CN217214720U - 一种具有网格状公共电极结构的红外焦平面探测器 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种具有网格状公共电极结构的红外焦平面探测器。该探测器包括:电极电路基底,电极电路基底上设有阵列式的像素电极;网格状公共电极,设置在电极电路基底上,且阵列式的像素电极中每个像素电极均被网格状公共电极的一个格子包围,像素电极与网格状公共电极电绝缘;红外光敏层,至少填充于网格状公共电极的格子内。根据本公开实施例提供的红外焦平面探测器,通过将公共电极设置为网格状,像素电极设在网格状公共电极的格子内,红外光敏层设置于网格状公共电极的上方,由此相当于将公共电极和像素电极均设置在红外光敏层靠近电极电路基底的一侧,从而避免了电极对红外光的遮挡,提高了光学填充率,有利于提高探测器的信噪比。
Description
技术领域
本公开涉及光电传感器技术领域,尤其涉及一种具有网格状公共电极结构的红外焦平面探测器。
背景技术
红外探测及成像技术在远程遥感、夜视、制导、生物医学、地质探测、气象监测等领域有着广泛的应用,特别是近年来的增强现实、虚拟现实、机器视觉、自动驾驶、可穿戴智能设备等的快速发展,对红外探测与成像技术提出了更高的要求。
传统的红外探测器通常采用垂直架构的方式构建红外光敏元电路结构,即自下而上为电极-红外光敏元-电极耦合(见后文图7);或者在红外光敏层表面(即红外光敏面)进行平面式的电极-红外光敏元- 电极耦合(见后文图8),上述两种结构中,由于电极对红外光敏元存在遮挡,使得红外光敏元对红外光的接收较少,从而造成探测器的光学填充率较低,进而使探测器的信噪比较差。
实用新型内容
为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题,本公开提供了一种能够提高光学填充率,进而提高信噪比的具有网格状公共电极结构的红外焦平面探测器。
本公开提供了一种具有网格状公共电极结构的红外焦平面探测器,该探测器包括:
电极电路基底,所述电极电路基底上设有阵列式的像素电极;
网格状公共电极,设置在所述电极电路基底上,且阵列式的像素电极中每个像素电极均被所述网格状公共电极的一个格子包围,所述像素电极与所述网格状公共电极电绝缘;
红外光敏层,至少填充于所述网格状公共电极的格子内。
在一些实施例中,所述网格状公共电极的每一个格子内均设置一个所述像素电极;
所述像素电极位于所述格子的中心。
在一些实施例中,所述网格状公共电极的每一个格子的面积均相同;
和/或,
所述网格状公共电极的每一个格子的形状均相同。
在一些实施例中,所述网格状公共电极中,格子的形状为正多边形或圆形;
其中,所述正多边形的顶角为圆角。
在一些实施例中,所述网格状公共电极中,格子的单边线宽为 0.5μm~2.0μm。
在一些实施例中,所述红外光敏层为一体式薄膜结构;所述红外光敏层还覆盖于所述网格状公共电极背离所述电极电路基底的侧面。
在一些实施例中,所述网格状公共电极的厚度等于或小于1.0μm;
所述红外光敏层的厚度为所述网格状公共电极的厚度的1~10倍;
所述像素电极的厚度等于或大于所述网格状公共电极的厚度。
在一些实施例中,所述电极电路基底包括读出电路基底、读出电路基底钝化层以及所述像素电极;
所述像素电极与所述读出电路基底电连接,所述读出电路基底钝化层覆盖所述读出电路基底的未连接所述像素电极的表面,以及覆盖所述像素电极的侧面;
所述网格状公共电极设置在所述读出电路基底钝化层背离所述读出电路基底的一侧,所述读出电路基底钝化层实现所述网格状公共电极与所述像素电极之间的电绝缘。
在一些实施例中,所述探测器还包括:
封装保护层,覆盖于所述红外光敏层背离所述网格状公共电极的一侧。
在一些实施例中,所述封装保护层的光透过率大于预设光透过率阈值。
本公开实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点:
本公开实施例提供的具有网格状公共电极结构的红外焦平面探测器包括:电极电路基底,电极电路基底上设有阵列式的像素电极;网格状公共电极,设置在电极电路基底上,且阵列式的像素电极中每个像素电极均被网格状公共电极的一个格子包围,像素电极与网格状公共电极电绝缘;红外光敏层,至少填充于网格状公共电极的格子内。其中,通过将公共电极设置为网格状,像素电极设在网格状公共电极的格子内,红外光敏层设置于网格状公共电极的上方,由此相当于将公共电极和像素电极均设置在红外光敏层靠近电极电路基底的一侧,从而避免了电极对红外光的遮挡,提高了光学填充率,有利于提高探测器的信噪比。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分,示出了符合本公开的实施例,并与说明书一起用于解释本公开的原理。
为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,对于本领域普通技术人员而言,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本公开实施例提供的一种红外焦平面探测器的膜层结构爆炸图;
图2为图1示出的红外焦平面探测器的立体结构示意图;
图3为图1示出的红外焦平面探测器的平面结构示意图;
图4为沿图3中A1-A2的剖面结构示意图;
图5为图4示出的红外焦平面探测器的工作原理示意图;
