InGaAs材料MSM结构光电混频探测器的制作方法

本发明涉及非扫描激光四维成像雷达领域。
背景技术：
：激光成像技术是自激光诞生以来20世纪70年代发展起来的一个可对目标成四维像的成像技术。所谓四维像，是指激光成像雷达获取信息丰富，不仅能获取目标二维平面强度像，还能获取目标与雷达系统之间的二维平面距离像(也称为三维距离像)。激光雷达由于可记录激光发射与接收的时间，二者的时间差就是激光往返目标与雷达之间所需时间，按照光速公式，很容易换算成距离；也就是说，激光成像雷达能对目标上不同点处的距离以可分辨的测定，可获取目标的三维距离像。强度像，就是光照到目标上的反射回波信号强度与目标的材质、姿态等固有属性有关，回波信号强度称之为强度像，用灰度等级可以反映出目标不同材质及不同姿态。因此，激光成像雷达可以成目标的四维像(一维强度+三维距离)。直到20世纪90年代末，激光成像雷达一直是采用扫描体制。随着科技不断发展，也随着人们的需求不断提高，扫描体制最大的问题是对目标成一幅像，用时长即帧频数低，这在空中运动平台上，其不足就尤为突出，所以，人们在20世纪90年代末，提出了非扫描体制。1996年美国陆军实验室提出了调频连续波(fm/cw)非扫描激光成像雷达体制，是典型的非扫描体制激光成像雷达系统。该方案将出射激光扩束成面光，可以照亮目标处的一片空域，被照射到的目标各处都将有反射光返回，在接收端有焦平面面阵探测器，用面阵上各像元逐点同时接收回波，经高速信息处理便可得到辐照空域上的目标四维像特征。这种体制显然较扫描体制的成像速率大大提高。成就这种非扫描体制的关键技术是研制出可面阵接收的大面阵高灵敏度的探测器，如同焦平面面阵成像的红外探测器一样。非扫描激光成像雷达的面阵探测器，较红外探测器不同之处主要就在于每个像元都是一个给出距离和光强的高灵敏探测器，具备ns甚者是ps量级的快响应能力。陆军实验室用gaas材料msm结构(金属—非金属—金属结构)光电混频器件，组成非扫描fm/cw激光成像雷达系统，采用电外差技术，实验给出了远距离的目标四维像。msm结构在探测器领域，是一种特指器件，是金属—非金属—金属结构(metal-semiconductor-metal,msm)，这是一种表面光敏的探测器。材料表面刻蚀成叉指状电极，见图7，电极(金属)—半导体材料(非金属)—电极(金属)，两个电极间加上电压，光照后在半导体材料处产生光电子，在两电极间运动形成光电流，通常msm结构是背靠背的两个极向相反的二极管，产生的光电流叠加输出。美国陆军实验室采用由gaas材料做成的msm结构面阵探测器，用连续波输出的半导体激光器(813nm)，由扫频源控制的调制器，输出200mhz-800mhz频宽的啁啾调制信号进行输出，啁啾调制(fm/cw)激光做为出射激光，照射目标，而同时扫频源输出的另一支同频的啁啾调制电压信号，加到探测器上，在探测器各像元上加上了一个啁啾调制的电流信号做为本振电信号。当照射到目标上的光反射返回到探测器上，在探测表面产生光电流(这光电流亦是有一定延时的、同频的、啁啾调制频率的)，这一光电流称为主振电信号，与探测器各像元上加之的本振电信号间产生电混频，其差频信号，便是带有目标四维像信息的信号，经后期处理，便可得到目标区的强度像和距离像的四维像。陆军实验室用此方案和装置，已获得了远处目标的四维图像。但是这一工作进一步发展受到限制，主要是探测器有的材料gaas，其响应波长在0.5～0.9μm波段，而这一波段可用的激光器只有半导体激光器。由于体制是光电混频，这就要求用到的激光器只能是单管的半导体激光器，然而单管半导体激光器输出功率充其量在3-4w之间，不能再做到大的功率输出，这样从激光雷达方程可以看到，成像距离就受到了很大限制。陆军实验室因此也提出了进一步发展的方案，即将发射激光器，改为当时已经发展起来的光纤激光器，特别是1.55μm波长的光纤放大器，与之相适应的msm探测器，因gaas材料响度应波长限制，再用gaas材料就不再匹配。故提出了用ingaas材料做为探测器，但方案提出后，至今尚没报导过用ingaas材料研制的大面阵的(如64×64像元的)msm结构的探测器。