DE10107555C1 - Infrarotdetektor für eine Bildaufnahmeeinrichtung und Herstellungsverfahren - Google Patents

Abstract

Bei bekanten Bildaufnahmeeinrichtungen wird ein geringer Teil eines einfallenden Strahls einer geeigneten Lichtquelle trotz vorhandener Entspiegelungsschichten an der Oberfläche des Infrarotdetektor reflektiert und tritt als retroreflektierter Strahl durch die Optik der Bildaufnahmeeinrichtung wieder aus, wodurch die Bildaufnahmeeinrichtung am Ort der Lichtquelle detektiert werden kann. In der rasternden Ausführung der Bildaufnahmeeinrichtung ist der (retro-)reflektierte Strahl zudem mit der Frequenz des Schwingspiegels moduliert, was die Detektion mit geeigneten frequenzabstimmbaren Verstärkern noch vereinfacht. DOLLAR A Infrarotdetektor, der in einem für infrarote Strahlung sensiblen Bereich ein ein- oder zweidimensionales Array aus einzelnen Detektorelementen aufweist. Kennzeichnend ist, dass die strahlungszugewandte Oberfläche der Detektorelemente eine Strukturierung zur Reduzierung der Retroreflexion aufweist. DOLLAR A Die beschriebenen erfindungsgemäßen Anordnungen werden insbesondere in Infrarotwellenlängenbereichen eingesetzt und sind von besonderer Bedeutung für die Anwendung in rasternden Wärmebildaufnahmegeräten mit mehreren Zeilen bzw. Spalten. Sie sind jedoch ebenso in starrenden Wärmebildaufnahmegeräten mit einem Array aus Infrarotdetektoren anwendbar.

Description

Die Erfindung betrifft einen Infrarotdetektor nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1. Ein derartiger Detektor ist beispielsweise aus der EP 0 437 102 A2 bekannt.

Derartige Infrarotdetektoren werden bei Bildaufnahmeeinrichtungen, bei­ spielsweise bei Nachtsichtgeräten, eingesetzt. Die Bildaufnahmeeinrichtun­ gen werden in starrender oder in rasternder Ausführung hergestellt. Bei der starrenden Ausführung bildet eine Optik eine aufzunehmende Szene aus n.m Elementen auf ein Mosaik aus n.m Detektorelementen ab. In der rasternden Ausführung bildet ein Schwingspiegel m mal einen jeweils linearen Abschnitt mit n Elementen aus der abzubildenden Szene auf eine Reihe mit n Detek­ torelementen ab; dabei wird in zeitlicher Abfolge ein Szenenbild aus n.m Pi­ xeln erzeugt. In modernen rasternden Ausführungen werden N.n Reihen des Detektors gleichzeitig bestrahlt und die N Signale synchron mit der Bewegung des Schwingspiegels aufaddiert, wodurch sich das Signal-Rausch-Verhältnis um den Faktor √N verbessert.

Die Fig. 3a zeigt einen Ausschnitt aus einem Infrarot-Detektor nach dem Stand der Technik, mit einem für Infrarotstrahlung sensiblen Detektorhybrid 1, das auf einem Substrat 2 montiert ist und aus einem rückseitig bestrahlten infrarotempfindlichen Halbleiterchip und einem Si-Ausleseschaltkreis besteht. Um das Detektorhybrid 1 und das Substrat 2 ist eine Blende 3 mit einer Öff­ nung 8 angeordnet, die gekühlt ist und die jede nicht aus der (nicht darge­ stellten) Optik der Bildaufnahmeeinrichtung einfallende Infrarotstrahlung vom Detektorhybrid 1 fern hält. Die Kaltblende 3 und das Substrat 2 mit dem De­ tektorhybrid 1 sind auf einer ersten Seite einer Trägerplatte 4 montiert. Diese erste Seite der Trägerplatte 4 und die Oberfläche des Detektorhybrids ver­ laufen parallel. Ihre Flächennormale 6 und die optische Achse 7 sind iden­ tisch. Die andere Seite der Trägerplatte 4 ist mit einem Kaltfinger 5 verbunden, der beispielsweise durch einen Stirling-Kühler auf eine für den Betrieb des IR-Detekotorhybrids geeignete, niedrige Temperatur gekühlt wird.

Ein geringer Teil einer mit einem Öffnungswinkel 2.β durch die Öffnung 8 einfallenden Strahlung wird trotz vorhandener Entspiegelungsschichten an der Oberfläche des Detektorhybrids 1 reflektiert und tritt als reflektierte Strahlung durch die Öffnung 8 und die Optik der Bildaufnahmeeinrichtung wieder aus, in Fig. 3a dargestellt am Beispiel der Strahlen 9a und 10a.

