CN115692291A - 一种基于牛顿环的光电探测器贴装方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于牛顿环的光电探测器贴装方法及系统，涉及光电探测器制备技术领域。其中，基于牛顿环的光电探测器贴装方法，包括以下步骤：利用凸透镜与光电探测器的光敏面之间形成的牛顿环进行对准，以将凸透镜贴装至光电探测器上。本发明实现成本较低、且能更方便快捷地对准凸透镜与光电探测器光敏面中心。

Description

一种基于牛顿环的光电探测器贴装方法及系统

技术领域

本发明涉及光电探测器制备技术领域，具体涉及一种基于牛顿环的光电探测器贴装方法及系统。

背景技术

目前，应用于传统高速光通信或量子保密通信的光电探测器主要封装形式为带尾纤同轴型封装。完成这样的封装时普遍采用有源对准方式(或称为主动耦合)，即在耦合过程中通过光响应电流峰值对于尾纤到光敏面中心是否完成对准进行判定。

然而，对于SPAD(Single Photon Avalanche Diode，单光子雪崩二极管)光电探测器或探测阵列在空间单光子探测相关，如测距、量子成像、激光雷达、生物医疗及集成电路检测等领域的应用中，由于需要透镜贴装来提高占空比，如仍然采用有源对准方式完成透镜与光敏面对中贴装，对于现有传统封装设备硬件有着较复杂的改造需求。

另外，由于扩散工艺等原因造成两次扩散后低浓度区扩散形貌可能并不是处处均匀，或者有源区边缘曲率不理想，而未经针对优化的较大的对准偏置电压可能放大这种有源区内电场分布的不均匀，进而造成对准失败；如采用对准标记的无源耦合方式，由于透镜的个体差异，难以保证透镜的冠顶与对光敏面几何中心完美重合。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明第一方面提供了一种基于牛顿环的光电探测器贴装方法，其实现成本较低、且能更方便快捷地对准凸透镜与光电探测器光敏面中心。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种基于牛顿环的光电探测器贴装方法，该方法包括以下步骤：

利用凸透镜与光电探测器的光敏面之间形成的牛顿环进行对准，以将凸透镜贴装至光电探测器上。

一些实施例中，所述利用凸透镜与光电探测器的光敏面之间形成的牛顿环进行对准，包括：

利用光源照射凸透镜，以通过所述光敏面上的增透膜形成牛顿环；

移动凸透镜，使所述牛顿环的干涉中心与所述光敏面的几何中心对准。

一些实施例中，通过设置在焊接机上的光源照射凸透镜，并利用焊接机移动凸透镜；

利用靠近所述光源设置的采集设备观察产生的所述牛顿环，判断所述牛顿环的干涉中心与所述光敏面的几何中心对准。

一些实施例中，所述采集设备为摄像机。

一些实施例中，其特征在于：所述光源为波长可调节的可见光光源。

一些实施例中，还包括：

通过调整凸透镜与光敏面之间的距离、凸透镜的曲率半径、介质的折射率、入射光波波长和/或增透膜的厚度，以选取便于观察的牛顿环干涉形貌。

一些实施例中，所述凸透镜与光敏面之间的距离为150nm、所述凸透镜的曲率半径为1mm、所述介质的折射率为1、所述入射光波波长为600nm、且所述增透膜的厚度为0.2μm。

本发明第二方面提供了一种基于牛顿环的光电探测器贴装系统，其实现成本较低、且能更方便快捷地对凸准透镜与光电探测器光敏面中心。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种基于牛顿环的光电探测器贴装系统，包括：

焊接机，其用于承载待贴装的凸透镜与光电探测器，并可驱使所述凸透镜移动；

光源，其设置在所述焊接机上，用于照射所述凸透镜，以通过所述光电探测器的光敏面形成牛顿环；

采集设备，其靠近所述光源设置，用于观察产生的所述牛顿环。

一些实施例中，所述采集设备为摄像机。

一些实施例中，所述光源为波长可调节的可见光光源。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明中基于牛顿环的光电探测器贴装方法，其利用凸透镜与光电探测器的光敏面之间形成的牛顿环进行对准，以将凸透镜贴装至光电探测器上，其实现成本较低、且能更方便快捷地对准凸透镜与光电探测器光敏面中心。可有效降低光生载流子产生位置在有源区外围导致的无光延时雪崩所产生的暗计数，从而提高SPAD在相关应用中的性能。

