CN113488558A - 一种红外探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种红外探测器及其制备方法，属于探测器技术领域，该探测器包括：衬底，所述衬底包括光子晶体阵列，所述光子晶体阵列位于所述衬底的底部，所述光子晶体阵列包括n组四色探测单元，一组所述四色探测单元包括四个光子晶体组，每个所述光子晶体组包括四个不同波段的光子晶体；外延层，在所述衬底表面外延得到，所述外延层包括焦平面阵列台面，所述焦平面阵列台面位于所述外延层的顶部，所述焦平面阵列台面的凸出部分为像元；所述光子晶体阵列与所述焦平面阵列台面相对设置，其中所述光子晶体组与所述像元相对设置；其中，n为大于或等于1的整数。
Description
技术领域
本公开涉及探测器技术领域，具体地涉及一种红外探测器及其制备方法。
背景技术
红外探测器是一种将不可见的红外辐射转化为可测量信号的光敏器件，在军事、气象、工业、环境科学以及医疗诊断等领域都具有广泛的应用。
在红外探测器的各项技术指标中，多波段探测成像与单波段探测成像相比，由于多波段探测可以实现额外的成像通道，从而可以提供细节更丰富的图像，多波段探测成像和单波段探测成像之间的差别，与彩色和黑白相片或彩色和黑白电视机之间的差别相似，因此多波段探测成像具有更高的使用价值。
在目前的探测器技术领域中，一般只能够实现双波段探测成像和单波段探测成像，由于探测的波段较少，图像提供的细节不够丰富，无法满足一些特殊领域的需求。
发明内容
本公开提供了一种红外探测器及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的探测信息单一、图像细节不够丰富的问题。
根据本公开的一个方面，提供了一种红外探测器，包括：
衬底，上述衬底包括光子晶体阵列，上述光子晶体阵列位于上述衬底的底部，上述光子晶体阵列包括n组四色探测单元，一组上述四色探测单元包括四个光子晶体组，每个上述光子晶体组包括四个不同波段的光子晶体；
外延层，在上述衬底表面外延得到，上述外延层包括焦平面阵列台面，上述焦平面阵列台面位于上述外延层的顶部，上述焦平面阵列台面的凸出部分为像元；
上述光子晶体阵列的位置与上述焦平面阵列台面相对设置，其中上述光子晶体组与上述像元相对设置；
其中，n为大于或等于1的整数；
钝化膜，将上述焦平面阵列台面及上述焦平面阵列台面侧壁覆盖，上述钝化膜设有定位孔；
上电极金属，位于上述像元的顶部且位于上述定位孔内，上述上电极金属与上述像元欧姆接触；
下电极金属，位于上述焦平面阵列台面的一侧且位于上述定位孔内；
In柱，连接在上述上电极金属、上述下电极金属的表面；
读出电路，连接在上述In柱的表面；
胶体，填充在上述读出电路与上述钝化膜之间。
根据本公开的实施例，上述四色探测单元中的四个上述光子晶体组的排列方式包括以下方式至少之一：排成一行、排成一列、排成两行。
根据本公开的实施例，上述上电极金属、上述下电极金属的材质包括以下至少一种：Ti、Pt、Au、Ni、Ge。
根据本公开的实施例，上述衬底的材质为GaSb或HgCdTe，上述外延层的材质为InAs/GaSb二类超晶格材料或HgCdTe材料。
根据本公开的另一个方面，提供了一种红外探测器的制备方法，包括：
通过分子束外延技术，在上述衬底的表面外延得到外延层；
通过光刻技术，在上述外延层表面进行焦平面阵列台面的图形转移；
通过感应耦合等离子体刻蚀或湿法腐蚀的方法，制备上述焦平面阵列台面，上述焦平面阵列台面的凸出部分为像元；
在上述焦平面阵列台面的表面制备钝化膜，上述钝化膜将上述焦平面阵列台面及上述焦平面阵列台面侧壁覆盖；