国内也有过报导用ingaas材料msm结构探测器做的有关工作。但尚没有对大面阵，比如64×64像元的，ingaas材料msm结构探测器的报道。fm/cw体制需要msm结构的面阵探测器，从需求来总结，这种探测器需要满足如下要求：1.首先应能满足探测器与激光器波长的一致。2.由于fm/cw体制是非扫描体制，探测器是焦平面成像探测，为能实现远距离的成像，探测器响应度要高，即探测器灵敏度要高，响应度定义为a/w，每瓦入射光可在探测器上产生多大的光电流。3.除掉这些对探测器自身性能要求之外，还有一重要的约束，便是这种非扫描激光成像雷达系统，如应用到空中运动平台上，对探测器的要求，还要增加一些新的约束。对这种应用，就有一个小尺寸的要求，探测器本身在保证有足够高的响应度的前提下，需要尽量减少大面阵探测器的光敏面，技术实现要素：本发明的目的是为了满足fm/cw体制的ingaas材料msm结构探测器的需求的问题，从而提供ingaas材料msm结构光电混频探测器。本发明所述的ingaas材料msm结构光电混频探测器，所包括的像元采用64×64阵列式排布，每个像元包括衬底、缓冲层、吸收层、缓变层、势垒增强层和叉指电极；衬底上依次设置缓冲层、吸收层、缓变层、势垒增强层和叉指电极，吸收层的材料为ingaas；每个像元的长和宽均为60μm。64×64像元大面阵ingaas材料、msm结构的光电混频面阵探测器，该类面阵探测器主要用途之一是用于非扫描的激光成像雷达，而这类激光成像雷达又主要是用于空中运动平台上。为提高空间分辨率，需要面阵探测器是大面阵的，即像元数尽量多，本发明研制的是64×64像元的面阵探测器，但为适应空中运动平台上使用，空中运动平台的限制之一便是体积要小。本面阵探测器做为接收系统，它必然要与接收光学天线(光学系统)相匹配，这就对探测器焦平面尺寸提出了要求。按通常的应用，如果探测器有效的接收面积(焦平面)大，则所匹配的接收入光学系统焦长就要长，如果可以减小焦平面尺寸，光学系统的焦长就可降到系统需求，焦长减小了，整个空间平台的体积就可大大减小，使之更加有利于应用。通过silvaco器件分析软件进行仿真，并通过不同批次的材料生长和实际工艺验证，为适应系统的要求，将本发明的光敏面积设计为4.3mm×4.3mm，每个像元的长和宽均为60μm。大面阵即探测器像元数增多，比如64×64像元，总像元数据是4096个像元，这对空间分辨率的提高是非常重要的，可以确保目标图像清晰程度提高，但是大面阵又同时要求尺寸小，这就要求采取措施，优化器件以便取得最佳效果。本发明研制64×64像元大面阵探测器，如果按照像元是100μm，则像面尺寸为6.4mm×6.4mm，对应光学系统焦距长度将大于1m，这是难以满足需求的。为此，必须研制小像元尺寸的面阵msm自混频探测器。根据需求，提出光敏面尺寸为60μm，使激光成像系统体积缩小了近一半，效果十分明显。与国际报道指标相比，gaas材料32×32像元msm结构面阵探测器的面积为8mm×8mm，像面尺寸明显减小。本发明的ingaas材料msm结构光电混频探测器，不仅面阵大、在保证小尺寸的同时具有大的响应度。附图说明图1是具体实施方式一所述的ingaas材料msm结构光电混频探测器的面阵版图；其中，1为起始点，2为信号本振输入奇数列，3为信号本振输入偶数列，4为信号输出奇数行，5为信号输出偶数行，6和7均为接地端；图2是具体实施方式二所述的ingaas材料msm结构光电混频探测器的左下部局部布线示意图；其中，d1为140μm；图3是具体实施方式二所述的ingaas材料msm结构光电混频探测器的右上部局部布线示意图；8对应信号本振输入列，9对应信号输出行；10为旁路电容；图4是具体实施方式二中的芯片有效区与划片槽间距示意图；11为划片槽，d2为40μm，d3为230μm；图5是具体实施方式二中的ingaas材料msm结构光电混频探测器的工作原理示意图；图6是具体实施方式二中的ingaas材料msm结构光电混频