图6为本公开实施例提供的红外焦平面探测器的有效光敏面积示意图;
图7和图8分别为相关技术中的红外焦平面探测器的有效光敏面积示意图;
图9为本公开实施例提供的另一种红外焦平面探测器的膜层结构爆炸图;
图10为图9示出的红外焦平面探测器的立体结构示意图;
图11为图9示出的红外焦平面探测器的一种剖面结构示意图;
图12为图11示出的红外焦平面探测器的工作原理示意图;
图13本公开实施例提供的一种红外焦平面探测器的制备方法的流程示意图。
其中,10、具有网格状公共电极结构的红外焦平面探测器,也可简称为“红外焦平面探测器”、“红外探测器”或者“探测器”;110、电极电路基底;120、网格状公共电极,也可简称为“公共电极”;130、红外光敏层;140、封装保护层;111、读出电路基底;112、读出电路基底钝化层;113、像素电极;131、第一波段光敏像元;132、第二波段光敏像元。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点,下面将对本公开的方案进行进一步描述。需要说明的是,在不冲突的情况下,本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开,但本公开还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施;显然,说明书中的实施例只是本公开的一部分实施例,而不是全部的实施例。
相关技术中,红外焦平面探测器根据材料、结构、探测范围、探测原理等方面的不同,可划分为多种不同类型的红外焦平面探测器。其中,红外焦平面探测器按照其与读出电路基底的连接结构大致可以分为两类:一类是由块状半导体材料(如碲镉汞(HgCdTe)、碲化铟 (InSb)、砷化铟(InAs)等)制作的红外焦平面探测器,其需要采用一项关键的工艺(即铟柱倒装互连的工艺),将红外探测器阵列与CCD (或CMOS)移位寄存器(即读出电路)进行相互耦合,以此获得高量子效率、高性能的红外焦平面探测器芯片;另一类是近些年来兴起的胶体量子点红外探测器和有机半导体红外探测器,其不需要采用铟柱倒装互连的工艺,而是直接将红外光敏元面与读出电路基底的电极直接耦合相连,以此获得红外焦平面探测器。
上述两类红外焦平面探测器中,首先,需要采取铟柱倒装互连工艺的红外焦平面探测器而言,通常存在非均匀性与盲元问题,以及大规模红外焦平面探测器阵列制备困难的问题。具体地,采用铟柱倒装互连的红外焦平面探测器的制备工艺主要包括:清洗、光敏元台面制备及Si基底读出电路制备、电极制备、In柱生长、倒装互连、衬底减薄、封装测试。其中,倒装互连流程在红外焦平面探测器制备过程中非常关键,其基本流程是采取分子外延生长技术在光敏面像元与硅基电路上生长铟柱,然后让硅基读出电路基底与红外光敏面上的铟柱互相“倒扣”碰焊连接;又或者在硅基电路基底上“挖孔”,让红外光敏面上的铟柱“倒扣”在环孔上。在倒装互连流程中,铟柱生长与互连工艺要求严格,如果铟柱生长不均匀或是倒装焊连接不均匀都会带来红外探测器信号响应的不均匀;而如果在生长期间或倒装焊造成铟柱断裂则会红外探测器有盲元;特别是在非制冷型红外焦平面探测器中,使用过程中反复的温度冲击可能会导致铟柱断裂而形成盲元或增大成像非均匀性,这种现象在大面阵红外焦平面探测器中尤为显著,是制约大规模红外焦平面探测器阵列发展的重要因素。
同时,结合上述工艺可知,此类红外焦平面探测器的光学透过率较低。具体地,上述工艺流程中,是将红外光敏面倒装在读出电路基底上,为了让红外光透过基底(即衬底)和下电极层照射到红外光敏面上,红外光敏面的衬底就必须进行“衬底减薄”工艺处理,将衬底削至足够薄以让红外光尽可能透过。但是红外光透过衬底与下电极层依然要损失部分能量,造成光学透过率较低。
同时,由于上述复杂的制备工艺,导致生产成本较高,产出率较低,其制约了红外焦平面探测器的大规模应用。
其次,对于不需要采取铟柱倒装互连工艺的红外焦平面探测器而言,因其结构与工艺流程问题,依然存在流程复杂、成本高、产出率低的问题。除此之外,还存在光学填充率低的问题。具体地,对于采取垂直架构的方式构建红外光敏元电路结构,即自下而上为电极-红外光敏元-电极耦合(见后文图7),或者在红外光敏面表面进行平面式的电极-红外光敏元-电极耦合(见后文图8);因为电极对红外光的阻挡,会造成探测器的光学填充率的下降。结合图7和图8,不被电极遮挡的红外光敏面区域为可有效接收红外光照射的区域,被电极遮挡的红外光敏面区域则为无效接收的区域。可有效接收红外光照射的区域较小,导致光学填充率较低。
此外,对于一些像素化的红外焦平面探测器,在红外光敏面的电路架构上仍然至下而上采取底电极-红外光敏元-顶电极这样的垂直结构。这样带来的问题是像元的顶电极至电路读出信号的接口之间通过总线相连,然而因为红外焦平面探测器的固有平面形状,中央位置的像元顶电极至读出信号的接口的距离要比边缘位置的像元顶电极至读出信号的接口的距离要长,从而导致探测器工作时电学信号读出因路径长短不一而带来的均匀性较差的问题。
针对上述问题中的至少一个,本公开实施例提供了一种无需倒装焊接的具有网格地电极结构的高成像均匀性红外焦平面探测器,其基于目前新型的红外材料,例如红外胶体量子点等材料实现。具体地,采用在具有阵列式的像素电极的电极电路基底上形成网格状公共电极,并在网格状公共电极和被其包围的阵列式像素电极上通过欧姆接触的方式制备红外光敏层的方式,制备成像均匀性较高的红外焦平面探测器。
