CN114725133A - 一种提高硅光电倍增器几何填充因子的凹凸复合微透镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高硅光电倍增器几何填充因子的凹凸复合微透镜。所述凹凸复合微透镜阵列包括呈阵列布置的基础结构；基础结构的上部设有向外的凸透镜，相邻所述基础结构之间设有向内凹陷的凹透镜；基础结构、凸透镜和凹透镜均由光刻胶制成。本发明复合凸凹透镜材料的折射率为1.57～1.65，能够将入射到SiPM APD微单元上的光汇聚到所述微单元的中心，使入射到APD微单元之间的光折射、发散进入到APD微单元，从而提高SiPM的几何填充因子和探测效率。本发明制作凹凸复合微透镜阵列的材料兼具钝化保护SiPM的作用；并且，本发明制作凹凸复合微透镜阵列的方法与SiPM封装工艺兼容，使得凹凸复合微透镜阵列的制备可以在封装SiPM的过程中一次性完成。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高硅光电倍增器几何填充因子的凹凸复合微透镜，属于微透镜阵列制作和集成技术领域。
背景技术
透镜作为一种基础的光学元件，有着广泛的应用，折射透镜通过对光的折射使其实现聚焦或分散，现代产品仪器向着微型化、集成化、智能化的方向发展，微透镜以其较小的体积，并且可以针对具体需求实现细微的改变，在成像、传感、光源等领域得到了广泛的应用，寻找合适的微透镜制作方法成为重要的发展方向。目前，在机械、激光等微纳加工的方式下可以实现不同基底、不同设计结构的微透镜阵列的加工，但是工艺效率低且成本高，对于光刻热回流的方式，制作的微透镜填充因子较低，回流得到的微透镜阵列需要转移到其他材料上。对于纳米压印、反应离子刻蚀等转印方式，模具的制作和压印精度及耦合等方面也存在限制，工艺过程对器件也会造成二次影响。对于光刻微透镜阵列的方式，研究探索主要集中在改善填充率，微系统微结构表面整形，透镜面型等方面。
半导体材料固态光电探测器易于集成、成本低、对磁场不敏感等优点使其得到广泛的应用与发展，在半导体材料中，硅有着应用早、易于开采、工艺技术成熟、易于掺杂、氧化等优势，硅光电倍增器相比其他半导体光电探测器的高灵敏度、高增益和较好的单光子分辨能力使其成为弱光探测领域的热点方向，但是光敏区域微单元的隔离与表面的金属布线使得硅光电倍增器的几何填充因子较低，较低的几何填充因子限制了其探测效率。通过耦合微透镜阵列以提高其几何填充因子，进而提高探测效率。
目前提高硅光电倍增管(SiPM)的探测效率主要有下述几种方法：名古屋大学的Akira等人将透镜集成在硅光电倍增管的拼装阵列上，提高其光电探测效率。用透镜阵列将64个单元的滨松公司的硅光电倍增管在30～60°的入射光下的光子探测效率提高了10-30％，每个单元的尺寸是3×3mm2，间距0.2mm。没有集成每个微单元的微透镜阵列。Nussbaum等人介绍了一种光刻热回流制作微透镜阵列的方法，并通过反应离子刻蚀将光刻胶回流形成的微透镜阵列转移到熔融石英(氧化硅的非晶态)上。但是回流的光刻胶需要有间隔，制作的微透镜阵列填充率较低。可见，现有方法均存在不同的缺陷，因此需要提供一种提高硅光电倍增器几何填充因子的新方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种凹凸复合微透镜阵列，其能够通过光刻工艺制作，具有高填充率，能够提高SiPM的几何填充因子，从而提高其探测效率。
本发明提供的凹凸复合微透镜阵列，包括呈阵列布置的基础结构；
所述基础结构的上部设有向外的凸透镜，相邻所述基础结构之间设有向内凹陷的凹透镜；
所述基础结构、所述凸透镜和所述凹透镜均由光刻胶制成。
所述基础结构与硅光电倍增器的APD微单元的形状和结构相一致；
具体地，所述基础结构为棱柱；
所述棱柱的高度与所述凸透镜和所述凹透镜的设计焦距相关。
所述棱柱的底面及顶面的形状和尺寸与所述硅光电倍增管的APD微单元形状和尺寸相对应。
采用的光刻胶为SU-8光刻胶。
