紫外红外双色焦平面探测器阵列及其性能设计和制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种紫外红外双色焦平面探测器阵列及其性能设计和制备方法。该结构单片集成了Pt/CdS紫外焦平面和InSb红外焦平面，Pt/CdS紫外焦平面受到正面入射，由于红外辐射可以透过CdS到达InSb吸收层，从而可以实现紫外辐射和红外辐射的同时探测。Pt/CdS紫外与InSb红外双色焦平面阵列的工作波段为300～550nm和2.9～5.7μm。本发明的优点在于，Pt/CdS紫外与InSb红外双色焦平面阵列结构中紫外焦平面与红外焦平面距离很近从而共焦，并且紫外红外光敏元上下对齐有利于光学系统的设计。本发明对于实际双色器件的优化设计和制备都有着十分重要的意义。
【专利说明】
紫外红外双色焦平面探测器阵列及其性能设计和制备方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及Pt/CdS肖特基节紫外光探测器件和InSb光伏型红外光探测器件的设计和性能测量，具体是指基于Pt/CdS紫外焦平面和InSb红外焦平面进行紫外波段和红外波段的双色探测方法。
【背景技术】
[0002]多色探测的能力在先进探测系统中有着很重要的地位，通过获取不同波段的信号可以精确辨别探测区域内物体的温度和特征。相比于单色探测，多色探测提供了多维度的对比并可以依据信号处理算法来提高器件灵敏度。比如，双色焦平面探测器阵列可以处理两个波段的辐射信号去除背景杂波和太阳光等干扰信息而只留下目标物体。双色焦平面阵列由于有效信噪比高于单色焦平面探测器阵列而广泛应用于地球行星遥感、天文和军事等领域。
[0003]紫外辐射波段为0.Ο?μπι?0.4μπι，而太阳则是很强的紫外辐射源。对于不同波长的紫外线在大气中的透射率也不同，波长小于280nm的紫外辐射基本都被大气所吸收，而这个波段的紫外辐射也被称为日盲波段。300nm?400nm波段的紫外线能穿过大气到达地面，被称为紫外窗口。军事领域紫外探测技术主要基于近地面紫外窗口的探测。
[0004]对于空中的物体(处于均匀的紫外背景辐射中)，遮挡了被大气散射的紫外辐射并且自身发出红外辐射，则紫外/红外双色焦平面阵列通过同时对紫外辐射信号和红外辐射信号进行处理来探测或跟踪该物体，从而大幅提升识别率。CdS的工作波段为300nm?500nm，包括紫外窗口和一部分可见光波段，同时由于红外福射在CMS材料中有很好的透射性，所以该材料在双色探测器的应用中具有很大优势。同时选取功函数较大的Pt与CdS形成肖特基节，并作为紫外探测器的核心部分。由于InSb材料在中红外波段有高量子效率、高灵敏度的优点和大规模阵列InSb焦平面阵列制作工艺成熟，所以红外探测部分则使用InSb红外焦平面阵列。
[0005]本发明通过设计Pt/CdS紫外与InSb红外双色焦平面阵列，并且通过ISE-TCAD软件数值计算该器件的光谱响应和串音，从而验证紫外和红外双色探测方法的可行性。
【发明内容】
[0006]本发明公开了一种紫外和红外双色焦平面探测器及其性能设计和制备方法。通过数值设计得到Pt/CdS紫外与InSb红外双色焦平面阵列的结构和该结构所对应的光谱响应和工作波段，验证了该器件双色探测的可行性。
[0007]—种紫外红外双色焦平面探测器阵列，包括η型衬底InSb吸收层4，Si02阻挡层3，n型CdS吸收层2，p型InSb吸收层5，所述的紫外红外双色焦平面探测器阵列的结构为:在η型衬底InSb吸收层4上面依次为S12阻挡层3、η型CdS吸收层2和Pt薄膜I，紫外焦平面每个探测器像元所对应的电极6位于Pt薄膜I上，紫外焦平面的公共电极7位于η型CdS吸收层2上；在η型衬底InSb吸收层4背面为P型InSb吸收层5，红外焦平面探测器像元对应的电极8位于P型InSb吸收层5上，红外焦平面的公共电极9位于η型衬底InSb吸收层4上；
