一种改善光谱平整度的红外探测器结构的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种改善响应光谱平整度的红外探测器结构，它包括金属电极、衬底、光敏感区和其它介质，金属电极位于矩形光敏感区的左右两边，其它介质位于矩形光敏感区的上下两边；所述的其它介质采用与光敏感区相同的材料，电学上与金属电极和光敏感区隔离。本发明的器件结构简单且有效，消除了响应光谱谱形的非线形，提高了光谱的平整度。
【专利说明】一种改善光谱平整度的红外探测器结构
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种红外探测器的结构，特别涉及一种改善响应光谱平整度的红外探测器结构及制备方法。
【背景技术】
[0002]现代红外探测技术对国民经济社会发展具有重要意义。随着遥感仪器技术的不断发展，已从点目标探测、扫描成像、多光谱扫描成像发展到超光谱成像，红外探测器也由单波段单元器件、多元器件、多波段线列器件向单波段红外焦平面、多波段红外焦平面和灵巧型集成探测器组件方向发展。一方面，红外探测器在对地观测方面具有不可替代的作用。另一方面，红外焦平面芯片的器件中心距已由几百微米向几十甚至十几微米迈进。当器件结构尺寸与光子波长相近或在一个数量级之内时，光子的波动性开始对器件的性能产生重要影响。此时，经典的碲镉汞红外探测器光电响应理论已不再适合于设计这种小面积的长波红外探测器，器件的光电性能不仅与材料参数有关，器件的几何结构、周边环境对器件性能也有着重要影响，特别是器件的响应光谱的平整度依赖于探测器的结构及其工艺方法。
[0003]在国外，美国和欧洲都成功发展了 HgCdTe红外焦平面探测器。2004年，美国Rockwell公司研制成功512X512长波红外焦平面组件，芯片的面积是36 umX36u m，截止波长是9.6iim。法国Sofradir公司发展的384X288碲镉汞长波红外焦平面，单元面积是25iimX25iim，响应波段为7.7 y m_9.0 y m。德国资源环境卫星BIRDl采用了 2X512碲镉萊线列焦平面芯片，响应波段是8.5 y m_9.3 y m,单兀面积是30 y mX 30 y m。我国风z?二号D星(2006年底发射)采用双元的碲镉汞红外探测器，长波波段是10.3 ii m-11.3 ii m和
11.511111-12.511111，单元面积是8211111\8211111。近年来虽然AlGaAs/GaAs量子阱红外探测器也有了很大发展，阵列规模已高 达640X480，但由于其较低的外量子效率，且一般所需的工作温度更低。以上这些红外焦平面都有一个共同特点，就是其单元尺寸和峰值响应波长都在一个数量级之内。可以预见，器件的单元尺寸还会越来越小。
[0004]光电子器件在小尺寸时，产生了许多非线性现象[1-10]。2008年英国诺丁汉大学报道了新型热电子热辐射探测器(HEB)，工作频率是150 — 200GHz (对应波长是1.5-2_)，给出了光学耦合优化后的器件结构[9]。此外，英国研究小组发现在远红外波段(30-300 ym)探测器中，当器件的尺寸在几百微米到I毫米左右时，器件的几何构型需要优化，以得到最优的光学耦合效率[10]。当碲镉汞红外探测器峰值响应波长变长且芯片面积变小之后，光子的波动性也变得突出，器件响应率和响应光谱的平整度表现出与响应波长相关的特征，同时芯片响应的不均匀性增加。而对于超光谱仪器而言，芯片响应光谱谱型的平整度和均匀性，在某种程度上，比芯片探测率的高低更重要。国外文献对这一现象也有少量报道:响应波长的增加将使得响应的平整度变差，通过在芯片光敏面表面生长一层增透膜和在衬底上增加一些小颗粒的结构，可以提高响应的平整度[11-12]。图1是美国NASA报道的碲镉汞长波红外光导器件，光敏面上有无增透膜的响应光谱[12]。由图1(a)可知，器件峰值响应波长大于10微米，在峰值附近，响应曲线变得弯曲；在器件光敏面上生长增透膜后，可以改善峰值附近响应的平整度(如图1(b)所示);但是在其响应波段，随着波长的增加，响应的平整度还很不理想。究其原因，是没有考虑到红外光子的波动性，没有意识到非光敏感区域也会对光敏感区域的光场分布产生较大的影响。
[0005]本发明提出了一种较为简单且有效的器件结构，通过在光敏感区域周围，保留一部分与光敏感区域光学性质相同的材料，基本消除响应光谱谱形的非线形，提高了光谱的平整度。
[0006]参考文献: [0007](I)Michael J.Preiner, Ken T.Shimizu, Justin S.White, and NicholasA.Melosh，Efficient optical coupling into metal-1nsulator—metal plasmon modeswith subwavelength diffraction gratings,App1.Phys.Lett., 2008, Vol.92:113109.[0008](2)Kyosuke Sakai,Eiji Miyai, and Susumu Nodaj Coupled-wave model forsquare-lattice two-dimensional photonic crystal with transverse-electric-likemode, App1.Phys.Lett.，2006，Vol.89:021101.