探测器的原理示意图；图7是具体实施方式二中的叉指电极的示意图；其中，12为叉指电极，l为叉指电极的间距；图8是具体实施方式二中的ingaas材料msm结构光电混频探测器的纵向剖视图；其中，w为叉指电极的宽度，t为叉指电极的厚度，d为有源区的厚度，l为叉指电极的长度；有源区包括缓冲层、吸收层、缓变层和势垒增强层；图9是具体实施方式二中的ingaas材料msm结构光电混频探测器的制作工艺流程图；图10是ingaas材料msm结构光电混频探测器的像元的示意图；13接地，14为偏置输入端，15为输出端，16为像元；图11是具体实施方式二中的ingaas材料msm结构光电混频探测器的面阵版图及局部放大图；图12是具体实施方式二中的ingaas材料msm结构光电混频探测器的i-v特性曲线；图13是具体实施方式一中的ingaas材料msm结构光电混频探测器的光响应度曲线；图14是具体实施方式二中的ingaas材料msm结构光电混频探测器的光响应度曲线；图15是具体实施方式二中的ingaas材料msm结构光电混频探测器的暗电流特性曲线；图16是具体实施方式二中的ingaas材料msm结构光电混频探测器的c-v特性曲线；图17是具体实施方式二中的ingaas材料msm结构光电混频探测器的频率响应特性曲线；图18是具体实施方式二中的fm/cw非扫描激光成像器组成框图；图19是具体实施方式二中的220米反光板目标成像的示意图；图20是具体实施方式二中的220米目标成像结果的强度像；图21是具体实施方式二中的220米目标成像结果的距离像；图22是具体实施方式二中的ingaas材料msm结构光电混频探测器圆片示意图。具体实施方式具体实施方式一：结合图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的ingaas材料msm结构光电混频探测器，所包括的像元采用64×64阵列式排布，每个像元包括衬底、缓冲层、吸收层、缓变层、势垒增强层和叉指电极；衬底上依次设置缓冲层、吸收层、缓变层、势垒增强层和叉指电极，吸收层的材料为ingaas；每个像元的长和宽均为60μm。为减小光敏面尺寸，首先考虑要减小每个像元尺寸，但减小像元尺寸会带来响应度的降低，为此必须优化，做到在像元尺寸减小同时必须做到有尽量大的响应度。这就要求本发明对64×64像元、ingaas材料、msm结构、光电混频面阵器件，首先通过silvaco器件模拟分析软件进行仿真，然后通过不同批次的材料生长和流片，对实际工艺进行验证、比对，最终选取像元尺寸。本发明经过这一系列工作，最终选取了每个像元尺寸面积为60×60μm2。本发明最终选取了像元面积60×60μm2、64×64像元大面阵的ingaas材料、msm结构光电混频面阵探测器。探测器响应灵敏度只与材料结构工艺有关，与像元多少无关。因此，按照项目计划研制工艺，先流片出单元msm探测器(仅一个像元)，测试结果，如图13所示，响应灵敏度约为0.2a/w。因国际上对ingaas大面阵msm结构光电混频器件响应度尚未见有关设计和实验报导，本发明实现的响应度与对gaas材料32×32像元msm结构光电混频探测器的响应度0.27a/w的报道比对，已经达到相近水平。图1中探测器芯片面积为5×5mm2，光敏面积为4.3×4.3mm2，其中：圆形标志是整个面阵的起始点。具体实施方式二：结合图2至图22具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的ingaas材料msm结构光电混频探测器作进一步说明，本实施方式中，缓冲层的材料为inalas，缓变层的材料为ingaalas，势垒增强层的材料为inalas。所述缓冲层的厚度的范围为270mm至330nm，吸收层的厚度的范围为960mm至1040nm，缓变层的厚度的范围为20mm至30nm，势垒增强层的厚度的范围为8mm至12nm。本实施方式的各层材料及各层材料的厚度，相对于现有光电混频探测器的材料及材料的厚度均进行了改变，通过本实施方式的各层材料的组合和相应的厚度才能得到较高的响应度。