其中,通过设置阵列式的像素电极被网格状公共电极包围,且二者均位于红外光敏层的下方,即电极完全埋入红外光敏层的欧姆接触结构,避免了电极对红外光敏层的遮挡,从而有利于提高光学填充率,有利于提高探测器的信噪比。
同时,红外光敏层可采用红外胶体量子点等新型材料,相较于其他块状半导体材料的合成方法,成功率高、产出大且成本低,有利于改善红外材料制作难度大的问题。
同时,红外光敏层可采用一体化面层结构(即一体式薄膜结构),其配合网格状公共电极和网格化读出电路,用以实现探测器工作时的像素化,从而无需对红外光敏层进行像素化设计和制作,相当于省略了对红外光敏层进行像素化的流程,并且不再需要铟柱倒装互连工艺,从而简化工艺,节约成本,提高产出率;且利用电极电路基底上的阵列式像素电极与网格状公共电极(即地电极)的结构,避免了中心位置处与边缘位置处由于走线长度不同而带来的读出信号的差异,改善了电路信号读出时均匀性较低的问题,有利于达到高均匀性地成像,并且减少盲元率,以及可制作大规模红外探测器阵列。
同时,红外光敏层材料内部产生的自由“电子和空穴”能够在因载流子扩散产生的内建电场的作用下发生漂移和分离,电子的快速转移使得该类探测器具有更快的响应速度和更低的驱动电压,从而可以在较低的外加偏压下就能工作。并且,红外量子点基于量子束缚效应吸收红外光而产生光电子,其响应速度快、成像质量高。
同时,通过在红外光敏层上设置封装保护层,该封装保护层为一层透明封装层,有利于提高光学透过率,从而增加红外光敏层能够接收到的红外光,进而增强信噪比。
由此,本公开实施例提供了一种成本低、工艺简单、产出率高、均匀性高且光学填充率较高的具有网格状公共电极结构的红外焦平面探测器。
进一步地,本公开实施例中,可采用液相合成、体积可控、吸收波段可调的胶体量子点等材料,其基于量子束缚效应,可以通过控制其尺寸来控制量子点的吸收波长;同时,可在电极电路基底上,在行程网格状公共电极之后,利用旋涂、滴涂或喷涂的方式直接将胶体量子点形成红外量子点膜,构造成红外光敏层。
而在电极电路基底中包括读出电路基底,通过在读出电路基底上,在其与红外光敏层之间通过光刻、掩膜蒸镀、磁控溅射等方式构造平面网格状公共电极与阵列式像素电极,利用像素电极与网格状公共电极之间的电场,将红外光敏层吸收红外线能量后产生的光致载流子吸收,形成光电流,这样就通过电极间的内建电场对整个红外光敏层内产生的光电流进行了分割,相当于通过网格状公共电极与阵列式的像素电极对电极进行像素化,从而间接对红外光敏层进行像素化,进而获得携带红外图像信息的像素化电流,最后利用CCD或CMOS方式进行寻址、转移、放大等信号处理过程,读取电流信号。
下面结合图1-图13,对本公开实施例提供的具有网格状公共电极结构的红外焦平面阵列(即红外焦平面探测器),其与相关技术的对比,以及其对应的制备方法进行示例性说明。
在一些实施例中,图1为本公开实施例提供的一种红外焦平面探测器的膜层结构爆炸图,图2为图1示出的红外焦平面探测器的立体结构示意图,图3为图1示出的红外焦平面探测器的平面结构示意图,图4为沿图3中A1-A2的剖面结构示意图。结合图1-图4,该探测器 10包括:电极电路基底110,电极电路基底110上设有阵列式的像素电极113;网格状公共电极120,设置在电极电路基底110上,且阵列式的像素电极113中每个像素电极113均被网格状公共电极120的一个格子包围,像素电极113与网格状公共电极120电绝缘;红外光敏层130,至少填充于网格状公共电极120的格子内。
其中,电极电路基底110上设有阵列式的像素电极113,可读出各像素电极113响应于其接收到的红外光而对应生成的电信号。
示例性地,图3中示例性地示出了探测器中的像素电极113呈15 行15列的阵列式排布,但并不构成对本公开实施例提供的探测器的限定。在其他实施方式中,像素电极113的数量以及阵列排布方式还可基于探测器的需求设置,在此不限定。
其中,网格状公共电极120可为地电极,当外接电源时,像素电极113接电源的正极,网格状公共电极120接电源的负极,从而在网格状公共电极120与像素电极113之间产生由像素电极113指向网格状公共电极120的电场,该电场作用下,在红外光敏层130中响应于红外光产生的自由载流子(即光生自由载流子)被驱动,以使两电极 (即像素电极113和网格状公共电极120)俘获上述光生自由载流子,从而产生光电流。
其中,由于像素电极113被网格状公共电极120的格子包围,相当于像素电极113被环周的地电极包围,因此由像素电极113指向地电极的电场方向为由像素电极113发散状地指向其环周的地电极。
示例性地,网格状公共电极120可为金(Au)、银(Ag)、铝(Al) 等金属电极或者其本领域技术人员可知的其它导电材料所形成的电极,在此不限定。
其中,红外光敏层130用于响应于照射到其上的红外光而产生自由载流子,其可填充在网格状公共电极120的格子内,也可溢出格子而覆盖网格状公共电极120,在此不限定,后文中进行示例性说明。
示例性地,红外光敏层130可包括红外量子点材料或本领域技术人员可知的其他可用于成膜的红外光敏材料,在此不限定。示例性地,红外量子点材料可为汞碲(HgTe)、硫化铅(PbS)等IIB-VIA族半导体化合物,且其可为二元化合物、三元化合物或四元化合物,可基于探测器的需求设置,在此不限定。