[0009](3)K.P.Yap, B.Lamontagne, A.Delage，S.Janzj A.Bogdanov, M.Picard, E.Post, P.Chow-Chongj M.Malloy, D.Roth, P.Marshall, K.Y.Liu, and B.Syrett，Fabrication oflithographically defined optical coupling facets for silicon-on-1nsulatorwaveguides by inductively coupled plasma etching,J.Vac.Sc1.Technol.A，2006，Vol.24(3):812-816.[0010](4) E.A.Dauler, P.1.Hopman，K.A.McIntosh, J.P.Donnel Iy，E.K.Duerr，R.J.Magliocco，L.J.Mahoney, K.M.Molvar，A.Napoleone，D.C.0akley, andF.J.Donnell, Scaling of dark count rate with active area in1.06 u mphoton-counting InGaAsP/InP avalanche photodiodes，Ap p 1.Phy s.Lett.,2006，Vol.89:111102.[0011](5)F.Pistone, P.Tribolet, and M.Vuillermet，High resolutionstaring arrays answering compact MW and LW applications，Opto-Electron.Rev.，2006，Vol.14(2):109-118.[0012](6)M.Carmody, J.G.Pasko，D.EdwalI, E.Piquette，M.Kangas，S.Freeman, J.Arias, R.Jacobs, W.Mason, A.Stoltz, Y.Chen, and N.K.Dharj Status of LWIRHgCdTe-on-SiIicon FPA Technology,J.Electron.Mater., 2008, Vol.37: 1184-1188.[0013](7) J.Y.Andersson, J Alverbro, J.Borgl ind, P.Helander, H.Marti jn, andM.0stlund, 320x240Pixels Quantum Well Infrared Photodetector (QWIP) Array forThermal Imaging!Fabrication and Evaluatio, SPIEj 1997, Vol.3061:740-748.[0014](8) Y.Fuj M.Willander, X.-Q.Liu, W.Lu, S.C.Shenj H.H.Tan, C.Jagadish，J.Zou and D.J.H.Cockayne,Optical transition in infrared photodetectorbased on V-groove A10.5Ga0.5As/GaAs multiple quantum wire,J.Appl.Phys.，2001, Vol.89:2351-2356.[0015](9)Dmitry Morozov,Philip Mauskopf, Christopher Dunscombe，MohamedHenini，Antenna coupled direct detector for millimetre and submillimetreastronomy based on2D electron gas in semiconducting heterostructure,Proc.SPIEj 2008，Vol.7020:702021.[0016](10) Phi I ip Mauskopfa, Dmitry Morozova, Dorota Glowackab, DavidGoldieb，Stafford Withingtonb, Marcel Bruijnc，Piet DeKortecj Henk Hoeversc, MarcelRidderc，Jan Van Der Kuurc，Jian-Rong Gaodj Development of transition edgesuperconducting bolometers for the SAFARI Far-1nfrared spectrometer on theSPICA space-borne telescope,Proc.SPIEj 2008, Vol.7020:70200N.[0017](11) J.W.Little, S.P.Svensson，W.A.Beck, A.C.Goldberg, S.W.Kennerly，T.Hongsmatip,M.Winn,and P.Uppal, Thin active region,type 11 superlatticephotodiode arrays: Single-pixel and focal plane array characterization, J.Appl.Phys.，2007，Vol.101:044514.[0018](12) S.R.Babuj K.Huj S.Manthripragada, R.J.Martineau, C.Kotecki, F.Peters, A.Burgess, D.B.Mott, A.Ewinj A.Miles, T.Nguyen, and P.Shu, Improved HgCdTeDetectors with Novel Ant1-Reflection Coating, Proc.SPIEj 1996，Vol.2816:84-89.
