有源层103。

从而必须通过选择性蚀刻，将衬底100蚀刻到阻挡层108，随后也通过选择性蚀刻对所述阻挡层进行蚀刻。这使得获得InP衬底109的所需厚度。

由于其具体性质，选择了本发明的上述实施例。然而，不可能详尽地列出本发明所涵盖的所有可能实施例。特别地，自然可以用等同手段替换描述的任何手段，而不超出本发明的范围。

Claims (12)

1.一种混合多光谱成像传感器，包括：

-背面照射光敏探测器(DET)，所述背面照射光敏探测器在由InP构成且具有背面(101)和正面(102)的第一衬底(100)上制成，并且所述背面照射光敏探测器由像素(105、P1、P2、P3)的矩阵形成，所述像素本身是在基于InGaAs，并通过外延沉积在由InP构成的第一衬底(100)的正面上的结构(103)中制成的；和

-滤光模块(MF)，所述滤光模块由再现像素的所述矩阵的基本滤光器(λ1、λ2、λ3)的矩阵形成，并且所述滤光模块由堆栈构成，所述堆栈由利用间隔物(SP)隔开的第一镜(MIR1)和第二镜(MIR2)构成，所述滤光模块定义多个滤光单元(IF11、IF12、…、IF44)，每个滤光单元包含至少两个滤光器(FP1、FP2、FP3)；

所述混合多光谱成像传感器的特征在于：

-所述滤光模块(MF)形成于第二衬底(SUB)上，在第二衬底上已顺序沉积第一镜(MIR1)、间隔物(SP)和第二镜(MIR2)；

-第二镜(MIR2)被安装成接触所述第一衬底(100)，从而形成对于大于1000nm且一直到2200nm的波长起作用的混合多光谱成像传感器；和

-由InP构成的所述第一衬底(100)具有小于50μm的厚度。

2.按照权利要求1所述的传感器，其特征在于所述滤光模块(MF)围绕所述探测器(DET)的周边粘接到所述探测器(DET)。

3.按照权利要求2所述的传感器，其特征在于所述滤光模块(MF)具有对准图案。

4.按照权利要求3所述的传感器，其特征在于所述滤光器(FP1、FP2、FP3)中的至少一个具有带通传递函数。

5.按照权利要求4所述的传感器，其特征在于所述滤光单元中的至少一些滤光单元(IF11、IF12、IF13、IF14)在第一条带中对齐。

6.按照权利要求5所述的传感器，其特征在于所述滤光单元中的至少一些滤光单元(IF21至IF24)在平行于第一条带而与第一条带不相交的第二条带中对齐。

7.按照权利要求4-6中任一项所述的传感器，其特征在于所述滤光器(FP1、FP2、FP3)中的至少两个相邻的滤光器由串扰屏障隔开。

8.按照权利要求4-6中任一项所述的传感器，其特征在于所述滤光器(FP1、FP2、FP3)中的至少一个是全色的。

9.按照权利要求4-6中任一项所述的传感器，其特征在于所述探测器(DET)被安装到读取电路(110)上。

10.按照权利要求9所述的传感器，其特征在于利用CMOS技术集成所述读取电路(110)。

11.按照权利要求4-6和10中任一项所述的传感器，其特征在于通过抛光使由InP构成的所述衬底(100)变薄。

12.按照权利要求1、2、4-6和10中任一项所述的传感器，其特征在于通过蚀刻使由InP构成的所述衬底(100)变薄。