Dies hat als schwerwiegenden Nachteil zur Folge, dass ein gewisser Anteil der in die Optik eintretenden Strahlung, beispielsweise eines Lasers mit hin­ reichender Strahlungsleistungsdichte und mit einer Wellenlänge im aktiven Bereich des Detektors, nach der Reflexion am Detektorhybrid 1 von der Optik der Bildaufnahmeeinrichtung in die Ausgangsrichtung zurück reflektiert wird (Retroreflexion) und somit am Ort der Lichtquelle detektiert werden kann. Dies ist beispielsweise im militärischen Bereich unerwünscht, weil die Bild­ aufnahmeeinrichtung damit nachgewiesen und geortet werden kann. In der rasternden Ausführung der Bildaufnahmeeinrichtung ist der retroreflektierte Strahl zudem mit der Frequenz des Schwingspiegels moduliert, was den Nachweis mit geeigneten frequenzabstimmbaren Verstärkern noch verein­ facht.

Die retroreflektierte Strahlungsleistung stammt dabei nahezu ausschließlich von der Komponente im Fokus der Optik, wo das Detektorhybrid 1 angeord­ net ist. Eine besonders hohe retroreflektierte Strahlungsleistung tritt im Bei­ spiel der Fig. 3a auf. Dort sind die Flächennormale 7 des Detektorhybrids 1 und die optische Achse 7 der (nicht dargestellten) Optik deckungsgleich.

Eine gebräuchliche Maßnahme US 5 550 675 A, die retroreflektierte Strahlungsleistung merk­ lich zu vermindern, ist in Fig. 3b dargestellt. Statt des planparallelen Sub­ strats 2 aus Fig. 3a wird ein Substrat 12 verwendet, dessen Oberfläche in der Ebene der Rasterablenkung um einen Winkel α gegenüber der Trägerplatte 4 gekippt ist. Dadurch wird auch die Oberfläche des Detektorhybrids 1 in der Fokalebene gegenüber der optischen Achse um den Winkel α gekippt, so dass die retroreflektierte Strahlung reduziert wird. Dies ist am Beispiel der Strahlen 9b und 10b, sowie 9c und 10c ersichtlich.

Zur optimalen Vermeidung der retroreflektierten Strahlung ist also der Winkel α größer oder mindestens gleich dem Winkel β zu wählen. Der Kippwinkel α muss also umso größer sein, je größer die Öffnung 8 bzw. der Öffnungswin­ kel 2.β der Optik gewählt wird. Große Kippwinkel α der Fokalebene verursa­ chen jedoch einen Verlust der Schärfentiefe und damit eine Verschlechterung der Modulationstransferfunktion, die ein Maß für die thermische und geome­ trische Auflösung der Bildaufnahmeeinrichtung ist und daher nicht beein­ trächtigt werden darf.

Maßnahmen zur Vermeidung dieses Nachteils bestehen darin, das Detektor­ hybrid 1 sehr schmal zu machen und aus nur einer Reihe von Detektorele­ menten aufzubauen, oder die Öffnung 8 und damit den Öffnungswinkel der Bildaufnahmeeinrichtung zu verkleinern (d. h. die F-Zahl heraufzusetzen). Beide Maßnahmen erhöhen jedoch die minimal auflösbare (rauschäquiva­ lente) Temperaturdifferenz des Infrarotdetektors und der Bildaufnahmeein­ richtung und sind daher bei modernen Anwendungen nicht zulässig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Infrarotdetektor für eine Bildaufnahmeeinrichtung so zu gestalten, dass die Retroreflexion merklich verringert wird, ohne die Modulationstransferfunktion oder das thermische Auflösungsvermögen zu beeinträchtigen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Infrarotdetektor mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Die Erfindung eignet sich insbesondere zur Erfassung infraroter Strahlung in rasternden oder starrenden Wärmebildaufnahmegeräten.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Infrarotdetektors nach Anspruch 1 sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nun anhand zweier Ausführungsbeispiele eines Infrarotde­ tektors mit einem rückseitig bestrahlten Detektorhybrid mit N.m Detektor­ elementen unter Zuhilfenahme der Zeichnungen erläutert. Es zeigen

Fig. 1 a-d: das Detektorhybrid eines Infrarotdetektors mit einer ersten Art der erfindungsgemäßen Strukturierung der strahlungszuge­ wandten Oberfläche,

Fig. 2a-c: das Detektorhybrid eines Infrarotdetektors mit einer zweiten Art der erfindungsgemäßen Strukturierung der strahlungszuge­ wandten Oberfläche und

Fig. 3a, b: einen Ausschnitt aus Infrarotdetektoren nach dem Stand der Technik.