通过光刻技术，在上述钝化膜表面开设定位孔；
在上述定位孔内制备上电极金属和下电极金属，使上述上电极金属与上述像元欧姆接触；
在上述上电极金属、上述下电极金属的表面连接In柱；
在上述In柱表面连接安装读出电路；
在上述读出电路与上述钝化膜之间填充胶体；
将探测器翻转，通过物理研磨对衬底的底面进行减薄；
通过光刻技术或电子束曝光技术，在衬底的底面进行光子晶体阵列的图形转移；
对衬底的底面进行刻蚀，制备光子晶体阵列，上述光子晶体阵列包括n组四色探测单元，一组上述四色探测单元包括四个光子晶体组，每个上述光子晶体组包括四个不同波段的光子晶体；
上述光子晶体阵列与上述焦平面阵列台面相对设置，其中，上述光子晶体组与上述像元相对设置；
其中，n为大于或等于1的整数。
根据本公开的实施例，在上述上电极金属、上述下电极金属的表面采用热蒸发的方式制备上述In柱。
根据本公开的实施例，在上述读出电路的底面采用热蒸发的方式制备上述In柱，然后通过倒装焊技术将上述In柱固定安装在上述上电极金属、上述下电极金属的表面。
根据本公开的实施例，上述光子晶体阵列的定位方式为：制备穿透上述衬底及上述外延层的对准标记，上述对准标记的一端与上述像元的位置相对应，上述对准标记的另一端与上述光子晶体组的位置相对应，从而实现上述焦平面阵列台面与上述光子晶体阵列的位置相对应。
根据本公开的实施例，上述对准标记采用刻蚀工艺进行制备。
根据本公开的实施例，制备上述钝化膜的方式包括以下至少之一：阳极氧化、阳极硫化、SiO2钝化、Si3N4钝化。
通过四个不同波段的滤波光子晶体的设置，达到将四个相邻像元探测波段分开的效果，从而实现焦平面阵列台面的四色探测，从而提供更多的探测细节，光子晶体阵列包括四色探测单元，四色探测单元的数量在探测器的有效区域内(行/列方向)任意扩展分布，可以实现更精确的像素探测，提供具有更丰富细节的图像，从而满足更多领域的需求。
附图说明
通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述内容以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示意性示出了本公开的剖视示意图；
图2示意性示出了本公开实施例一的衬底及外延层的结构示意图；
图3示意性示出了本公开实施例一的四色探测单元的排布示意图；
图4示意性示出了本公开实施例一的光子晶体组的三维结构示意图；
图5示意性示出了本公开实施例一的四个波段光子晶体对应的能带图，其中，(a)-光子晶体13-1，实现4.15μm～5.11μm滤波设计，(b)-光子晶体13-2，实现3.15μm～3.87μm的滤波设计，(c)-光子晶体13-3，实现10.3μm～11.5μm的滤波设计(d)-光子晶体13-4，实现8.17μm～9.76μm的滤波设计；
图中：1-衬底，2-外延层，2-1-N型GaSb缓冲层，2-2-N型InAs/GaSb接触层，2-3-InAs/GaSb/AlSb M型势垒结构，2-4-InAs/GaSb吸收区，2-5-P型InAs/GaSb接触层，2-6-P型公共接触层，2-7-P型InAs/GaSb接触层，2-8-InAs/GaSb吸收区，2-9-InAs/GaSb/AlSb M型势垒结构，2-10-N型InAs/GaSb接触层，2-11-N型InAs盖层，3-光子晶体，4-像元，5-钝化膜，6-定位孔，7-上电极金属，8-下电极金属，9-In柱，10-读出电路，11-胶体，12-四色探测单元，13-光子晶体。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。
