一種改善光譜平整度的紅外探測器的制造方法
【專利摘要】本專利公開了一種改善光譜平整度的紅外探測器，它包括金屬電極、襯底、光敏感區和其它介質，金屬電極位于矩形光敏感區的左右兩邊，其它介質位于矩形光敏感區的上下兩邊；所述的其它介質采用與光敏感區相同的材料，電學上與金屬電極和光敏感區隔離。本專利的器件結構簡單且有效，消除了響應光譜譜形的非線形，提高了光譜的平整度。
【專利說明】一種改善光譜平整度的紅外探測器
【技術領域】
[0001]本專利涉及一種紅外探測器的結構，特別涉及一種改善響應光譜平整度的紅外探測器。
【背景技術】
[0002]現代紅外探測技術對國民經濟社會發展具有重要意義。隨著遙感儀器技術的不斷發展，已從點目標探測、掃描成像、多光譜掃描成像發展到超光譜成像，紅外探測器也由單波段單元器件、多元器件、多波段線列器件向單波段紅外焦平面、多波段紅外焦平面和靈巧型集成探測器組件方向發展。一方面，紅外探測器在對地觀測方面具有不可替代的作用。另一方面，紅外焦平面芯片的器件中心距已由幾百微米向幾十甚至十幾微米邁進。當器件結構尺寸與光子波長相近或在一個數量級之內時，光子的波動性開始對器件的性能產生重要影響。此時，經典的碲鎘汞紅外探測器光電響應理論已不再適合于設計這種小面積的長波紅外探測器，器件的光電性能不僅與材料參數有關，器件的幾何結構、周邊環境對器件性能也有著重要影響，特別是器件的響應光譜的平整度依賴于探測器的結構及其工藝方法。
[0003]在國外，美國和歐洲都成功發展了 HgCdTe紅外焦平面探測器。2004年，美國Rockwell公司研制成功512X512長波紅外焦平面組件，芯片的面積是36 μ mX36 μ m，截止波長是9.6 μ m。法國Sofradir公司發展的384X288碲鎘汞長波紅外焦平面，單元面積是25 μ mX25 μ m，響應波段為7. 7 μ m_9. O μ m。德國資源環境衛星BIRDl采用了 2X512碲鎘萊線列焦平面芯片，響應波段是8. 5 μ m_9· 3 μ m,單兀面積是30 μ mX 30 μ m。我國風z?二號D星（2006年底發射）采用雙元的碲鎘汞紅外探測器，長波波段是10. 3 μ m-11. 3 μ m和
11.5“!11-12.5 4 111，單元面積是82 4 11^82 4 111。近年來雖然AlGaAs/GaAs量子阱紅外探測器也有了很大發展，陣列規模已高達640X480，但由于其較低的外量子效率，且一般所需的工作溫度更低。以上這些紅外`焦平面都有一個共同特點，就是其單元尺寸和峰值響應波長都在一個數量級之內。可以預見，器件的單元尺寸還會越來越小。
[0004]光電子器件在小尺寸時，產生了許多非線性現象[1-10]。2008年英國諾丁漢大學報道了新型熱電子熱輻射探測器（HEB)，工作頻率是150 — 200GHz (對應波長是
I.5-2_)，給出了光學耦合優化后的器件結構[9]。此外，英國研究小組發現在遠紅外波段(30-300 μ m)探測器中，當器件的尺寸在幾百微米到I毫米左右時，器件的幾何構型需要優化，以得到最優的光學耦合效率[10]。當碲鎘汞紅外探測器峰值響應波長變長且芯片面積變小之后，光子的波動性也變得突出，器件響應率和響應光譜的平整度表現出與響應波長相關的特征，同時芯片響應的不均勻性增加。而對于超光譜儀器而言，芯片響應光譜譜型的平整度和均勻性，在某種程度上，比芯片探測率的高低更重要。國外文獻對這一現象也有少量報道：響應波長的增加將使得響應的平整度變差，通過在芯片光敏面表面生長一層增透膜和在襯底上增加一些小顆粒的結構，可以提高響應的平整度[11-12]。圖I是美國NASA報道的碲鎘汞長波紅外光導器件，光敏面上有無增透膜的響應光譜[12]。由圖1(a)可知，器件峰值響應波長大于10微米，在峰值附近，響應曲線變得彎曲；在器件光敏面上生長增透膜后，可以改善峰值附近響應的平整度(如圖1(b)所示);但是在其響應波段，隨著波長的增加，響應的平整度還很不理想。究其原因，是沒有考慮到紅外光子的波動性，沒有意識到非光敏感區域也會對光敏感區域的光場分布產生較大的影響。
[0005]本專利提出了一種較為簡單且有效的器件結構，通過在光敏感區域周圍，保留一部分與光敏感區域光學性質相同的材料，基本消除響應光譜譜形的非線形，提高了光譜的平整度。
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【發明內容】
[0019]本專利的目的是提出一種能夠改善響應平整度的紅外探測器，該結構與通常的半導體器件工藝兼容，有效解決了常規紅外探測器，特別是長波紅外探測器的響應光譜譜形的“多峰”技術問題：即在響應波段范圍內，不是一條較為平滑的直線，而是顯現出具有較為明顯起伏的曲線。
[0020]本專利提出的具有改善響應光譜的平整度的紅外探測器的結構示意圖如圖2所不。它包括金屬電極I、襯底2、光敏感區3和其它介質4。金屬電極I位于矩形光敏感區3的左右兩邊，其它介質4位于矩形光敏感區3的上下兩邊。
`[0021]所述的其它介質4采用與光敏感區相同的材料；電學上與金屬電極和光敏感區隔離。