本发明开展的ingaas材料，msm结构光电混频探测器研制，经sillvaco器件模拟分析软件仿真及不同批次材料生长、流片和实际工艺进行验证，其材料结构如表1所示，厚度的数值均选择最优值。表1ingaas材料msm结构光电混频探测器材料结构表材料厚度层的名称inalas10nm势垒增强层ingaalas25nm缓变层ingaas1000nm吸收层inalas300nm缓冲层inpsemi(fe)衬底其中，采用inalas材料做为势垒增强层，可以降低暗电流，进而提高响应度，本发明通过调整势垒增强层的厚度，由原来的50nm调整到10nm，经测试，光响应度由最初的0.2a/w提高到0.4a/w，显著提高了器件响应度。本发明减小了像元面积，从而减小光敏面积，但响应度不被减弱，从而使小尺寸大面阵探测器在空中运动平台上的应用有了进一步技术保证。1、探测器制作工艺采用常规化合物半导体工艺，但结合本发明技术指标要求，进行某些工艺优化设计。探测器的制作工艺流程包括有源区台面隔离，sinx介质层淀积刻蚀，叉指梳状金属电极制作，互连金属层制作等。其中sinx介质除了实现行与列金属层隔离外，还起到像元光窗口增透膜作用，叉指肖特基电极金属采用电子束蒸发ti/pt/au和pt/ti/pt/au多层金属。共需六步光刻，两次介质淀积，两次刻蚀，两次金属化，一次电镀和划片等，图9是ingaas材料msm结构光电混频探测器的制作工艺流程图。2、探测器参数测试探测器经材料生长，器件芯片流片，芯片装贴读出电路，用管壳在底板上与管脚绑线和管壳封装后，完成整个探测器的研制，随之对探测器参数进行静态测试(所谓静态测试，指在实验台上对主要参数进行测试)。(1)首先对探测器i-v特性进行测试采用keithley4200半导体参数测试仪，1.55μm波长激光源等对ingaas材料msm结构光电混频探测器的i-v特性(电流—电压)特性进行测试，测试结果见图12，从测试曲线看，器件工作正常。(2)对ingaas面阵探测器光响应测试探测器响应度是其性能最重要的技术指标之一。用keithley4200半导体参数测试仪、1.55μm波长激光源等对探测器进行光响应特性测试，测试结果见图14。(3)同时测试探测器的暗电流特性，其结果见图15，结果显示在5v偏压下，暗电流约5na。(4)用agilent4279c-v测试仪测试了任一探测器的电容—电压(c-v)关系曲线，见图16，测试结果显示：5v偏压下器件的寄生电容为0.2pf。(5)测定探测器频率响应特性，采用矢量网络分析仪，1.55μm波长调制的激光源，对不同偏压任一探测器的频率响应进行测试，如图17所示，可见在5v偏压下，ingaasmsm阵列探测器在-3db时带宽可达1ghz。在图17中，5v偏压下，增益从-29db降落3db，到-32db，横坐标频率是1ghz，因此带宽是1ghz。3、ingaas材料msm结构光电混频探测器组件外场目标成像实验ingaas材料msm结构光电混频探测器封装完，并经过室内静态测试，达到了设计要求后，用此探测器搭建非扫描激光成像雷达系统，开展室内室外目标成像实验。搭建的非扫描激光成像实验装置示意图见图18，其中，17为本发明的探测器，18为时间读出电路。其中激光发射器部分为1.55μm半导体激光器，由调频发生器啁啾调制频谱为200m～800m，经1.55μm光纤放大器，放大到大于10w,由扫频源输出同样频带的啁啾调制电压信号，加到msm器件上做为本振信号，激光发射照射到远处的目标上，反射返回光经光学系统汇集到探测器焦平面光敏面上，产生光电流与本振电流进行电混频，信号经滤波、放大器放大进入数模转化系统(a/d)，转换为数字信号，由图像处理器处理出目标的强度像和距离像(三维几何像)。实验结果见图20和21。在220米处放置由反光板材质做成的目标a，图20和21为探测器探测到的目标回波强度像与距离像。对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。当前第1页12