示例性地,图5为图4示出的红外焦平面探测器的工作原理示意图,其中,读出电路以光敏元二极管无源像素为例,直线箭头代表电流方向,带曲线的箭头代表红外光。结合图4和图5,在网格状公共电极120的每一个网格空间(即格子)内,都具有一个像素电极113;探测器10工作时,产生一个由网格中的像素电极113指向其所在网格状公共电极120的平面方向上的电场,即产生网格电场;在此网格区间内的红外光敏层130区域内因吸收红外光而产生的内光电子(即光生自由载流子)被网格电场俘获,生成电流信号,并经由读出电路将电流信号读出,即将网格区域的红外光信息转为电信号信息,从而完成光-电的信号转化。
由此可看出,该探测器10中,以网格状公共电极120中的一个个格子与格子中对应的像素电极113在平面构造的电场分割了整个红外光敏层130内产生的光生自由载流子,即光电子。于是网格状公共电极120完成了事实上的红外光敏元的“像元”结构,而并非是像素化红外光敏层130,由此简化了红外光敏层130的结构和制作工艺。
能够理解的是,图5的读出电路方式是以光敏元二极管无源像素的电路结构为例阐述工作原理,但并不限定读出电路的结构范围。在其他实施方式中,还可采用本领域技术人员可知的其他读出电路结构,可基于探测器的需求设置,在此不限定。
示例性地,图6示出了本公开实施例提供的探测器的有效光敏面积,图7和图8分别示出了相关技术中的两种探测器的有效光敏面积。图7和图8中,示出了衬底材料301、欧姆电极302、隔离层303、量子点层304、势垒层305的空间相位位置关系,以及示出了红外光的入射方向和光电流的方向。其中,探测器的有效光敏面积越大,其光学填充率越高,信噪比越高。对比图6-图8可知,相关技术中,位于量子点层304(即红外光敏层)上方的欧姆电极302会遮挡部分面积,导致能够有效接收红外光的量子点层304的面积减少,有效光敏面积较小。而本公开实施例提供的探测器10中,像素电极113和公共电极120 均设置于红外光敏层130的下方,从而其不会对红外光敏层130造成遮挡,从而使得能够有效接收红外光的红外光敏层130的面积较大,即有效光敏面积较大。
本公开实施例提供的具有网格状公共电极结构的红外焦平面探测器10包括:电极电路基底110,其上设有阵列式的像素电极113;网格状公共电极120,设置在电极电路基底110上,且阵列式的像素电极 113中每个像素电极113均被网格状公共电极120的一个格子包围,像素电极113与网格状公共电极120电绝缘;红外光敏层130,至少填充于网格状公共电极120的格子内。其中,通过将公共电极120设置为网格状,像素电极113设在网格状公共电极120的格子内,红外光敏层130设置于网格状公共电极120的上方,由此相当于将公共电极120 和像素电极113均设置在红外光敏层130靠近电极电路基底110的一侧,从而避免了电极(包括公共电极120和像素电极113)对红外光的遮挡,提高了光学填充率,有利于提高探测器10的信噪比。同时,本公开实施例提供的红外探测器采用上述各功能膜层堆叠结构,无需倒装焊接工艺流程,工艺简单,成本低,且出产率高;同时,各像素电极连接在电极电路基底上,使得各像素电极与电极电路基底之间的距离相等或相当,从而有利于提高该探测器的成像均匀性。
在一些实施例中,继续参照图4,电极电路基底110包括读出电路基底111、读出电路基底钝化层112以及像素电极113;像素电极113 与读出电路基底111电连接,读出电路基底钝化层112覆盖读出电路基底111的未连接像素电极113的表面,以及覆盖像素电极113的侧面;网格状公共电极120设置在读出电路基底钝化层112背离读出电路基底111的一侧,读出电路基底钝化层112实现网格状公共电极120与像素电极113之间的电绝缘。
其中,电极电路基底110也可称为“读出电路及其硅基底”,其包括读出电路(Readout Integrated Circuit,ROIC)基底111、阵列式的像素电极113以及读出电路基底钝化层112,即其共同构成了读出电路的基底部分。
在此基础上,在读出电路基底钝化层112上设有一层网格状公共电极120,在网格状公共电极120、像素电极113以及未被覆盖的读出电路基底钝化层112上覆盖一层红外光敏层130;其中,红外光敏层 130与像素电极113之间形成欧姆接触,且红外光敏层130与网格状公共电极120之间形成欧姆接触。
结合图3,上述结构中,网格状公共电极120的每个格子内部设有一个独立的像素电极113,像素电极113与网格状公共电极120之间通过读出电路基底钝化层112实现电绝缘。
其中,读出电路基底111与像素电极113电连接,用于读出对应的像素电极113响应于入射红外光而生成的电信号,其可为本领域技术人员可知的任一种读出电路基底,在此不限定。
其中,读出电路基底钝化层112用于封装读出电路基底111和像素电极113的侧面,仅露出像素电极113背离读出电路基底111的顶面,以用于与红外光敏层130实现欧姆接触。
示例性地,读出电路基底钝化层112的材料可为用于绝缘的氮化物、氧化物、氮氧化物或本领域技术人员可知的其他绝缘材料,在此不限定。
示例性地,像素电极113的材料可为金(Au)、银(Ag)、铝(Al) 等金属材料或者本领域技术人员可知的其他导电材料,在此不限定。可选的,像素电极113的厚度可为100nm~1000nm,或者其他可选厚度值,在此不限定。
在其他实施方式中,电极电路基底110还可采用其他结构形式实现,在此不限定。
在一些实施例中,继续参照图3,网格状公共电极120的每一个格子内均设置一个像素电极113;像素电极113位于格子的中心。