附图说明

图1是本发明实施例中基于牛顿环的光电探测器贴装方法的流程图；

图2是牛顿环形成装置的示意图；

图3是中心为暗斑的牛顿环图形；

图4是中心为亮斑的牛顿环图形；

图5是光电探测器芯片横截面及表面图形。

具体实施方式

针对为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

本发明实施例公开了一种基于牛顿环的光电探测器贴装方法，该方法包括以下步骤：

利用凸透镜与光电探测器的光敏面之间形成的牛顿环进行对准，以将凸透镜贴装至光电探测器上。

本发明的构思是利用薄膜干涉形成的牛顿环来进行辅助对准，具体实现时，参见图1所示，其包括以下步骤：

S1.利用光源照射凸透镜，以通过所述光敏面上的增透膜形成牛顿环。

值得说明的是，牛顿环，又称“牛顿圈”。在光学上，牛顿环是一个薄膜干涉现象。参见图2所示，用一个曲率半径为R的凸透镜凸面朝下和一平板玻璃平行放置，在日光下或用白光照射时，可以看到一些明暗相间的彩色圆环；而用单色光近乎垂直照射时，则表现为一些明暗相间的单色圆圈，如图3和图4所示。

这些圆圈的距离不等，随离中心点的距离的增加而逐渐变窄。它们是由球面上透射和平面上反射的光线相互干涉而形成的干涉条纹。当介质的折射率为n，凸透镜-平板之间劈尖厚度为d，透镜与平板间距为e，考虑半波损失，介质薄膜上下两表面反射光的光程差为：

其中，当Δ＝kλ(k＝1,2,3,...)时，干涉加强，形成亮条纹；当

时，干涉减弱，形成暗条纹。由图2的几何关系

可计算出k(k＝1,2,3,...)级明环半径为：

而k(k＝1,2,3,...)级暗环半径为：

在某点P处，两等振幅相干光叠加后的光强分布为：

可见，其干涉结果与透镜的曲率半径R，介质的折射率n，入射光波波长λ以及空气薄膜厚度(d+e)有关：

当(k＝1,2,3,...)薄膜厚度为：

时，牛顿环中心应为亮斑；

当(k＝1,2,3,...)薄膜厚度为：

时，牛顿环中心应为暗斑。但无论哪种情况，干涉图形最中心处为凸透镜曲面最低点。

S2.移动凸透镜，使所述牛顿环的干涉中心与所述光敏面的几何中心对准。

经过步骤S1形成牛顿环之后，便可以通过移动凸透镜，来实现牛顿环的干涉中心与所述光敏面的几何中心对准。

具体实现时，可以通过设置在焊接机上的光源照射凸透镜，并利用焊接机移动凸透镜；然后利用靠近所述光源设置的采集设备观察产生的所述牛顿环，判断所述牛顿环的干涉中心与所述光敏面的几何中心对准。优选地，采集设备可以是摄像机。

即在安装凸透镜时，将耦合焊接机于光电探测器正上方观察摄像头附近加装光源，并垂直于表面发射平行光，观察光通过透镜后干涉形成的牛顿环，同时通过调整凸透镜与光敏面之间的距离、凸透镜的曲率半径、介质的折射率、入射光波波长和/或增透膜的厚度，以选取便于观察的牛顿环干涉形貌。调整凸透镜位置，使牛顿环干涉中心与光敏面中心重合且圆环形状标准，则完成透镜与光电探测器中心的对准。

值得说明的是，对于SPAD而言，满足一定PDE前提下的暗计数率是单光子性能核心指标，它决定着单光子雪崩信号的可提取程度。因此，降低暗计数率是实现高性能SPAD的关键技术。一旦透镜耦合偏差较大，除了会导致耦合效率下降进而影响相同过偏压下的PDE，同时会引入电荷持续效应，即光生载流子在吸收层中耗尽区以外的区域产生后，由于这些区域纵向电场分量场强不够而导致载流子无法立即越过InGaAs/InP材料界面的价带带阶，而是在横向电场分量的作用下经过一定时间的横向漂移达到耗尽区并引起雪崩。这种延时无光雪崩将极大提高SPAD在应用中触发误计数的概率。

而本发明中通过利用凸透镜与光电探测器的光敏面之间形成的牛顿环进行对准，确保透镜与光敏面几何中心完美对准也是提高SPAD光电探测器件及探测阵列在相关应用中单光子性能的关键。

下面以一个具体的例子进行说明：

参见图5所示，其为光电探测器芯片横截面及表面图形。Metal指正照式SPAD光敏面周围的P型接触金属环，P-Pad指由金属环引出的金属Pad，方便bonding封装，两者共同构成SPAD的阳极。

现有光敏面尺寸Φ80μm，P型接触金属环宽度10μm，P型Pad金属厚度0.3μm，增透膜厚度0.2μm，钝化膜厚度0.5μm；介质(空气)折射率n＝1，曲率半径R＝1mm，光源波长λ＝600nm，透镜与光电探测器平面距离e＝150nm(即λ/4)。