本发明进一步提供了所述凹凸复合微透镜阵列的制作方法，包括如下步骤：
S1、在基底上涂覆所述光刻胶，依次经前烘、曝光、后烘、光刻显影形成所述基础结构；
S2、在所述基础结构上涂覆所述光刻胶，依次经前烘、曝光、后烘、光刻显影形成交替布置的所述凸透镜和所述凹透镜，并开出后续封装用电极窗口，即得到所述凹凸复合微透镜阵列。
上述的制作方法中，步骤S1中所述光刻显影后，以及步骤S2中开出所述电极窗口后，均还包括坚膜的步骤，用于恢复图案破损及裂纹，提高结构的机械稳定性和热稳定性。
所述坚膜的温度为150～200℃，时间为5～30分钟。
本发明提供的凹凸复合微透镜阵列的制作方法，提高了光刻工艺制作的微透镜的填充率；该制作方法对不同光刻胶的有较好适用性，可以选取可见光波段透过率较高的光刻胶，不需要经过制作模具或者刻蚀转印等方法，直接集成在芯片表面，减小了耦合微透镜阵列的对准误差及对器件的损伤；制作凹凸复合微透镜阵列的材料有较好的机械稳定性、热稳定性，兼具钝化保护SiPM的作用。
本发明提供的凹凸复合微透镜阵列能够用于提高硅光电倍增器的几何填充因子，具体将所述凹凸复合微透镜阵列集成于所述硅光电倍增器的APD微单元上，所述APD微单元与所述凸透镜对应。
本发明提供的制作凹凸复合微透镜阵列的方法，可以一次制作大面积的精细结构的微透镜阵列，效率高；对制作材料的要求小，不必考虑光刻胶的回流特性；应用于提高SiPM的几何填充因子及探测效率时，选用可见光波段透过率较高，机械、热、化学性能较稳定的光刻胶，可以不通过模具或者刻蚀、转印等直接集成在芯片表面，工艺简单，不会有耦合损伤及误差；制作得到的微透镜填充率高；光刻工艺适用于工业化生产。
附图说明
图1A为本发明具体实施方式制备的凹凸复合折射微透镜阵列的基础结构示意图。
图1B为本发明具体实施方式制备的凹凸复合折射微透镜阵列结构示意图。
图1C为本发明具体实施方式制备的凹凸复合折射微透镜阵列的截面示意图。
图2为本发明具体实施方式制备的凹凸复合折射微透镜阵列的光学显微镜500倍放大图谱。
图3为本发明具体实施方式制备的凹凸复合折射微透镜阵列的光学显微镜1000倍放大图谱。
图4为本发明具体实施方式制备的凹凸复合折射微透镜阵列的SEM图谱。
图5为本发明具体实施方式制备的集成凹凸复合折射微透镜阵列的SiPM与裸SiPM的光子探测效率图。
图中各标记如下：
1硅光电倍增器、2硅光电倍增器的金属布线、3硅光电倍增器的光敏区、4四棱柱的基础结构、5凸透镜、6凹透镜、7入射光。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
如图1C所示，为集成凹凸复合微透镜阵列的硅光电倍增器1的结构示意图(集成于硅光电倍增器的探测面上)，其中，凹凸复合微透镜阵列包括呈阵列布置的四棱柱的基础结构4，四棱柱的基础结构4的上部设有向外的凸透镜5，相邻四棱柱的基础结构4之间设有向内凹陷的凹透镜6，在四棱柱的基础结构4的基础上形成的交替布置的凸透镜5和凹透镜6即形成凹凸复合微透镜阵列，四棱柱的基础结构4的底面及顶面形状和尺寸与硅光电倍增器1的APD微单元形状和尺寸相对应，四棱柱4的高度与透镜设计焦距相对应。
本实施例中，四棱柱的基础结构4、凸透镜5和凹透镜6均由SU-8光刻胶制成。
图1A和图1B展示了凹凸复合微透镜阵列的制作过程：
将裸硅片或芯片用丙酮水浴清洗两遍，无水乙醇清洗一遍，加热温度70℃，之后用去离子水冲洗，烘干。涂覆SU-8光刻胶，厚度为25μm，用于制作微透镜阵列的基础结构。
如图1A所示，基础结构图案为正四棱柱阵列，棱柱底面及顶面为正方形，与硅光电倍增管的光敏区3形状相对应，棱柱的高度即为匀胶厚度，与透镜设计焦距相对应；软烘焙，通过热板加热，加热温度95℃，用于光刻胶的自流平和溶剂的挥发；对准曝光，使得光刻胶发生感光反应，进行95℃后烘时光刻胶发生交联反应；对光刻得到的微结构进行显影，SU-8显影液浸泡1分钟，之后用异丙醇溶液清洗，浸泡10秒，去离子水冲洗，气枪吹干，在APD有源区为11μm的硅光电倍增器1表面，光刻出底面边长为11.5μm的微透镜阵列。