其中,阵列式的像素电极113中每个像素电极113均被网格状公共电极120的一个格子包围,且网格状公共电极120的每一个格子内均设置一个像素电极113,即格子的数量与像素电极113的数量相等,且一一对应,每组对应的像素电极113以及包围其的格子构成一个像素。如此设置,可确保探测器10中的像素数量较多,有利于确保探测器10具有较高的分辨率。
进一步地,像素电极113均位于格子的中央,其指向包围其的格子的电场均匀性较好,有利于俘获对应于红外光敏层130在各个方向上产生的电子,从而信号强度较大,且均匀性较好。
本公开实施例中,像素电极113位于格子的中心,可理解为:在网格状公共电极120所在的平面上,像素电极113在该平面内的投影位于包围其的格子的正中间。在其他实施方式中,像素电极113还可位于格子中的其他位置处,可根据探测器的需求设置,在此不限定。
在一些实施例中,继续参照图3,网格状公共电极120的每一个格子的面积均相同。
其中,结合上文,网格状公共电极120完成了事实上的红外光敏元的“像元”结构,每一个格子的面积可看成每一个红外光敏元的面积,设置每一个格子的面积均相同,即可使得每一个红外光敏元的面积均相同,从而确保了探测器中各红外光敏元的面积均相同,有利于提高探测器成像的均匀性和准确性。
在其他实施方式中,当网格状公共电极120的格子面积不相同时,还可基于不同面积之间的相对大小,在后续信号处理时进行对应补偿,在此不赘述也不限定。
在一些实施例中,继续参照图3,网格状公共电极120的每一个格子的形状均相同。
其中,通过设置网格状公共电极120中每一个格子的形状均相同,使得网格状公共电极120的形状规律性较强,从而有利于简化网格状公共电极120的设计过程和制作工艺,有利于降低探测器的制备难度,降低其制作成本,提高产出率和良品率。
在其他实施方式中,还可设置网格状公共电极120中格子的形状不同,其可包括两种、三种或者更多种不同的形状,可基于探测器的需求设置,在此不限定。
在一些实施例中,继续参照图3,网格状公共电极120的每一个格子的形状均相同,且每一个格子的面积均相同。
其中,结合上文,通过设置网格状公共电极120中的各格子的形状和面积均相同,在提高均匀性的同时,有利于提高信噪比,提高成像质量。
在一些实施例中,继续参照图3,网格状公共电极120中,格子的形状为正多边形(如图3)或圆形(图中未示出);可选的,正多边形的顶角为圆角。
其中,当像素电极113位于顶角形状为圆角的正多边形或者圆形的格子的中心时,由像素电极113指向其所在的格子的电场分布较均匀,从而像素电极113环周的各个方向上产生的内光电子所受到的驱动力较均匀,有利于俘获对应于红外光敏层130在各个方向上产生的电子,从而信号强度较大,且均匀性较好。
并且,通过设置正多边形的顶角为圆角,在使得电场分布更均匀的同时,还有利于降低网格状公共电极120的制备工艺难度,从而提高产出率和良品率,有利于降低成本。
示例性地,正多边形可为正三角形、正方形、正五边形、正六边形或者其他正多边形,在此不限定。
在其他实施方式中,网格状公共电极120中的格子的形状还可为有利于实现电场分布均匀性较好的其他形状,在此不赘述也不限定。
在一些实施例中,继续参照图3,网格状公共电极120中,格子的单边线宽(以W1和W2示出,在第一方向X和第二方向Y所确定的平面内)为0.5μm~2.0μm。
其中,网格状公共电极120中,用于限定各格子的边构成网格电场的边缘,当红外光照射到红外光敏层130时,在该边缘位置处对应的红外光敏层130中产生的电子被网格电场所影响而转移,进而被俘获,从而使得尽可能多的光生自由载流子被俘获。
当格子的单边线宽过宽时,对应的网格电场的边缘较宽,会使得对应位置处的光生自由载流子转移难度较大。针对此,设置格子单边线宽的上限值为2.0μm,以确保网格电场的边缘位置处的光生自由载流子能够被有效俘获。
此外,当格子的单边线宽过窄时,工艺难度较大,且稳定性较差易断裂。针对此,通过设置格子单边线宽的下限值为0.5μm,能够有效降低工艺难度,且提高其稳定性,降低其发生断裂的几率,从而利于确保探测器整体结构较稳定,有利于延长其使用寿命。
示例性地,格子的单边线宽可为0.5μm、2.0μm、0.8μm~0.9μm、 1.0μm、1.2μm或其他可选数值或可选数值范围,在此不限定。
在其他实施方式中,格子的单边线宽还可为其他任意数值,可基于探测器的需求设置,在此不限定。
在一些实施例中,继续参照图4,红外光敏层130为一体式薄膜结构;红外光敏层130还覆盖于网格状公共电极120背离电极电路基底 110的侧面。
其中,在物理结构上,红外光敏层130为一体化的薄膜结构,并没有进行像素化的分割;在探测器工作时,结合网格状公共电极120,利用网格电场,实现电学上的像素化以及信号分割,从而得到对应于红外光的量化的和数字化的图像信息。
本公开实施例中,结合网格状公共电极120和一体化薄膜结构的红外光敏层130实现像素化信息的获取,不需要对红外光敏层130进行像素化设计和制作,工艺流程简单,成本低。
在一些实施例中,图9-图12依次示出了本公开实施例提供的另一种红外焦平面探测器的膜层结构爆炸图、立体结构示意图、剖面结构示意图和工作原理示意图。结合图9-图12,红外焦平面探测器10中,红外光敏层130为分体式结构,其包括对应于阵列式的像素电极113 的阵列式的光敏像元;其中,红外光敏层130包括至少两种不同波段的光敏像元,每个光敏像元填充在一个对应的格子内。