Der für infrarote Strahlung bestimmter Wellenlänge empfindliche Teil eines Infrarotdetektors, wie er aus den Fig. 1a-d und den Fig. 2a-c hervor geht, ist ein Detektorhybrid 15, das aus einem Halbleitersubstrat 20 infrarotempfindli­ cher Schicht und einem Array von N.n Detektorelementen 17 und aus einem Si-Ausleseschaltkreis besteht. Die Bestrahlung erfolgt von der Rückseite des Detektorhybrids 15 durch das transparente Halbleitersubstrat 20 hindurch. Die Methoden für die Herstellung des Substrats (beispielsweise CdZnTe), für die epitaktische Aufbringung der infrarotempfindlichen Schicht (beispielsweise CdHgTe) und für die Herstellung des Detektorelement-Arrays sind bekannt.

Wie in Fig. 1a-c gezeigt, ist in einem für Infrarotstrahlung empfindlichen Be­ reich 18 der Breite b und der Länge l eines Detektorhybrids 15 dessen strah­ lungszugewandte Oberfläche 16 so strukturiert, dass über jeder der N Zeilen von m einzelnen Detektorelementen 17 eine Dachstruktur entsteht, die sym­ metrisch zur Mitte 7 angeordnet ist.

Die Breite jedes Streifens ist a, wobei a dem Abstand der Elemente in Raster­ richtung bei rasternden Bildaufnahmeeinrichtungen entspricht. Die einzelnen Detektorelemente 17 liegen in erster Nähe zentrisch, bei genauerer Berech­ nung wegen des nichtorthogonalen Strahlungseinfalls azentrisch zur Mitte jedes Streifens dieser Dachstruktur.

Der Winkel γ der Dachstruktur 18 nach Fig. 1a-c wird so gewählt, dass die auftreffende Strahlung jeweils vollständig in die Kaltblende 3 (vgl. Fig. 3a und 3b) reflektiert wird.

Die strukturierte Oberfläche 16 ist wie im Fall der Fig. 3b nach bekannten Methoden antireflektionsbeschichtet. Die Dicke des an seiner strahlungszu­ gewandten Seite 16 strukturierten Halbleitersubstrats 20 ist soweit reduziert, dass die auftreffende Strahlung aus dem Öffnungswinkel 2.β (und der Optik der Bildaufnahmeeinrichtung) keine der Kanten 19 trifft, solange die gera­ sterte Strahlung das Detektorelement 17 überstreicht. Zur Vermeidung von Streulicht auf das Detektorelement 17 und zur Vermeidung restlicher Retrore­ flexion aus an den Kanten 19 gestreuter Strahlung können diese mit infraro­ tabsorbierendem Material 21 abgedeckt werden (Fig. 1d).

Die erfindungsgemäße Anordnung hat den Vorteil, dass bei gleichermaßen reduzierter Retroreflexion wie in Fig. 3b die Schärfentiefe erhalten bleibt.

Die Fig. 2a-c zeigen das Detektorhybrid 15 mit einer zweiten Art einer erfin­ dungsgemäßen Strukturierung seiner strahlungszugewandten Oberfläche 16. Die Strukturierung des gesamten strahlungsempfindlichen Bereichs 18 erhält einen symmetrischen Querschnitt, da die strahlungszugewandte Oberfläche 16 bei einer ersten von zwei benachbarten Reihen von Detektorelementen 17 um einen Winkel δ und bei einer zweiten Reihe von Detektorelementen 17 um den gleich großen, aber gegensinnigen Winkel -δ verkippt ist. Für den Winkel δ bzw. -δ gilt die für den Winkel γ genannte Bedingung.

Auch durch diese erfindungsgemäße Strukturierung der strahlungszuge­ wandten Oberfläche 16 wird auftreffende Strahlung in die Kaltblende 3 (Fig. 3a, b) reflektiert und gelangt somit wiederum nicht durch das Objektiv nach außen. Bei dieser in den Fig. 2a-c gezeigte Version der Strukturierung wird die möglicherweise streuende Wirkung von Kanten 19 weiter reduziert. Sie können wieder mit infrarotabsorbierendem Material 21 abgedeckt werden.