在微透镜阵列的基础结构上再次涂覆一层光刻胶，通过95℃的软烘焙，对准曝光，95℃的后烘，显影及120℃坚膜，得到如图1B所示的微透镜结构，其中凸透镜5的边长为12.5μm，凸透镜5间隙的凹透镜6宽度为2.5μm，并且在需要的位置开出后续封装的电极窗口，窗口长度为130μm，宽为80μm。
本实施例制作的凹凸复合微透镜阵列经光学显微镜观察分析，如图2所示，在光学显微镜500倍放大的图像中，可以看到微透镜结构整齐，在间隙也有光刻胶填充。如图3所示，在1000倍放大的图像中，可以看到微透镜间隙完全填充。
本实施例制作的凹凸复合微透镜阵列经SEM表征，如图4为制作完成的凹凸复合微透镜阵列的图像，可以看到中央凸出的凸透镜结构和间隙中凹陷的凹透镜结构。
上述结果表明以SU-8光刻胶制作的凹凸复合微透镜阵列具有较高的填充率，SU-8光刻胶的结构具有较好的化学和机械稳定性，在可见光波段具有较好的透光性。
本发明凹凸复合微透镜可直接在芯片上制作，不需要二次集成，减少了二次耦合过程中的误差和损伤。
本实施例制作的凹凸复合微透镜阵列的折射率为1.57～1.65，能够将入射到SiPMAPD微单元上的入射光7汇聚到APD微单元的中心，使入射到APD微单元之间的入射光7折射、发散进入到APD微单元，从而提高SiPM的几何填充因子和探测效率。
图5为集成凹凸复合折射微透镜阵列的SiPM与裸SiPM的PDE对比图，可以看到硅光电倍增器对410nm的光最敏感，峰值PDE都在此波长下，集成凹凸复合折射微透镜阵列的SiPM的峰值PDE为40.41％，裸芯片为33.46％，此类SU-8光刻胶固化后该波长下的透射比约为90％，在入射光波长为360～600nm的较大范围内，集成凹凸复合折射微透镜阵列的SiPM的PDE都有所提升，较裸芯片平均提高1.25倍。
Claims (9)
1.一种凹凸复合微透镜阵列，包括呈阵列布置的基础结构；
所述基础结构的上部设有向外的凸透镜，相邻所述基础结构之间设有向内凹陷的凹透镜；
所述基础结构、所述凸透镜和所述凹透镜均由光刻胶制成。
2.根据权利要求1所述的凹凸复合微透镜阵列，其特征在于：所述基础结构与硅光电倍增器的APD微单元的形状和结构相一致。
3.根据权利要求2所述的凹凸复合微透镜阵列，其特征在于：所述基础结构为棱柱；
所述棱柱的高度与所述凸透镜和所述凹透镜的设计焦距相关。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的凹凸复合微透镜阵列，其特征在于：所述光刻胶为SU-8光刻胶。
5.权利要求1-4中任一项所述凹凸复合微透镜阵列的制作方法，包括如下步骤：
S1、在基底上涂覆所述光刻胶，依次经前烘、曝光、后烘、光刻显影形成所述基础结构；
S2、在所述基础结构上涂覆所述光刻胶，依次经前烘、曝光、后烘、光刻显影形成交替布置的所述凸透镜和所述凹透镜，并开出后续封装用电极窗口，即得到所述凹凸复合微透镜阵列。
6.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于：步骤S1中所述光刻显影后，以及步骤S2中开出所述电极窗口后，均还包括坚膜的步骤。
7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于：所述坚膜的温度为150～200℃，时间为5～30分钟。
8.权利要求1-4中任一项所述凹凸复合微透镜阵列在提高硅光电倍增器的几何填充因子中的应用；
所述凹凸复合微透镜阵列集成于所述硅光电倍增器的APD微单元上，所述APD微单元与所述凸透镜对应。
9.一种具有高几何填充因子的硅光电倍增器，包括硅光电倍增器和集成于所述硅光电倍增器的APD微单元上的权利要求1-4中任一项所述凹凸复合微透镜阵列；
所述APD微单元与所述凸透镜对应。
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