其中,不同波段的光敏像元可用于实现对不同波长范围的红外光的探测,通过设置红外光敏层130包括至少两种不同波段的光敏像元,使得该探测器能够实现对至少两种不同波长范围的红外光的探测,由此,该探测器的膜层结构不仅可用于形成单色红外焦平面探测器,还可用于形成双色或多色红外焦平面探测器;进一步地,对于波段的数量以及各波段的波长范围并不限定,可基于探测器的需求,采用对应的红外光敏材料。
示例性地,结合图9-图12,该红外焦平面探测器10中,在网格状公共电极120和阵列式的像素电极113上,覆盖有镶嵌式平面分布的两个不同波段的光敏像元,即红外光敏层130包括第一波段光敏像元 131和第二波段光敏像元132;且,在同一个平面,第一波段光敏像元 131和第二波段光敏像元132交错排布,以确保第一波段光敏像元131 对应的红外图像的分辨率和第二波段光敏像元132对应的红外图像的分辨率均较高。
示例性地,通过对第一波段光敏像元131和第二波段光敏像元132 的光敏材料的选择,可实现双色探测的波长包括中波/中波红外、中波/ 长波红外、短波/中波红外、短波/长波红外、可见光/短波红外、可见光 /中波红外、可见光/长波红外等,在此不限定。
示例性地,结合图11和图12,在网格状公共电极120的每一个网格空间内,都具有一个像素电极113;探测器10工作时,其外接电源的作用下,产生一个由网格中央的像素电极113指向其所在网格状公共电极120的平面方向上的电场,在此网格区间内的红外光敏层区域的第一波段光敏像元131或第二波段光敏像元132内因吸收红外光而产生的内光电子被网格电场俘获,生成电流信号,并经由读出电路将电流信号读出,即将网格区域的红外光信息转为电信号信息,从而完成光-电的信号转化。
能够理解的是,图12的读出电路方式是以光敏元二极管无源像素的电路结构为例阐述工作原理,并不限定读出电路的结构范围。在其他实施方式中,还可采用本领域技术人员可知的其他读出电路结构,可基于探测器的需求设置,在此不限定。
在一些实施例中,继续参照图4,网格状公共电极120的厚度W3 等于或小于1.0μm;红外光敏层130的厚度W4为网格状公共电极120 的厚度W3的1~10倍;像素电极113的厚度W5等于或大于网格状公共电极120的厚度W3。
示例性地,网格状公共电极120的厚度W3可为1.0μm、0.8μm、 0.5μm或其他可选厚度值或可选厚度范围;对应的,红外光敏层130 的厚度W4可为1.0μm、2.0μm、5.0μm或其他可选厚度值或可选厚度范围;对应的,像素电极113的厚度W5可为1.0μm、0.9μm、0.6μm 或其他可选厚度值或可选厚度范围,在此不限定。
其中,上述厚度方向为沿第三方向Z的方向,其垂直于第一方向 X和第二方向Y所确定的平面。
其中,当红外光敏层130的厚度W4等于网格状公共电极120的厚度W3时,红外光敏层130为分体式结构,其红外光敏层130填充在网格状公共电极120的格子内,并与像素电极113欧姆接触(如中未示出);当红外光敏层130的厚度W4大于网格状公共电极120的厚度W3时,红外光敏层130为一体式薄膜结构,其不仅填充在网格状公共电极120的格子内,还溢出格子外并连接,以形成一体式结构。
在一些实施例中,继续参照图1或图4,该探测器10还可包括封装保护层140,覆盖于红外光敏层130背离网格状公共电极120的一侧。
其中,封装保护层140用于对其他膜层进行封装保护,例如隔绝水氧等,从而减缓各功能膜层的性能衰减速度,确保探测器整体的性能稳定性以及较长的使用寿命。
示例性地,封装保护层140可为单层结构,其尽可能薄,以减少对红外光的吸收,从而有利于提高光透过率。示例性地,封装保护层 140可采用有机高分子材料,例如环氧树脂、有机玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、SU-8光刻胶及perfluoro(1-butenyl vinyl ether)聚合物等中的至少一种,或者采用无机绝缘材料,例如氮化硅、氧化硅等;或者采用本领域技术人员可知的其他绝缘材料,在此不限定。
在一些实施例中,继续参照图1或图4,封装保护层140的光透过率大于预设光透过率阈值。
如此设置,使得封装保护层140为对于红外光而言的透明保护膜层,该封装保护层140对红外光的反射和吸收较少,以使尽可能多的红外光透过该封装保护层140而到达其下的红外光敏层130,从而有利于增多红外光的有效吸收,有利于提高信噪比,从而提高红外图像的成像质量。
示例性地,预设光透过率阈值可为85%、90%、93%、95%、98%或者其他可选百分比数值,可基于探测器的需求设置,在此不限定。
本公开实施例提供的具有网格公共电极的高成像均匀性的红外焦平面探测器中,电极电路基底110上设有阵列式的像素电极113,像素电极113被网格状公共电极120的格子对应包围,在像素电极113和网格状公共电极120上覆盖红外光敏层130,在红外光敏层130上覆盖封装保护层140,且封装保护层140设置为透光率较高的透明保护膜层,以使得该探测器中的红外光敏层130能够吸收较多的红外光,从而提高信噪比;同时,像素电极113和网格状公共电极120均设置在红外光敏层130的下方,不会对红外光造成遮挡,光学填充率较高;同时,阵列式的像素电极113在各自的位置处连接读出电路基底111,其中避免了中心位置处和边缘位置处的走线损失差异对信号均匀性的影响,有利于提高成像均匀性和准确性。