根据公式(5)，牛顿环中心为亮斑；根据公式(3)，k级暗环半径r＝sqrt(2k-1)*17.32μm，当k＝3时，r≈38.73μm与光敏面半径(40μm)接近，此时光敏面边缘处因有金属环部分覆盖，需计算金属环高出光敏面部分是否已接触到透镜表面。根据公式(1)，当k＝3时(e+d)＝1.5λ＝900nm，远大于因金属环覆盖部分高出的300nm；此时d＝750nm，e＝150nm。因此该对准方案可行。

此外，金属环本体高出光敏面100nm，相应在此局部k＝4级暗环半径r扩大至约48μm，与金属环外圈半径50μm接近，因此也可用于对准。金属Pad上干涉花纹可忽略。

综上所述，本发明中基于牛顿环的光电探测器贴装方法，其利用凸透镜与光电探测器的光敏面之间形成的牛顿环进行对准，以将凸透镜贴装至光电探测器上，其实现成本较低、且能更方便快捷地对准凸透镜与光电探测器光敏面中心。可有效降低光生载流子产生位置在有源区外围导致的无光延时雪崩所产生的暗计数，从而提高SPAD在相关应用中的性能。

本发明实施例还提供一种基于牛顿环的光电探测器贴装系统，其包括焊接机、光源和采集设备。

其中，焊接机用于承载待贴装的凸透镜与光电探测器，并可驱使所述凸透镜移动。光源设置在所述焊接机上，用于照射所述凸透镜，以通过所述光电探测器的光敏面形成牛顿环。采集设备靠近所述光源设置，用于观察产生的所述牛顿环。

一些实施例中，所述采集设备为摄像机。

一些实施例中，所述光源为波长可调节的可见光光源。

综上所述，本发明中的基于牛顿环的光电探测器贴装系统，其包括焊接机、光源和采集设备。焊接机用于承载待贴装的凸透镜与光电探测器，并可驱使所述凸透镜移动。光源设置在所述焊接机上，用于照射所述凸透镜，以通过所述光电探测器的光敏面形成牛顿环。采集设备靠近所述光源设置，用于观察产生的所述牛顿环。其利用凸透镜与光电探测器的光敏面之间形成的牛顿环进行对准，以将凸透镜贴装至光电探测器上，其实现成本较低、且能更方便快捷地对准凸透镜与光电探测器光敏面中心。可有效降低光生载流子产生位置在有源区外围导致的无光延时雪崩所产生的暗计数，从而提高SPAD在相关应用中的性能。

以上仅为本发明实施例的具体实施方式，但本发明实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明实施例的保护范围之内。因此，本发明实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于牛顿环的光电探测器贴装方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

利用凸透镜与光电探测器的光敏面之间形成的牛顿环进行对准，以将凸透镜贴装至光电探测器上。

2.根据权利要求1所述的一种基于牛顿环的光电探测器贴装方法，其特征在于，所述利用凸透镜与光电探测器的光敏面之间形成的牛顿环进行对准，包括：

利用光源照射凸透镜，以通过所述光敏面上的增透膜形成牛顿环；

移动凸透镜，使所述牛顿环的干涉中心与所述光敏面的几何中心对准。

3.根据权利要求2所述的一种基于牛顿环的光电探测器贴装方法，其特征在于：

通过设置在焊接机上的光源照射凸透镜，并利用焊接机移动凸透镜；

利用靠近所述光源设置的采集设备观察产生的所述牛顿环，判断所述牛顿环的干涉中心与所述光敏面的几何中心对准。

4.根据权利要求3所述的一种基于牛顿环的光电探测器贴装方法，其特征在于：所述采集设备为摄像机。

5.根据权利要求1至3任一项所述的一种基于牛顿环的光电探测器贴装方法，其特征在于：所述光源为波长可调节的可见光光源。

6.根据权利要求5所述的一种基于牛顿环的光电探测器贴装方法，其特征在于，还包括：

通过调整凸透镜与光敏面之间的距离、凸透镜的曲率半径、介质的折射率、入射光波波长和/或增透膜的厚度，以选取便于观察的牛顿环干涉形貌。

7.根据权利要求6中所述的一种基于牛顿环的光电探测器贴装方法，其特征在于：

所述凸透镜与光敏面之间的距离为150nm、所述凸透镜的曲率半径为1mm、所述介质的折射率为1、所述入射光波波长为600nm、且所述增透膜的厚度为0.2μm。

8.一种基于牛顿环的光电探测器贴装系统，其特征在于，包括：

焊接机，其用于承载待贴装的凸透镜与光电探测器，并可驱使所述凸透镜移动；

光源，其设置在所述焊接机上，用于照射所述凸透镜，以通过所述光电探测器的光敏面形成牛顿环；

采集设备，其靠近所述光源设置，用于观察产生的所述牛顿环。

9.根据权利要求8所述的一种基于牛顿环的光电探测器贴装系统，其特征在于：所述采集设备为摄像机。

10.根据权利要求8所述的一种基于牛顿环的光电探测器贴装系统，其特征在于：所述光源为波长可调节的可见光光源。

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