CN113013268A - 一种基于超表面透镜的小像元红外焦平面探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超表面透镜的小像元红外焦平面探测器。基于超表面透镜的小像元红外焦平面探测器包括红外焦平面探测器和形成在衬底处的超表面透镜。该超表面透镜由许多亚波长尺度的小圆柱构成，小圆柱的位置和直径大小按照相位规律排布，该超表面可以调制入射光的波前，使其能够聚焦到探测器像元的吸收层上。相比传统的红外焦平面探测器，本发明能够实现亚波长量级的聚焦光斑，可以将像元尺寸减小至波长量级，有利于平面式焦平面器件往更小的像元，更高的像元密度发展。与此同时，能在器件的光响应不变或提高的情况下，降低器件的暗电流，提高信噪比，抑制像元之间的光电串扰。
Description
技术领域
本发明涉及红外焦平面探测器和有聚焦效应的超表面微纳结构，特别涉及一种小像元，高像元密度的InP基雪崩光电二极管(APD)焦平面探测器，本发明适用于背入射式光电探测器。
背景技术
随着时代的发展，光电探测器的地位在逐渐提高，在航天，军工，到民用的自动驾驶和通讯等方面，光电探测器扮演着不可或缺的角色，尤其是红外焦平面探测器，正朝着大面阵、小像元，高密度的趋势发展。
暗电流、光响应、均一性、串扰等是评估焦平面探测器的几个重要指标，随着面阵越来越大，考虑到均一性和器件尺寸因素，单个像素的尺寸越来越小，如何在小像元尺寸下保证器件较高的光耦合效率、低串扰特性成为发展大面阵的关键点。随着像元尺寸的减小，有效填充因子将下降，光耦合损失将增加。目前，普遍使用的传统的平凸微透镜，依靠厚度差造成的相位差来实现聚焦，很难在保证较高光学耦合效率的前提下，进一步减小像间距、减小像元尺寸。超表面透镜，依靠亚波长微纳结构实现等效折射率的改变，以此实现入射光场的梯度相位调节，在探测器像元处实现近衍射极限的高效聚焦，从而在保证探测器光响应不变的前提下，将像元尺寸减小至波长量级。超表面透镜的小像元红外焦平面探测器，把超表面透镜直接集成在探测器上，能够减小探测系统的体积，同时，近衍射极限的聚焦光斑保证了波长量级的像元尺寸的实现。因此，基于超表面透镜的红外焦平面探测器一方面能够降低器件的暗电流，提高器件的信噪比；另一方面能够抑制光电串扰，为进一步减小像间距实现低串扰大规模的红外焦平面探测器阵列提供有效途径。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于超表面透镜的小像元红外焦平面探测器，可以在保证较高光响应的前提下将像元尺寸减小到波长量级，降低器件的暗电流和像元之间的串扰，保证焦平面器件的均匀性的前提下，进一步提高像元密度。并且该探测器可以探测非垂直角度入射的入射光。
本发明设计方案如下：
一种基于超表面透镜的小像元红外焦平面探测器，所述红外焦平面探测器包括N+金属电极2，N+型衬底3，器件外延层4，P+型掺杂区5，P+金属电极6，SiNx钝化层7，其特征在于，在红外焦平面探测器衬底上直接制备超表面透镜1。所述光电探测器像元是外延技术在衬底上外延出器件外延层结构4上，通过光刻、刻蚀、掺杂、金属沉积、薄膜沉积等工艺在外延层上制备出焦平面探测器。
所述超表面透镜在制备出红外焦平面探测器后，在衬底上经过光刻、刻蚀制备而成。
所述超表面透镜由圆柱形介质阵列组成，要求介质材料对入射光的吸收较小。单元圆柱的圆心的间距和高度恒定，其直径大小和所设计的相位相关，单元圆柱的直径大小与相位的关系可以通过光学数值计算得到，其特征是将入射到焦平面探测器表面的光聚焦到所述红外焦平面探测器像元的吸收层上。
所述超表面透镜的每个位置上的相位与波长的关系满足如下公式：
式中，λeff表示入射光的有效光波长，λ表示入射光的波长，n表示聚焦处介质的折射率，r表示透镜位置在水平方向上相对相对焦点的距离，
表示该点的补偿相位，
表示入射光波的波面到达透镜的初始相位，f表示所述超表面透镜的焦距。
本发明有如下积极效果和优点：
1.本发明由于采用了超表面透镜，相对于传统的平凸微透镜技术，这种超表面透镜能够实现亚波长量级的聚焦光斑，可以在保证较高光响应的前提下，将像元尺寸减小至波长量级。
2.相比于传统的红外焦平面探测器，集成超表面透镜的红外焦平面探测器有着更小的像元，更高的像元密度，从而减小了由于外延材料和工艺制备所引起的器件性能的不均匀性，利于焦平面器件往更大面阵发展；
3.集成超表面透镜的红外焦平面探测器，由于波长量级的像元尺寸的实现，一方面器件的暗电流得到降低，提高器件的信噪比；另一方面光电串扰得到抑制。
4.本发明，由于超表面透镜直接集成在探测器衬底上，其结构体积小，减小了探测系统的体积。