本公开实施例还提供了一种红外焦平面探测器的制备方法,可用于制备形成上述实施方式中的任一种具有网格状公共电极结构的红外焦平面探测器。
在一些实施例中,图13示出了本公开实施例提供的一种红外焦平面探测器的制备方法的流程示意图。参照图13,该制备方法可包括:
S201、形成电极电路基底。
其中,电极电路基底上设有阵列式的像素电极。
示例性地,该步骤具体可包括:
步骤一:提供读出电路基底并清洗。
其中,读出电路基底包含内部电信号转移、放大、寻址、读出等功能电路。
步骤二:在读出电路基底上,利用光刻、磁控溅射、真空掩膜蒸镀或者电子束沉积形成阵列式的像素电极。
其中,阵列式的像素电极为可独立选址读取的阵列式像素化电极,采用的像素化电极材料优选为Au、Ag、Al,厚度为100nm~1000nm。
步骤三:覆盖读出电路基底钝化层,以对电极电路基底进行封装保护,只露出各像素电极。
S202、在电极电路基底的一侧形成网格状公共电极。
其中,阵列式的像素电极中每个像素电极均被网格状公共电极的一个格子包围,像素电极与网格状公共电极电绝缘。
示例性地,该步骤具体可包括:
在读出电路基底钝化层上,利用光刻、磁控溅射、真空掩膜蒸镀或者电子束沉积,形成网格状公共电极。
示例性地,一体式网格状公共电极中,每一个格子内均具有一个像素电极;网格状公共电极采用的材料可为Au、Ag、Al,其厚度可为 100nm~1000nm;以格子的形状为正方形为例,单个格子的面积大小可为5μm×5μm~10μm×10μm,单边线宽可为0.5μm~2μm。
S203、在网格状公共电极背离电极电路基底的一侧形成红外光敏层。
其中,红外光敏层至少填充于网格状公共电极的格子内。
可选的,红外光敏层均匀覆盖上述各膜层的表面,且为一体式薄膜结构。
示例性地,可采用全液法喷涂、旋涂或滴涂方式构造红外光敏层。
示例性地,当红外光敏层的材料为量子点时,该步骤具体可包括:
制备胶体红外量子点;例如,选用PbS、HgTe等硫汞族量子点,配制对波长为3μm~5μm的红外光敏感的胶体量子点材料;
在网格状公共电极背离电极电路基底的一侧,利用全液法喷涂、旋涂或滴涂,形成红外光敏层。
以喷涂为例,该步骤具体可包括:进行一次喷涂上述制备的胶体量子点材料,喷涂时间为10s,得到一层量子点膜;将配体交换液EDT 喷涂在量子点膜上进行配体交换,反应时间为30s;然后将异丙醇滴在量子点膜上进行清洗,得到一层表面含有短链配体的量子点膜。按照前述步骤重复10次,以形成红外光敏层。
其中,红外光敏层与阵列式的像素电极之间,以及红外光敏层与网格状公共电极之间均构建欧姆接触。
示例性地,基于红外光敏面层的材料选取,如胶体量子点等的某些类型,对应的探测器的探测波长可达400nm~14μm的范围。
可选的,红外光敏层由填充在网格空间内的多个独立的光敏像元组成。
示例性地,该步骤可包括:光刻以制备第一波段光敏像元,光刻以制备第二波段光敏像元。
其中,红外光敏层可采用光刻的像素化量子点结构,根据量子点的选材和粒径,可实现对400nm~14μm的波长范围内的入射光的探测。基于此,包括第一波段光敏像元131和第二波段光敏像元132的双色探测器能够探测的波长包括中波/中波红外、中波/长波红外、短波/中波红外、短波/长波红外、可见光/短波红外、可见光/中波红外、可见光/ 长波红外等,在此不限定。
示例性地,量子点的材料可包括钙钛矿、ZnSe、ZnS、ZnSe/ZnS、 ZnSe/ZnO、CdSe、CdTe、CdSe/CdS、InP/ZnS、InP/ZnSe/ZnS、InP/InAs、 PbS、PbSe、PbTe、CuInS2、CuInSe2等IIB-VIA族半导体化合物,且其可为二元化合物、三元化合物或四元化合物,可基于探测器的需求设置,在此不限定。
该步骤中,采取光刻工艺形成量子点光敏像元可包括:直接光刻量子点,或者光刻胶光刻。
其中,直接光刻量子点具体可为:选择预设的量子点短链配体,通过喷涂、喷墨打印、旋涂、滴涂的方式在台面成型,最后光刻,即用无掩膜方式在对应的像元位置用特定频率的光波曝光,于是量子点短链相互连接而使量子点固化,最终清洗,在所需要的像元位置形成所需的量子点结构。用该方式分别光刻第一波段和第二波段对应的量子点结构,最终得到双色量子点的平面镶嵌结构。
其中,光刻胶光刻具体可为:采取光刻胶光刻的方式得到双色量子点的平面镶嵌结构。
在其他实施方式中,还可采用本领域技术人员可知的其他方式形成至少两个不同波段的光敏像元,在此不限定。
S204、在红外光敏层背离电极电路基底的一侧形成封装保护层。
示例性地,该步骤具体可包括:
在红外光敏层背离电极电路基底的一侧旋涂在红外波段具有透明窗口的液态材料,例如聚甲基丙烯酸甲酯、SU-8光刻胶及perfluoro(1-butenyl vinyl ether)聚合物等中的至少一种,并退火处理,以形成透明保护膜层,实现封装保护。
即,在红外光敏层上覆盖一层透明保护膜层,该膜层的材料可采用上述材料中的至少一种,以能够对红外波段形成透明窗口,即允许尽可能多的红外光透过,并被其下的红外光敏层吸收,从而有利于提高红外波段的整体吸收量,提高探测准确性。
至此,形成红外焦平面探测器。
其后,还可包括进行器件测试。
本公开实施例提供的红外焦平面探测器的制备方法中,通过在读出电路基底与红外光敏层之间利用掩膜蒸镀、光刻、磁控溅射等方式构造平面网格状公共电极与阵列式像素电极,使得电极结构(包括公共电极和像素电极)均设置在红外光敏层的下方,从而其不会对照射到红外光敏层的红外光造成遮挡,有利于提高红外光敏层接收红外光的有效光敏面积,从而提高光学填充率,提高信噪比,进而提高红外图像的成像质量。