如图1所示，根据本公开的实施例，提供了一种红外探测器，包括：衬底1、外延层2、钝化膜5、上电极金属7、下电极金属8、In柱9、读出电路10、胶体11。
其中，衬底1包括光子晶体阵列，光子晶体阵列位于衬底1的底部，光子晶体阵列包括n组四色探测单元12，一组四色探测单元12包括四个光子晶体组3，每个光子晶体组3包括四个不同波段的光子晶体13。
外延层2在衬底1表面外延得到，外延层2包括焦平面阵列台面，焦平面阵列台面位于外延层2的顶部，焦平面阵列台面的凸出部分为像元4。
光子晶体阵列与焦平面阵列台面相对设置，其中光子晶体组3与像元4相对设置。
其中，n为大于或等于1的整数。
钝化膜5将焦平面阵列台面及焦平面阵列台面侧壁覆盖，钝化膜5设有定位孔6。
上电极金属7位于像元4的顶部且位于定位孔6内，上电极金属7与像元4欧姆接触。
下电极金属8位于焦平面阵列台面的一侧且位于定位孔6内。
In柱9连接在上电极金属7、下电极金属8的表面。
读出电路10连接在In柱9的表面。
胶体11填充在读出电路10与钝化膜5之间。
通过四个不同波段的滤波光子晶体13的设置，达到将四个相邻像元4探测波段分开的效果，从而实现焦平面阵列台面的四色探测，从而提供更多的探测细节，光子晶体阵列包括四色探测单元，四色探测单元的数量在探测器的有效区域内(行/列方向)任意扩展分布，可以实现更精确的像素探测，提供具有更丰富细节的图像，从而满足特殊领域的需求。
如图1所示，根据本公开的实施例，四色探测单元12中的四个光子晶体组3的排列方式包括以下方式至少之一：排成一行、排成一列、排成两行。
光子晶体组3排列方式的多样性，可以满足不同的制备需要，从而扩大本公开的适用范围，便于在本领域内大规模推广及应用。
如图1所示，根据本公开的实施例，上电极金属7、下电极金属8的材质包括以下至少一种：Ti、Pt、Au、Ni、Ge。
采用以上材质制备上电极金属7及下电极金属8，导电性能佳，适用于探测器的高标准化制备，实施效果良好。
如图1所示，根据本公开的实施例，衬底的材质为GaSb或HgCdTe，外延层的材质为InAs/GaSb二类超晶格材料或HgCdTe材料。
上述材料在红外波段均有响应，适用于制造红外探测器，实施效果良好。
如图1所示，根据本公开的实施例，提供了一种红外探测器的制备方法，包括：
通过分子束外延技术，在衬底1的表面外延得到外延层2；
通过光刻技术，在外延层2表面进行焦平面阵列台面的图形转移；
通过感应耦合等离子体刻蚀或湿法腐蚀的方法，制备焦平面阵列台面，焦平面阵列台面的凸出部分为像元4；
在焦平面阵列台面的表面制备钝化膜5，钝化膜5将焦平面阵列台面及焦平面阵列台面侧壁覆盖；
通过光刻技术，在钝化膜5表面开设定位孔6；
在定位孔6内制备上电极金属7和下电极金属8，使上电极金属7与像元4欧姆接触；
在上电极金属7、下电极金属8的表面连接In柱9；
在In柱9表面连接安装读出电路10；
在读出电路10与钝化膜5之间填充胶体11；
将探测器翻转，通过物理研磨对衬底1的底面进行减薄；
通过光刻技术或电子束曝光技术，在衬底1的底面进行光子晶体阵列的图形转移；
对衬底1的底面进行刻蚀，制备光子晶体阵列，光子晶体阵列包括n组四色探测单元12，一组四色探测单元12包括四个光子晶体组3，每个光子晶体组3包括四个不同波段的光子晶体13；
光子晶体阵列与焦平面阵列台面相对设置，其中，光子晶体组3与像元4相对设置；
其中，n为大于或等于1的整数。
按照上述制备方法制备的红外探测器，通过在像元入射面制备滤波光子晶体阵列，在不同像元位置实现滤波，从而实现焦平面阵列台面的四色探测，从而提供更多的探测细节，另外，本制备方法采用光刻技术、刻蚀技术进行制备，精确度较高，保证了探测器的成品质量，提高了探测成像的精度。