Die beiden erfindungsgemäßen Strukturierungen sind innerhalb eines De­ tektorhybrids 15 beliebig kombinierbar. Für die vorteilhafte Ausgestaltung ei­ nes Infrarotdetektors 15 besteht eine erste Möglichkeit darin, jede Element­ zeile eines Detektorhybrids 15 individuell zu strukturieren. Eine zweite Mög­ lichkeit der Ausgestaltung besteht darin, dass eine Gruppe von Elementzei­ len, beispielsweise eine Doppelzeile oder Mehrfachzeile oder ein Quadrant, dieselbe Struktur und den selben Kippwinkel γ und -γ bzw. δ und -δ aufwei­ sen.

Die Herstellung der beschriebenen erfindungsgemäßen Strukturierungen der strahlungszugewandten Oberfläche 16 erfolgt durch in der Halbleitertechnik übliche Verfahren der Graustufen-Photolithografie und der Nass- oder Troc­ kenätzung mit ausreichender Präzision. Die zum Herstellen der jeweiligen Strukturierung gebräuchliche Ätztechnik wird normalerweise auf den gesam­ ten Wafer des infrarotempfindlichen Materials angewendet. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, die Ätztechnik am bereits vereinzelten Bauelement 17 anzuwenden, wenn dieses als Chip vorliegt oder wenn es als Hybrid bereits mit dem Ausleseschaltkreis verbunden ist.

Die beschriebenen erfindungsgemäßen Anordnungen werden insbesondere in Infrarotwellenlängenbereichen 3 bis 5 µm und 8 bis 14 µm eingesetzt und sind von besonderer Bedeutung für die Anwendung in rasternden Wärme­ bildgeräten mit mehreren Zeilen bzw. Spalten, d. h. N.m Detektorelementen. Sie sind jedoch ebenso in starrenden Wärmebildgeräten mit Mosaik aus n.m Detektorelementen anwendbar.

Claims (9)

1. Infrarotdetektor für eine Wärmebildaufnahmeeinrichtung, bestehend aus einem ein- oder zweidimensionalen Detektorhybrid (15) mit Detektorelemen­ ten (17), dadurch gekennzeichnet, dass die strahlungszugewandte Ober­ fläche (16) des Detektorhybrids (15) eine Strukturierung zur Reduzierung der Retroreflexion aufweist.

2. Infrarotdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nor­ male (6) der strahlungszugewandten Oberfläche (16) jedes Detektorelements (17) um einen Winkel (γ) gegen die optische Achse (7) der Bildaufnahmeein­ richtung verkippt ist und dass der Winkel (γ) ausreichend groß ist, um die an der strahlungszugewandten Oberfläche (16) reflektierte Strahlung (10a, 10b, 10c) jeweils in eine Kaltblende (3) zu reflektieren.

3. Infrarotdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeilen von Detektorelementen (17) in einem ersten Teilbereich an der strahlungszu­ gewandten Oberfläche (16) einen Winkel (γ), in einem zweiten Teilbereich an der strahlungszugewandten Oberfläche (16) einen gleich großen, aber ge­ gensinnigen Winkel (-γ) aufweisen.

4. Infrarotdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste von zwei benachbarten Zeilen von Detektorelementen (17) an der strahlungs­ zugewandten Oberfläche (16) einen Winkel (δ) und die zweite einen gleich großen, aber gegensinnigen Winkel (-δ) aufweisen und dass dieser Winkel (δ) ausreichend groß ist, um die an der strahlungszugewandten Oberfläche (16) reflektierte Strahlung (10a, 10b, 10c) jeweils in die Kaltblende (3) zu reflektie­ ren.

5. Infrarotdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, dass zwischen benachbarten Detektorelementen (17) an der strahlungszugewandten Oberfläche (16) auftretende Kanten (19) mit einer absorbieren­ den Schicht (21) abgedeckt sind.

6. Infrarotdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, dass die strahlungszugewandte, strukturierte Oberfläche (16) des De­ tektorhybrids (15) eine Antireflexionsbeschichtung aufweist.

7. Infrarotdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, dass er für die Infrarotwellenlängenbereiche 3 bis 5 µm und 8 bis 14 µm, bei denen die Atmosphäre transparent ist, ausgelegt ist.

8. Verfahren zur Herstellung eines Infrarotdetektors nach einem der Ansprü­ che 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung durch Photoli­ thographie und Nass- oder Trocken-Ätztechnik am gesamten Wafer des Infra­ rot-Detektormaterials hergestellt wird.

9. Verfahren zur Herstellung eines Infrarotdetektors nach einem der Ansprü­ che 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung durch Photoli­ thographie und Nass- oder Trocken-Ätztechnik am einzelnen Detektorhybrid (15) hergestellt wird.