在一些实施例中,红外光敏层可基于胶体红外量子点材料构建;其基于量子束缚效应,可以通过控制量子点的尺寸来控制其吸收波长,从而实现对特定波段的红外光的探测。
在一些实施例中,在电极电路基底和网格状公共电极上,可利用旋涂、滴涂或喷涂的方式直接将胶体红外量子点形成红外量子点膜,以构造红外光敏层。由此,可采用由全液相法制作的红外光敏层,且红外光敏层可为一体式薄膜结构,其无需像素化,工艺简单,成本低,产出率及良品率高。并且,胶体量子点的类型多样,对应形成的探测器可以400nm~14μm波段的红外光。
其中,采用网格状公共电极与阵列式的像素电极结合,利用二者之间的电场对红外光敏层进行像元分割,由此,红外光敏层可为一体式薄膜结构,无需考虑一般像素化红外焦平面探测器的红外光敏像元的坏点情况,工艺简单且性能好。
并且,网格状公共电极、阵列式的像素电极与红外光敏层的结合,使得每一个被分割的“光敏像元”的电学信号被读取时受电路路径长短的影响较小,从而获得较均匀且准确的电信号,以反推得到较准确的红外信号,有利于提高红外成像质量。
在一些实施例中,在读出电路基底上,利用蒸镀、光刻、磁控溅射或电子束沉积的方式形成网格状公共电极与阵列式的像素电极,因此无需采用铟柱生长与倒装互连工艺,极大地简化了工艺,降低了成本,且有利于减少“盲元”,提高红外成像质量。
其中,网格状公共电极与阵列式的像素电极的制备工艺较成熟;同时,采用一体式旋涂、滴涂或喷涂的方式形成红外光敏层,可使红外光敏层及其表面材质均匀,降低了像素化下不同光敏像元的差别而带来的噪声,提高了均匀性。
其中,网格状公共电极和阵列式的像素电极完全埋入红外光敏层中,形成欧姆接触,且不会对红外光敏层造成遮挡,从而可实现较高的光学填充率。即采用将电极完全埋在红外光敏元下的结构,实现了较大的光学填充率,提高了焦平面对红外光的吸收率。
同时,采用电极完全埋入红外光敏层的欧姆接触的结构,还可实现较高的光学透过率。结合上文,由于电极完全埋入红外光敏层下,整个红外光敏层上只有一层用于封装的透明保护膜层;由此,在一定程度上减少了对红外光的阻挡,探测器的光学透过率整体较好。
本公开实施例提供的上述制备方法,可用于制备大面阵的红外焦平面探测器。具体地,结合上述器件结构和制备方法,可看出,通过利用更大的读出电路基底,光刻更大的网格状公共电极,就可以通过溶液法制作更大的大面阵红外焦平面探测器。
在其他实施方式中,本公开实施例提供的上述制备方法也可以用于制备线阵红外焦平面探测器或者其他类型的探测器,在此不限定。
需要说明的是,在本文中,诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本公开的具体实施方式,使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本公开将不会被限制于本文所述的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种具有网格状公共电极结构的红外焦平面探测器,其特征在于,包括:
电极电路基底,所述电极电路基底上设有阵列式的像素电极;
网格状公共电极,设置在所述电极电路基底上,且阵列式的像素电极中每个像素电极均被所述网格状公共电极的一个格子包围,所述像素电极与所述网格状公共电极电绝缘;
红外光敏层,至少填充于所述网格状公共电极的格子内。
2.根据权利要求1所述的探测器,其特征在于,所述网格状公共电极的每一个格子内均设置一个所述像素电极;
所述像素电极位于所述格子的中心。
3.根据权利要求1或2所述的探测器,其特征在于,所述网格状公共电极的每一个格子的面积均相同;
和/或,
所述网格状公共电极的每一个格子的形状均相同。
4.根据权利要求3所述的探测器,其特征在于,所述网格状公共电极中,格子的形状为正多边形或圆形;
其中,所述正多边形的顶角为圆角。
5.根据权利要求1所述的探测器,其特征在于,所述网格状公共电极中,格子的单边线宽为0.5μm~2.0μm。
6.根据权利要求1所述的探测器,其特征在于,所述红外光敏层为一体式薄膜结构;所述红外光敏层还覆盖于所述网格状公共电极背离所述电极电路基底的侧面。
7.根据权利要求1所述的探测器,其特征在于,所述网格状公共电极的厚度等于或小于1.0μm;
所述红外光敏层的厚度为所述网格状公共电极的厚度的1~10倍;
所述像素电极的厚度等于或大于所述网格状公共电极的厚度。
8.根据权利要求1所述的探测器,其特征在于,所述电极电路基底包括读出电路基底、读出电路基底钝化层以及所述像素电极;
所述像素电极与所述读出电路基底电连接,所述读出电路基底钝化层覆盖所述读出电路基底的未连接所述像素电极的表面,以及覆盖所述像素电极的侧面;
所述网格状公共电极设置在所述读出电路基底钝化层背离所述读出电路基底的一侧,所述读出电路基底钝化层实现所述网格状公共电极与所述像素电极之间的电绝缘。
9.根据权利要求1所述的探测器,其特征在于,还包括:
封装保护层,覆盖于所述红外光敏层背离所述网格状公共电极的一侧。
10.根据权利要求9所述的探测器,其特征在于,所述封装保护层的光透过率大于预设光透过率阈值。
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