如图1所示，根据本公开的实施例，在上电极金属7、下电极金属8的表面采用热蒸发的方式制备In柱9。
如图1所示，根据本公开的实施例，在读出电路10的底面采用热蒸发的方式制备In柱9，然后通过倒装焊技术将In柱9固定安装在上电极金属7、下电极金属8的表面。
制备In柱9方法的多样性，可以满足不同情况的制备需要，技术人员可以根据实际情况进行选择。
如图1所示，根据本公开的实施例，光子晶体阵列的定位方式为：制备穿透衬底1及外延层2的对准标记，对准标记采用刻蚀工艺进行制备，对准标记的一端与像元4的位置相对应，对准标记的另一端与光子晶体组3的位置相对应，从而实现焦平面阵列台面的位置与光子晶体阵列的位置相对应。
采用对准标记的方式对光子晶体阵列进行定位，不仅操作简单，方便实施，制备效率高，而且实施效果非常好，精确度较高，保证了探测器的成像质量。
如图1所示，根据本公开的实施例，制备钝化膜5的方式包括以下至少之一：阳极氧化、阳极硫化、SiO2钝化、Si3N4钝化。
制备钝化膜5方法的多样性，可以满足不同情况的制备需要，技术人员可以根据实际情况进行选择。
如图2所示，根据本公开的实施例，在GaSb衬底1表面依次外延N型GaSb缓冲层2-1、N型InAs/GaSb接触层2-2、InAs/GaSb/AlSb M型势垒结构2-3、InAs/GaSb吸收区2-4、P型InAs/GaSb接触层2-5、P型公共接触层2-6、P型InAs/GaSb接触层2-7、InAs/GaSb吸收区2-8、InAs/GaSb/AlSb M型势垒结构2-9、N型InAs/GaSb接触层2-10、N型InAs盖层2-11。
其中2-2至2-5均采用中波3～5μm响应对应的InAs层及GaSb层厚度交替生长的超晶格结构设计，2-7至2-10采用长波8～12μm响应对应的InAs层及GaSb层厚度交替生长的超晶格结构设计。
上述结构设计不仅适用于InAs/GaSb、HgCdTe材料体系，还适用于InP/InGaAs、InSb等其他红外光电探测器的材料体系。
如图3所示，根据本公开的实施例，四色探测单元12中的四个光子晶体组3的排列方式为排成两行。
如图4-5所示，根据本公开的实施例，四个不同波段的光子晶体13对应的禁带位置如图5所示，其中光子晶体13-1加入4.15μm～5.11μm的滤波设计，实现3μm～4.15μm波段的光响应探测；光子晶体13-2加入3.15μm～3.87μm的滤波设计，实现3.87μm～5μm波段的光响应探测；光子晶体13-3加入10.3μm～11.5μm的滤波设计，实现8μm～10.3μm波段的光响应探测；光子晶体13-4加入8.17μm～9.76μm的滤波设计，实现9.76μm～12μm波段的光响应探测。
通过本实施例的设计，四个光子晶体13依次实现3μm～4.15μm、3.87μm～5μm、8μm～10.3μm、9.76μm～12μm的不同波段的光响应探测，从而实现了四色探测的效果。
光子晶体13的禁带宽度与外延层2的响应波段不完全重合，从而达到分波段(分色)探测效果，光子晶体阵列的禁带宽度设置在中波波段、长波波段，且与探测光谱范围不完全重合，从而将中、长波双色波段各自一分为二，实现在不同像元位置探测波段不同的颜色，最终实现彩色成像。
对于在多波段获取目标信息的探测系统，通过算法叠加可以抑制复杂的背景，筛除相同的背景噪音，提高对目标的探测效果，在预警、搜索和跟踪系统中明显降低虚警率，显著提高系统的性能和通用性，满足特殊领域的需求。
以上对本公开的实施例进行了描述，但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。