[0008]所述的η型衬底InSb吸收层4厚度为dn、砷掺杂浓度为Nn;
[0009]所述的P型衬底InSb吸收层5厚度为dP、硼掺杂浓度为Np;
[0010]所述的CdS吸收层2厚度为cUs、砷掺杂浓度为Ncds;
[0011]所述的Pt薄膜I厚度为dpt。
[0012]双色探测器的性能设计和制备方法如下:
[0013]I).η型衬底InSb吸收层4上面为S12阻挡层3，而2为η型CdS吸收层，Pt薄膜I表面的电极6为紫外焦平面每个探测器像元所对应的电极，7为紫外焦平面的公共电极，P型InSb吸收层5表面的电极，8为红外焦平面探测器像元对应的电极，9为红外焦平面的公共电极。
[0014]2).所述η型衬底InSb吸收层4厚度为dn、砷掺杂浓度为化，所述P型衬底InSb吸收层厚度为dP、硼掺杂浓度为Np，同时P区和η区分别安装电极6和7以测量输出电流信号；
[0015]3).所述Pt薄膜I厚度为dpt，所述CdS吸收层2厚度为dcds、砷掺杂浓度为Ncds，同时在Pt薄膜和CdS吸收层分别安装电极8、9以测量输出电流信号。
[0016]4).构建物理模型。采用有限时域差分法(FDTD)和有限元法(FEM)联合模拟来对器件进行二维数值分析。在FDTD方法模拟电磁场的过程中，先建立各种材料参数的数据库，如各频率对应的电导率、相对介电常数和相对磁导率等，然后对设计的器件结构进行网格划分，结合材料参数和色散模型使用H)TD方法计算目标区域内的电磁场分布并转化为光生载流子浓度分布。在FEM方法模拟器件电学特性的过程中，结合光生载流子浓度分布结果，导入材料的迀移率、带隙、吸收系数、介电常数等参数，并依据经典漂移扩散模型、SRH复合和俄歇复合等基本物理模型计算器件零偏下的电流。
[0017]5).设置环境温度为T，正面入射到中间的紫外探测像元的入射光波长为λ，光功率恒为P，紫外波段的入射光会被CdS吸收层吸收，而红外光则会透过CdS吸收层被InSb吸收层吸收，通过数值模拟不同波长入射光照射情况下的光响应率可以得到光谱响应和串音。
[0018]6).首先根据Pt/CdS紫外和InSb红外双色焦平面阵列的规模制备相应的光刻掩膜版，然后以η型InSb材料为基底使用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)生长厚度为Ιμπι左右的S12，进而使用物理气相传输法(PVT)在S12表面生长厚度为5μπι左右的η型CdS单晶。
[0019]7).通过丙酮和甲醇清洗CdS表面并且使用盐酸溶液去除表面的氧化层，然后使用紫外光刻技术和刻蚀工艺制作CdS台面结构和肖特基节窗口，然后使用射频磁控溅射技术生长高透光率的Pt薄膜电极以形成肖特基接触，并且经过剥离工艺得到紫外焦平面阵列。
[0020]8).将器件放置在干净的玻璃板上(InSb基底朝上)，在器件四周放置适量的蜡并加热，待融化的蜡进入器件底部之后，用三氯乙烯冲洗多余的蜡，并且使用乙醚丙醇冲洗消毒。对η型InSb基底进行抛光减薄，并且进行离子注入形成P+区，再通过光刻工艺、刻蚀工艺、热蒸发方法和剥离工艺制作InSb台面结构和电极。最后加热玻璃板并且使用三氯乙烯冲洗掉粘附的蜡以获得Pt/CdS紫外和InSb红外双色焦平面阵列器件。
