CN113299774A - 一种大视场的成像器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大视场的成像器件，属于光电检测技术领域，包括表面微结构、衬底层、缓冲层、像素阵列及钝化层；像素阵列包括至少一个像素单元，像素单元包括n+型掺杂层、吸收层、p+型掺杂层；在衬底层的缓冲层上引出有穿透钝化层的n+型电极，在p+型掺杂层上引出有穿透钝化层的p+型电极；表面微结构能改变光的传输路径，使得入射的光信号通过表面微结构的聚焦作用使光信号汇聚，汇聚的光信号传播到像素阵列产生可以自由移动的光生电子空穴对，施加偏压下，形成电信号。本发明的大视场成像器件具有成像视场大、像素单元尺寸小等优点，像素单元可以根据不同的材料应用于可见光成像、红外成像和紫外成像。
Description
技术领域
本发明涉及光电检测技术领域，尤其涉及一种大视场的成像器件。
背景技术
光电探测器是将入射的辐射信号转变成电信号输出的一种重要的光电器件。成像器件是通过光电探测器的光电转换形成可观测的图像，在军事、民用的诸多领域有着广泛的应用。
光电成像器件在军事和民用上占有很重要的地位，广泛应用于侦查、跟踪、预警、对抗领域。可见光成像技术己普及到军事(侦察、预警、跟踪等)、高速图像传输与处理航天航空、多光谱超光谱遥感、医学医疗诊测等。可见光成像与红外成像器件的产品，广泛的应用于军事、工业及日常生活中，不仅可以得到彩色图像、黑白图像、同时可以得到热辐射图像，对目标可以进行更全方位的监测和跟踪，同时也扩大了产品的应用领域。
光电探测阵列作为成像器件的核心器件，决定着成像的分辨率、视场角以及噪声等效温差等。随着激光和红外技术的发展，很多情况下单个光电探测器已不能满足系统需求，因此，阵列(线阵和面阵)光电探测器应运而生。同时，人们对光电探测器提出了更多要求，希望探测器能集成化，小型化，提高性能，降低成本，提高稳定性等。近年来，随着光电探测器从点元、线列到大面阵的高速发展，成像器件逐渐成为光电领域重要的研究方向。
视场角是成像器件的一个重要参数，表征成像面的大小。国内320×256规模的焦平面器件制作水平比较成熟，最新的焦平面探测器达到1024×1024的规模。这些大规模的探测器阵列尺寸，是提高成像器件视场角最直接的方式，但这个方法设计周期长，成本高，并且存在物理极限。因此，改变器件的表面微结构来提高成像的视场是一个重要的研究方向。
本发明就是针对光电领域中成像器件对器件尺寸小、大视场和结构紧凑的需求，在保证成像质量的前提下，设计的一种大视场的成像器件。
发明内容
针对上述问题中存在的不足之处，本发明提供一种大视场的成像器件。
为实现上述目的，本发明提供一种大视场的成像器件，从下至上依次包括表面微结构、衬底层、缓冲层、像素阵列及钝化层，所述像素阵列设于所述缓冲层上，且所述钝化层铺设在所述缓冲层上，并覆盖所述像素阵列；
所述像素阵列包括至少一个像素单元，且所述像素单元从下至上依次包括n+型掺杂层、吸收层、p+型掺杂层；
在所述衬底层的缓冲层上引出有穿透所述钝化层的n+型电极，在所述p+型掺杂层上引出有穿透所述钝化层的p+型电极；
其中，所述表面微结构能改变光的传输路径，使得入射的光信号通过所述表面微结构的聚焦作用使光信号汇聚，汇聚的光信号传播到所述像素阵列产生可以自由移动的光生电子空穴对，通过所述n+型电极和p+型电极产生电流，施加偏压下，形成电信号。
优选的是，所述表面微结构为具有同一周期、不同间距的环状结构，所述表面微结构改变其环状的宽度、周期和占空比使光信号汇聚。
优选的是，所述环状结构为圆环形、椭圆环形或圆孔形。
优选的是，所述像素单元是pn结二极管、pin结二极管、量子点二极管、多量子阱二极管、超晶格二极管、雪崩二极管或肖特基二极管。
优选的是，所述表面微结构的折射率为n，所述衬底层的折射率为n1，n1>n。
优选的是，所述表面微结构为微透镜阵列、光子晶体或等离子体。
优选的是，所述衬底层的材料为Si、InSb、GaN、InP、GaSb或GaAs。
优选的是，所述吸收层的材料为InGaAs、InGaSb、InGaAsP、Si、Ge、GaN、GaAs、HgCdTe、GaSb、InAs或SiC。
优选的是，应用于可见光成像、红外成像或紫外成像。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