附图说明
本发明的示意图如下：
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作进一步详细的说明。
图1是本发明中超表面透镜的单元结构示意图；
图2是本发明中超表面透镜的焦点平面处的电场分布图；
图3是本发明中超表面透镜的中心轴线上的电场分布图；
图4是本发明中超表面透镜的小像元红外焦平面探测器的截面结构示意图；
图5是本发明中超表面透镜的俯视图；
图6是本发明中超表面透镜的小像元红外焦平面探测器的制备过程的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明内容作进一步详细说明(实施例1)
见图5，本实施例提供了一种基于超表面透镜的InP基雪崩光电二极管(APD)红外焦平面探测器，包括InP基雪崩光电二极管焦平面和在衬底处的超表面透镜(1)；
InP基APD红外焦平面探测器，包括N型InP基底(1)、APD外延层(4)、P+型掺杂区域(5)，N+电极(2)和P+电极(6)以及SiNx钝化层(7)。
其中InP基APD红外焦平面探测器像元直径约为3um，超表面透镜(1)是在InP衬底上刻蚀得到，超表面透镜的焦点在APD像元的吸收层上。
该超表面透镜的InP基APD红外焦平面探测器的工作波长约为1550nm,超表面透镜由按相位规律排布的圆柱阵列构成，见图1，每个元胞的周期即圆柱中心的间距400nm，圆柱的高度为1.5um，元包圆柱的直径大小根据光学数值计算得到的相位与半径的对应关系来取值，其直径大小大在300nm附近变化；单元元胞的形状为正六边形。见图2，该透镜的光斑大小在2um左右；见图3，该透镜的焦距在250um。
基于超表面透镜的InP基APD红外焦平面探测器制备方法包括以下步骤：
1.在N型InP衬底(3)上外延生长APD器件结构外延层；
2.在芯片表面和衬底双面光刻对准标记；
3.生长SiNx掩膜，刻蚀开扩散孔，在i-InP层上进行ZnP扩散，形成P+型掺杂区域，制备出直径大小约为3um的APD焦平面探测器像元；
4.在P+型掺杂区域沉积Cr/Au得到P+电极；
5.刻蚀外延层材料至N+掺杂区域，即衬底，生长SiNx钝化层；
6.沉积Cr/Au得到N+电极，并延伸至芯片表面(与P+型掺杂区域等高)；
7.把衬底减薄到约250um的厚度；
8.在衬底表面生长SiNx刻蚀掩膜，长Au制备电子束光刻(EBL)对准标记；
9.在衬底表面旋涂电子束光刻胶，用EBL进行对准曝光、显影得到超表面透镜图形，图形形貌和图5类似；
10.刻蚀SiNx，利用SiNx掩膜进一步刻蚀InP，制备出高度1～2um之间、直径大小在300nm附近随相位梯度分布的圆柱阵列；
11.对衬底进行涂胶保护，正面生长P+电极、N+电极的铟柱；
12.把制备出的超表面透镜的小像元红外焦平面探测器与电路耦合。
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，所应理解的是，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 (3)
1.一种基于超表面透镜的小像元红外焦平面探测器，所述红外焦平面探测器包括N+金属电极(2)，N+型衬底(3)，器件外延层(4)，P+型掺杂区(5)，P+金属电极(6)，SiNx钝化层(7)，其特征在于，在红外焦平面探测器衬底上制备超表面透镜(1)。
2.根据权利要求1所述的所述一种基于超表面透镜的小像元红外焦平面探测器，其特征在于：
所述超表面透镜(1)是由高度相同，直径大小按相位梯度规律排布的圆柱阵列构成，单元圆柱的直径小于光在聚焦处介质中的有效波长λeff，单元圆柱的直径大小与相位的关系可以通过光学数值计算仿真得到。所述超表面透镜的材料是采用非金属的介质材料如InP、Si等，其结构能调制入射光的波前，让探测波段任意已知入射角度的入射光汇聚在焦平面探测器像元的吸收层上，实现亚波长量级的聚焦光斑。所述超表面透镜(1)每个位置上的相位与波长的关系满足如下公式：
式中，λeff表示入射光的有效光波长，λ表示入射光的波长，n表示聚焦处介质的折射率，r表示相对透镜焦点处水平方向的几何中心的距离，
表示透镜在该处的设计相位，
表示入射光波的波面到达透镜的初始相位，f表示所述超表面透镜的焦距。
3.根据权利要求1所述的所述一种基于超表面透镜的小像元红外焦平面探测器，其特征在于：
所述红外焦平面探测器是平面型器件，并且是红外波段的焦平面的背入射式光电探测器，探测器的像元大小为探测波长的量级。
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