Claims (10)
1.一种红外探测器，包括：
衬底，所述衬底包括光子晶体阵列，所述光子晶体阵列位于所述衬底的底部，所述光子晶体阵列包括n组四色探测单元，一组所述四色探测单元包括四个光子晶体组，每个所述光子晶体组包括四个不同波段的光子晶体；
外延层，在所述衬底表面外延得到，所述外延层包括焦平面阵列台面，所述焦平面阵列台面位于所述外延层的顶部，所述焦平面阵列台面的凸出部分为像元；
所述光子晶体阵列与所述焦平面阵列台面相对设置，其中所述光子晶体组与所述像元相对设置；
其中，n为大于或等于1的整数；
钝化膜，将所述焦平面阵列台面及所述焦平面阵列台面侧壁覆盖，所述钝化膜设有定位孔；
上电极金属，位于所述像元的顶部且位于所述定位孔内，所述上电极金属与所述像元欧姆接触；
下电极金属，位于所述焦平面阵列台面的一侧且位于所述定位孔内；
In柱，连接在所述上电极金属、所述下电极金属的表面；
读出电路，连接在所述In柱的表面；
胶体，填充在所述读出电路与所述钝化膜之间。
2.根据权利要求1所述的探测器，所述四色探测单元中的四个所述光子晶体组的排列方式包括以下方式至少之一：排成一行、排成一列、排成两行。
3.根据权利要求1所述的探测器，所述上电极金属、所述下电极金属的材质包括以下至少一种：Ti、Pt、Au、Ni、Ge。
4.根据权利要求1所述的探测器，所述衬底的材质为GaSb或HgCdTe，所述外延层的材质为InAs/GaSb二类超晶格材料或HgCdTe材料。
5.一种红外探测器的制备方法，包括：
通过分子束外延技术，在所述衬底的表面外延得到外延层；
通过光刻技术，在所述外延层表面进行焦平面阵列台面的图形转移；
通过感应耦合等离子体刻蚀或湿法腐蚀的方法，制备所述焦平面阵列台面，所述焦平面阵列台面的凸出部分为像元；
在所述焦平面阵列台面的表面制备钝化膜，所述钝化膜将所述焦平面阵列台面及所述焦平面阵列台面侧壁覆盖；
通过光刻技术，在所述钝化膜表面开设定位孔；
在所述定位孔内制备上电极金属和下电极金属，使所述上电极金属与所述像元欧姆接触；
在所述上电极金属、所述下电极金属的表面连接In柱；
在所述In柱表面连接安装读出电路；
在所述读出电路与所述钝化膜之间填充胶体；
将探测器翻转，通过物理研磨对衬底的底面进行减薄；
通过光刻技术或电子束曝光技术，在衬底的底面进行光子晶体阵列的图形转移；
对衬底的底面进行刻蚀，制备光子晶体阵列，所述光子晶体阵列包括n组四色探测单元，一组所述四色探测单元包括四个光子晶体组，每个所述光子晶体组包括四个不同波段的光子晶体；
所述光子晶体阵列与所述焦平面阵列台面相对设置，其中，所述光子晶体组与所述像元相对设置；
其中，n为大于或等于1的整数。
6.根据权利要求5所述的制备方法，在所述上电极金属、所述下电极金属的表面采用热蒸发的方式制备所述In柱。
7.根据权利要求5所述的制备方法，在所述读出电路的底面采用热蒸发的方式制备所述In柱，然后通过倒装焊技术将所述In柱固定安装在所述上电极金属、所述下电极金属的表面。
8.根据权利要求5所述的制备方法，所述光子晶体阵列的定位方式为：制备穿透所述衬底及所述外延层的对准标记，所述对准标记的一端与所述像元的位置相对应，所述对准标记的另一端与所述光子晶体组的位置相对应，从而实现所述焦平面阵列台面的位置与所述光子晶体阵列的位置相对应。
9.根据权利要求8所述的制备方法，所述对准标记采用刻蚀工艺进行制备。
10.根据权利要求5所述的制备方法，制备所述钝化膜的方式包括以下至少之一：阳极氧化、阳极硫化、SiO2钝化、Si3N4钝化。
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