由于所述的表面微结构与衬底层折射率不同，能够改变光的传输路径，光照射在表面微结构上，利用表面微结构与衬底层折射率的不同，实现聚焦功能。汇聚的光传播到像素阵列区域产生可以自由移动的光生电子空穴对，通过n+型欧姆接触电极和p+型欧姆接触电极引出，可以产生电流，施加偏压下，掺杂形成的PIN结结构可以迅速将光生载流子驱向两极，形成电信号，最后，将像素阵列连接到读出集成电路(ROIC)，用于成像；该结构具有大视场、阵列尺寸小和结构紧凑等优点，适用于红外成像、紫外成像或可见光成像，且制造工艺简单，成本较低。
附图说明
图1为本发明大视场的成像器件的结构图；
图2为本发明大视场的成像器件的剖面图；
图3为本发明大视场的成像器件像素单元的剖面图；
图4-8本发明一种大视场的成像器件的制备流程示意图；
图9为本发明通过扫描电子显微镜观察的像素阵列的部分阵列平面图；
图10为本发明对人的手部进行成像的示意图。
附图标记：
表面微结构101；衬底层102；缓冲层103；n+型掺杂层104；吸收层105；p+型掺杂层106；钝化层107；p+型电极108；n+型电极109；像素单元110；像素阵列111。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图1-10对本发明做进一步的详细描述：
参照图1和2，本发明提供一种大视场的成像器件，从下至上依次包括：表面微结构101、衬底层102、缓冲层103、像素阵列111及钝化层107，像素阵列111设于缓冲层103上，且钝化层107铺设在缓冲层103上，并覆盖像素阵列111；另外，像素阵列111与表面微结构101相对应。
进一步地，表面微结构是提高器件光吸收效率一个有效方法，该方法的基本要点是在芯片表面刻蚀大量尺寸为光波长量级的小结构，如此不但扩展了光的吸收面积，而且改变了光在芯片表面处的折射方向，从而使透光效率明显提高。且表面微结构101为具有同一周期、不同间距的环状结构，改变其环状结构的宽度、周期和占空比使光信号汇聚，且环状结构为圆环形、椭圆环形或圆孔形。表面微结构101为微透镜阵列、光子晶体或等离子体，且表面微结构101的材料包括Au、Al、Si、SiO2、InP或Ge。
再进一步地，衬底层102的材料为Si、InSb、InP、GaSb、GaN或GaAs。
参照图3，像素阵列111包括至少一个像素单元110，像素单元110是pn结二极管、pin结二极管、量子点二极管、多量子阱二极管、超晶格二极管、雪崩二极管或肖特基二极管。且像素单元110从下至上依次包括n+型掺杂层104、吸收层105及p+型掺杂层106；
在缓冲层103上引出有穿透钝化层107的n+型电极109，在p+型掺杂层106上引出有穿透钝化层107的p+型电极108；
进一步地，吸收层105的材料为InGaAs、InGaSb、InGaAsP、Si、Ge、GaN、GaAs、HgCdTe、GaSb、InAs或SiC。
其中，表面微结构101的折射率低于衬底层102的折射率，即表面微结构101的折射率为n，衬底层102的折射率为n1，n1>n，能够改变光的传输路径，使得入射的光信号通过表面微结构101的聚焦作用使光信号汇聚，汇聚的光信号传播到像素阵列111产生可以自由移动的光生电子空穴对，通过n+型电极109和p+型电极108产生电流，施加偏压下，形成电信号。
本发明利用表面微结构能够改变光的传输路径这一特性，从而实现了聚焦功能，在减小阵列尺寸的同时，实现了大视场成像，即本发明的成像器件具有宽吸收光谱、大视场、阵列尺寸小等优点，成像范围为可见光成像和红外成像或紫外成像。
在本发明表面微结构101为具有同一周期、不同间距的环状结构，能够改变光的传输路径，即该大视场成像器件的工作原理为：
由于表面微结构101与衬底层102折射率不同，能够改变光的传输路径，光照射在背部的表面微结构上，利用表面微结构与衬底层折射率的不同，实现聚焦功能。汇聚的光子传播到像素单元110的吸收层105，激发出可以自由移动的光生电子空穴对，在所述n+型欧姆接触电极109和p+型欧姆接触电极108外加偏压作用下使得该电子空穴对被收集形成光电流。最后，将像素阵列111连接到读出集成电路(ROIC)，用于成像。