[0021]本发明的优点是:Pt/CdS紫外与InSb红外双色焦平面阵列结构中紫外焦平面与红外焦平面距离很近从而共焦，并且紫外红外光敏元上下对齐有利于光学系统的设计。双色焦平面阵列中紫外焦平面处于红外焦平面上层，并且CdS吸收层对于红外波段的入射光几乎是透明的。台面结构的设计减小了光敏区域的面积从而有效降低了暗电流和串音。通过数值模拟的结果验证了 Pt/CdS紫外与InSb红外双色焦平面阵列双色探测的可行性，为实际器件的制备和优化提供理论指导。
【附图说明】
[0022]图1为Pt/CdS紫外与InSb红外双色焦平面阵列的截面示意图。其中I为Pt薄膜，2为η型CdS吸收层，3为Si02阻挡层，4为η型InSb吸收层，5为ρ型InSb收集层，6为紫外焦平面每个探测器像元所对应的电极，7为紫外焦平面的公共电极，8为红外焦平面探测器像元对应的电极，9为红外焦平面的公共电极。
[0023]图2为Pt/CdS紫外与InSb红外双色焦平面阵列归一化光谱响应。
[0024]图3为Pt/CdS紫外与InSb红外双色焦平面阵列的串音。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作详细说明:
[0026]1.构建Pt/CdS紫外与InSb红外双色焦平面阵列二维模型，CdS吸收层厚度cUs设置为4.5μπι，掺杂浓度Ncds为1.6 X 10cm—3，Pt薄膜厚度dpt为8nm，紫外光敏面长度Luv为25μπι。InSb η型吸收层厚度4为9.2μπι，η型掺杂浓度化为1015cm—3，P型掺杂浓度Np为1017cm—3。红外探测像元光敏面长度Lir为15μπι，而焦平面阵列周期为50μπι，见图1。
[0027]2.构建物理模型。使用FDTD方法计算光生载流子浓度在模拟区域的分布，继而将这个结果耦合到电学部分的模拟中，器件的电学性质模拟过程依据漂移扩散模型、SRH复合模型、俄歇复合模型、辐射复合模型和色散模型等基本物理机制进行数值计算，最终获得电流和电压等宏观物理量来研究分析器件的性能和进一步优化结构参数。
[0028]3.设置背景温度为Τ = 77Κ，入射光功率？ = 0.0001胃/(^—2，入射光波长从30011111变化至Ij5.9ym，通过数值模拟得到Pt/CdS紫外与InSb红外双色焦平面阵列的归一化光谱响应(图
2)和串音(图3)。
[0029]4.研究结果显示Pt/CdS紫外与InSb红外双色焦平面阵列的工作波段为300?550nm(紫外)和2.9?5.7μπι(红外)。在紫外波段，器件在入射光波长为500nm时有峰值响应率为0.0403A/W，而在红外波段，入射光波长为5.Ιμπι时有峰值响应率1.07A/W。通过数值模拟验证了 Pt/CdS紫外与InSb红外双色焦平面阵列可以进行紫外波段和红外波段的双色探测。
[0030]5.根据数值模拟结果确定Pt/CdS紫外和InSb红外双色焦平面阵列的几何结构，首先根据该双色焦平面阵列的规模制备相应的光刻掩膜版，然后以η型InSb材料为基底使用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)生长厚度为Ιμπι左右的S12,进而使用物理气相传输法(PVT)在S12表面生长厚度为5μπι左右的η型CdS单晶。
[0031]6.通过丙酮和甲醇清洗CdS表面并且使用盐酸溶液去除表面的氧化层，然后使用紫外光刻技术和刻蚀工艺制作CdS台面结构和肖特基节窗口，然后使用射频磁控溅射技术生长高透光率的Pt薄膜电极以形成肖特基接触，并且经过剥离工艺得到紫外焦平面阵列。