【发明内容】
[0019]本发明的目的是提出一种能够改善响应平整度的红外探测器结构，该结构与通常的半导体器件工艺兼容，有效解决了常规红外探测器，特别是长波红外探测器的响应光谱谱形的“多峰”技术问题:即在响应波段范围内，不是一条较为平滑的直线，而是显现出具有较为明显起伏的曲线。
[0020]本专利提出的具有改善响应光谱的平整度的红外探测器的结构示意图如图2所不。它包括金属电极1、衬底2、光敏感区3和其它介质4。金属电极I位于矩形光敏感区3的左右两边，其它介质4位于矩形光敏感区3的上下两边。
[0021]所述的其它介质4采用与光敏感区相同的材料；电学上与金属电极和光敏感区隔离。
[0022]金属电极I采用合金结构，如镉和金双层结构；衬底2采用蓝宝石或其它较为坚硬的绝缘材料；光敏感区3采用对长波红外敏感的材料，比如最常见的是碲镉汞材料。
[0023]本发明的红外探测器制备方法如下:
[0024]将单面抛光并表面处理好的红外探测器的材料晶片(下面以长波碲镉汞材料和探测器为例)用环氧树脂贴片粘结在蓝宝石衬底上，环氧树脂的厚度经过压片后，一般小于2微米；对碲镉汞晶片的第二面进行粗抛光到50微米左右，随后进行化学物理抛光(精抛)，直到8?15微米。对碲镉汞晶片的第二面进行阳极氧化等钝化工艺。进行第一次光刻并进行化学腐蚀工艺，先在表面腐蚀出金属电极区域，接着用磁控溅射方法在金属电极区域生长欧姆接触电极，然后去胶并清洗表面。接着进行第二次光刻并在非电极表面生长增透膜，增透膜的厚度可以由红外探测器的响应峰值波长决定。最后进行第三次光刻和刻蚀工艺，使得光敏感区3与其它介质4区域隔开。对于碲镉汞长波材料，当组分x=0.205时，其吸收系数ct = 1660cm 1 ;长波光导器件的締镉萊厚度一般是10 ii m左右,这样入射光经过入射和底面反射后，在入射面出射的光大约是3.5%。
[0025]入射光在碲镉汞光敏面发生入射和反射，反射光的相对强度与碲镉汞的折射率有关。取碲镉汞材料在长波时n=3.6，则正入射时，反射率是31.9%。入射光也将在器件的非光敏面处发生反射，这大部分将发生在宝石片的表面。查手册可知，在12pm处，蓝宝石的反射率大约是85%。由于长波光子的波动性,在締镉萊光敏面处的长波光子与邻近宝石片处的长波光子的相干性很强，相干长度大约是几十一几百微米，而这个尺度与长波光导器件的光敏面大致相同。因此，长波光子将在光导器件表面发生干涉现象，这导致了响应光谱中的多峰现象。最后得到的实际器件实物图，如图4所示。在图4中，通过在光敏面周围，保留形成具有“围墙”形状的、与光敏面材料光学性质一样的介质材料(如图2中的其它介质4区域)，入射到“围墙”部分的光将基本被碲镉汞材料本征吸收，没有反射光，这就基本消除了原先来自于蓝宝石衬底的强烈的反射光，也就消除了红外光子在光敏区域与其它区域之间发生的光场的不均匀分布现象，这样就改善了响应光谱的平整度，基本消除了谱形的“多峰”现象。同时，由于“围墙”结构与光敏感区域电学隔离，所以被其它介质4区域材料所本征吸收的红外光子不会产生光生电流。
[0026]采用图4所示“围墙”结构、具有改善响应光谱平整度的长波红外探测器的响应光谱如图5所示。由图1和图5对比可知，在本征响应的波段内，器件的响应光谱具有良好的平整度，基本消除了“多峰”现象。
[0027]本发明的优点在于:第一本发明提出的红外探测器的响应光谱可以具有较好的平整度；第二该结构的非光敏区域可以采用与光敏区域光学性质相同的材料，即可以采用同一种材料；第三该结构及其工艺都较为简单，基本不会增加工艺的复杂性或影响芯片的成品率。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1是国外文献[12]报道的碲镉汞长波红外光导器件的相对响应光谱:(a)器件光敏面表面无增透膜，(b)器件光敏面表面有增透膜。
[0029]图2是一种能够改善光谱平整度的红外探测器结构示意图。
[0030]图3是常规的红外探测器结构示意图。
[0031]图4是采用“围墙”结构、具有改善光谱平整度的长波红外探测器实物图。
[0032]图5是采用新器件结构后的长波红外探测器的响应光谱。
【具体实施方式】:
[0033]下面结合图2对本发明的【具体实施方式】进行详细说明。
[0034]1.光敏感区3与其它介质区域4之间的间隔一般不超过红外探测器响应的峰值波长，在光刻精度和工艺条件允许的范围内，越小越好。
[0035]2.其它介质区域4，在实际中一般选择与光敏感区3—样的材料，比如都是碲镉汞材料，且光敏感区3和其它介质区域4表面都生长同样厚度和介质的增透膜，然后利用刻蚀或腐蚀工艺进行电学隔离。这样红外光子在光敏感区3和其它介质区域4的表面的反射和相互之间的干涉现象都大为减弱。
[0036]3.其它介质4区域的几何尺寸应大于红外探测器响应的峰值波长，在实际中可以取响应的峰值波长的十倍以上。
[0037]4.与光敏感区3临近的、存在着明显高度差(与响应峰值波长相比)的区域应覆盖其它介质4，并与光敏感区3保持电绝缘；没有高度差或较小的(即小于响应的峰值波长的十分之一)区域无需覆盖其它介质4，如金属电极区域I。
【权利要求】
1.一种改善响应光谱平整度的红外探测器结构，它包括金属电极(I)、衬底(2)、光敏感区(3)和其它介质(4)，其特征在于:金属电极(I)位于矩形光敏感区(3)的左右两边，其它介质(4)位于矩形光敏感区(3)的上下两边；所述的其它介质(4)采用与光敏感区相同的材料，电学上与金属电极和光敏感区隔离。
【文档编号】H01L31/09GK103579406SQ201310469889
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年10月10日 优先权日:2013年10月10日
【发明者】许金通, 李向阳, 朱龙源, 王妮丽, 储开慧, 赵水平, 兰添翼 申请人:中国科学院上海技术物理研究所