[0022]金屬電極I采用合金結構，如鎘和金雙層結構；襯底2采用藍寶石或其它較為堅硬的絕緣材料；光敏感區3采用對長波紅外敏感的材料，比如最常見的是碲鎘汞材料。
[0023]本專利的紅外探測器制備方法如下：
[0024]將單面拋光并表面處理好的紅外探測器的材料晶片（下面以長波碲鎘汞材料和探測器為例）用環氧樹脂貼片粘結在藍寶石襯底上，環氧樹脂的厚度經過壓片后，一般小于2微米；對碲鎘汞晶片的第二面進行粗拋光到50微米左右，隨后進行化學物理拋光(精拋)，直到8~15微米。對碲鎘汞晶片的第二面進行陽極氧化等鈍化工藝。進行第一次光刻并進行化學腐蝕工藝，先在表面腐蝕出金屬電極區域，接著用磁控濺射方法在金屬電極區域生長歐姆接觸電極，然后去膠并清洗表面。接著進行第二次光刻并在非電極表面生長增透膜，增透膜的厚度可以由紅外探測器的響應峰值波長決定。最后進行第三次光刻和刻蝕工藝，使得光敏感區3與其它介質4區域隔開。對于碲鎘汞長波材料，當組分x=0. 205時，其吸收系數ct = 1660cm 1 ;長波光導器件的締鎘萊厚度一般是10 μ m左右,這樣入射光經過入射和底面反射后，在入射面出射的光大約是3. 5%。
[0025]入射光在碲鎘汞光敏面發生入射和反射，反射光的相對強度與碲鎘汞的折射率有關。取碲鎘汞材料在長波時n=3. 6，則正入射時，反射率是31. 9%。入射光也將在器件的非光敏面處發生反射，這大部分將發生在寶石片的表面。查手冊可知，在處，藍寶石的反射率大約是85%。由于長波光子的波動性，在締鎘萊光敏面處的長波光子與鄰近寶石片處的長波光子的相干性很強，相干長度大約是幾十一幾百微米，而這個尺度與長波光導器件的光敏面大致相同。因此，長波光子將在光導器件表面發生干涉現象，這導致了響應光譜中的多峰現象。通過在光敏面周圍，保留形成具有“圍墻”形狀的、與光敏面材料光學性質一樣的介質材料(如圖2中的其它介質4區域),入射到“圍墻”部分的光將基本被碲鎘汞材料本征吸收，沒有反射光，這就基本消除了原先來自于藍寶石襯底的強烈的反射光，也就消除了紅外光子在光敏區域與其它區域之間發生的光場的不均勻分布現象，這樣就改善了響應光譜的平整度，基本消除了譜形的“多峰”現象。同時，由于“圍墻”結構與光敏感區域電學隔離，所以被其它介質4區域材料所本征吸收的紅外光子不會產生光生電流。
[0026]采用“圍墻”結構、具有改善響應光譜平整度的長波紅外探測器的響應光譜如圖4所示。由圖1和圖4對比可知，在本征響應的波段內，器件的響應光譜具有良好的平整度，基本消除了“多峰”現象。
[0027]本專利的優點在于:第一本專利提出的紅外探測器的響應光譜可以具有較好的平整度；第二該結構的非光敏區域可以采用與光敏區域光學性質相同的材料，即可以采用同一種材料；第三該結構及其工藝都較為簡單，基本不會增加工藝的復雜性或影響芯片的成品率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1是國外文獻[12]報道的碲鎘汞長波紅外光導器件的相對響應光譜:⑷器件光敏面表面無增透膜，(13)器件光敏面表面有增透膜。
[0029]圖2是一種能夠改善光譜平整度的紅外探測器結構示意圖。
[0030]圖3是常規的紅外探測器結構示意圖。
[0031]圖4是采用新器件結構后的長波紅外探測器的響應光譜。
【具體實施方式】:
[0032]下面結合圖2對本專利的【具體實施方式】進行詳細說明。
[0033]1.光敏感區3與其它介質區域4之間的間隔一般不超過紅外探測器響應的峰值波長，在光刻精度和工藝條件允許的范圍內，越小越好。
[0034]2.其它介質區域4，在實際中一般選擇與光敏感區3—樣的材料，比如都是碲鎘汞材料，且光敏感區3和其它介質區域4表面都生長同樣厚度和介質的增透膜，然后利用刻蝕或腐蝕工藝進行電學隔離。這樣紅外光子在光敏感區3和其它介質區域4的表面的反射和相互之間的干涉現象都大為減弱。
[0035]3.其它介質4區域的幾何尺寸應大于紅外探測器響應的峰值波長，在實際中可以取響應的峰值波長的十倍以上。
[0036]4.與光敏感區3臨近的、存在著明顯高度差(與響應峰值波長相比)的區域應覆蓋其它介質4，并與光敏感區3保持電絕緣；沒有高度差或較小的(即小于響應的峰值波長的十分之一)區域無需覆蓋其它介質4，如金屬電極區域1。
【權利要求】
1.一種改善光譜平整度的紅外探測器，它包括金屬電極（I)、襯底（2)、光敏感區（3)和其它介質（4)，其特征在于：金屬電極（I)位于矩形光敏感區（3)的左右兩邊，其它介質（4)位于矩形光敏感區（3 )的上下兩邊；所述的其它介質（4)采用與光敏感區相同的材料，電學上與金屬電極和光敏感區隔離。
【文檔編號】H01L27/146GK203631575SQ201320623863
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2013年10月10日 優先權日:2013年10月10日
【發明者】許金通, 李向陽, 朱龍源, 王妮麗, 儲開慧, 趙水平, 蘭添翼 申請人:中國科學院上海技術物理研究所