[0032]7.将器件放置在干净的玻璃板上(InSb基底朝上)，在器件四周放置适量的蜡并加热，待融化的蜡进入器件底部之后，用三氯乙烯冲洗多余的蜡，并且使用乙醚丙醇冲洗消毒。对η型InSb基底进行抛光减薄，并且进行离子注入形成ρ+区，再通过光刻工艺、刻蚀工艺、热蒸发方法和剥离工艺制作InSb台面结构和电极。最后加热玻璃板并且使用三氯乙烯冲洗掉粘附的蜡以获得Pt/CdS紫外和InSb红外双色焦平面阵列器件。
【主权项】
1.一种紫外红外双色焦平面探测器阵列，包括η型衬底InSb吸收层(4)Si02阻挡层(3)，n型CdS吸收层(2)，？型11^13吸收层(5)，其特征在于: 所述的紫外红外双色焦平面探测器阵列的结构为:在η型衬底InSb吸收层(4)上面依次为S12阻挡层(3)、η型CdS吸收层(2)和Pt薄膜(I)，紫外焦平面每个探测器像元所对应的电极(6)位于Pt薄膜(I)上，紫外焦平面的公共电极(7)位于η型CdS吸收层(2)上；在η型衬底InSb吸收层(4)背面为P型InSb吸收层(5)，红外焦平面探测器像元对应的电极(8)位于P型InSb吸收层(5)上，红外焦平面的公共电极(9)位于η型衬底InSb吸收层(4)上。2.—种基于权利要求1所述的一种紫外和红外双色焦平面探测器阵列的性能设计方法，其特征在于方法步骤如下: 1).构建物理模型，采用有限时域差分法和有限元法联合模拟来对器件进行二维数值分析，在FDTD方法模拟电磁场的过程中，先建立各种材料参数的数据库，如各频率对应的电导率、相对介电常数和相对磁导率等，然后对设计的器件结构进行网格划分，结合材料参数和色散模型使用FDTD方法计算目标区域内的电磁场分布并转化为光生载流子浓度分布;在FEM方法模拟器件电学特性的过程中，结合光生载流子浓度分布结果，导入材料的迀移率、带隙、吸收系数、介电常数等参数，并依据经典漂移扩散模型、SRH复合和俄歇复合等基本物理模型计算器件零偏下的电； 2).设置环境温度为Τ，正面入射到中间的紫外探测像元的入射光波长为λ，光功率恒为P，紫外波段的入射光会被CdS吸收层吸收，而红外光则会透过CdS吸收层被InSb吸收层吸收，通过数值模拟不同波长入射光照射情况下的光响应率可以得到光谱响应和串音。3.—种制备如权利要求1所述的一种紫外和红外双色焦平面探测器阵列的方法，其特征在于方法步骤如下: 1).首先根据Pt/CdS紫外和InSb红外双色焦平面阵列的规模制备相应的光刻掩膜版，然后以η型InSb材料为基底使用等离子体增强化学气相沉积法生长厚度为Ιμπι左右的S12,进而使用物理气相传输法在S12表面生长厚度为5μπι左右的η型CdS单晶； 2).通过丙酮和甲醇清洗CdS表面并且使用盐酸溶液去除表面的氧化层，然后使用紫外光刻技术和刻蚀工艺制作CdS台面结构和肖特基节窗口，然后使用射频磁控溅射技术生长高透光率的Pt薄膜电极以形成肖特基接触，并且经过剥离工艺得到紫外焦平面阵列； 3).将器件放置在干净的玻璃板上，InSb基底朝上，在器件四周放置适量的蜡并加热，待融化的蜡进入器件底部之后，用三氯乙烯冲洗多余的蜡，并且使用乙醚丙醇冲洗消毒;对η型InSb基底进行抛光减薄，并且进行离子注入形成P+区，再通过光刻工艺、刻蚀工艺、热蒸发方法和剥离工艺制作InSb台面结构和电极;最后加热玻璃板并且使用三氯乙烯冲洗掉粘附的蜡以获得Pt/CdS紫外和InSb红外双色焦平面阵列器件。
【文档编号】H01L31/18GK105914252SQ201610406753
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年6月12日
【发明人】胡伟达, 白杰, 陈效双, 陆卫
【申请人】中国科学院上海技术物理研究所