参照图4～图8，本发明大视场成像器件的制备方法，包括：
步骤1、在两面抛光的衬底层102上依次沉积缓冲层103、n+掺杂层104、吸收层105和p+掺杂层106，如图4所示；
步骤2、PECVD沉积SiO2薄膜做刻蚀掩膜；；
步骤3、在沉积的SiO2上涂上光刻胶，进行深紫外光刻，光刻出台面图形，通过RIE和ICP刻蚀，刻蚀出台面，最终形成像素单元110结构，如图5所示；
步骤4、表面反转光刻，溅射金属并剥离形成电极，RTA快速退火合金，如图6所示；
步骤5、PECVD沉积SiO2薄膜用作钝化层，如图7所示；
步骤6、在SiO2钝化层上涂抹光刻胶进行深紫外光刻，刻蚀形成电极孔；
步骤7、通过CMP工艺对衬底背面进行抛光；
步骤8、利用光刻工艺中双面套刻的方式来形成背面套刻标记，经电子束曝光和干法刻蚀，在衬底层102的底部形成周期性的、不同宽度的环状结构，如图8所示。
图9为本发明通过扫描电子显微镜观察的像素阵列的部分阵列平面图。
图10为本发明对人的手部进行成像的示意图。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种大视场的成像器件，其特征在于，从下至上依次包括表面微结构、衬底层、缓冲层、像素阵列及钝化层，所述像素阵列设于所述缓冲层上，且所述钝化层铺设在所述缓冲层上，并覆盖所述像素阵列；
所述像素阵列包括至少一个像素单元，且所述像素单元从下至上依次包括n+型掺杂层、吸收层、p+型掺杂层；
在所述衬底层的缓冲层上引出有穿透所述钝化层的n+型电极，在所述p+型掺杂层上引出有穿透所述钝化层的p+型电极；
其中，所述表面微结构能改变光的传输路径，使得入射的光信号通过所述表面微结构的聚焦作用使光信号汇聚，汇聚的光信号传播到所述像素阵列产生可以自由移动的光生电子空穴对，通过所述n+型电极和p+型电极产生电流，施加偏压下，形成电信号。
2.如权利要求1所述的一种大视场的成像器件，其特征在于，所述表面微结构为具有同一周期、不同间距的为环状结构，所述表面微结构改变其环状结构的宽度、周期和占空比使光信号汇聚。
3.如权利要求2所述的一种大视场的成像器件，其特征在于，所述环状结构为圆环形、椭圆环形或圆孔形。
4.如权利要求1所述的一种大视场的成像器件，其特征在于，所述像素单元是pn结二极管、pin结二极管、量子点二极管、多量子阱二极管、超晶格二极管、雪崩二极管或肖特基二极管。
5.如权利要求1所述的一种大视场的成像器件，其特征在于，所述表面微结构的折射率为n，所述衬底层的折射率为n1，n1>n。
6.如权利要求1所述的一种大视场的成像器件，其特征在于，所述表面微结构为微透镜阵列、光子晶体或等离子体。
7.如权利要求1所述的一种大视场的成像器件，其特征在于，所述衬底层的材料为Si、InSb、GaN、InP、GaSb或GaAs。
8.如权利要求1所述的一种大视场的成像器件，其特征在于，所述吸收层的材料为InGaAs、InGaSb、InGaAsP、Si、Ge、GaN、GaAs、HgCdTe、GaSb、InAs或SiC。
9.如权利要求1所述的一种大视场的成像器件，其特征在于，应用于可见光成像、红外成像或紫外成像。
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US20120240975A1 (en) * | 2011-03-25 | 2012-09-27 | Sony Corporation | Photoelectric conversion device, photoelectric conversion device array, fabrication method for photoelectric conversion device and electronic apparatus |
| CN103050498A (zh) * | 2012-12-28 | 2013-04-17 | 中山大学 | 一种微纳米线阵列结构紫外雪崩光电探测器及其制备方法 |
| CN111477703A (zh) * | 2020-04-14 | 2020-07-31 | 北京工业大学 | 一种大孔径高速光电探测器 |
-
2021
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