专利名称：内调制型铁电非制冷红外焦平面探测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及红外成像技术领域，尤其是一种可以提高铁电探测器帧频和探测率的内调制 型铁电非制冷红外焦平面探测器。
背景技术：
铁电材料的极化性质决定了铁电型探测器工作时需要温度调制，目前采用外加斩波器调 制场景辐射强度的调制方式是依赖光能损失和探测器的自然导热完成调制的，探测器的探测 率小、帧频低。进一步分析可知，光能损失必然会引起探测率的降低，还且不管是混合结构 还是微桥结构的探测器，其几何结构决定了热学参数，热学参数决定工作帧频，受探测器热 学结构和工艺技术限制，所以目前的铁电探测器帧频难以提高，不适应制导等高帧频情况的 应用要求。此外与器件分离的调制器或斩波器的应用形式增大了整机开发应用难度，尤其是 在有帧频要求和体积要求的红外成像系统中。
发明内容
针对现有铁电探测器的技术不足，本发明提出一种内调制型铁电非制冷红外焦平面探测 器，本发明减少了电极数量，增大了器件的填充因子(>90% )，有利于縮小探测元间距(pitch); 减少了光能损失，提高了器件的归一化探测率，有利于提高器件作用距离的热灵敏度；器件
帧频由原来的热学结构控制变成人为控制，大大提高了器件的帧频，有利于器件在高帧频情
况下的应用；去掉了器件的热隔离微桥结构，简化了制作工艺；增加了器件的调制功能，省 去了外部的斩波器，降低了整机开发难度。
本发明提出的内调制型铁电非制冷红外焦平面探测器，包括铁电列阵、量子阱调制器、 读出电路和半导体热电恒温器，其特征在于最上面为铁电列阵，其次是量子阱调制器，再 次为读出电路，最底层为半导体热电恒温器，各部分都为平面结构，通过叠加粘接和互连方 式集成为探测器芯片。
所述的探测器芯片的温度调制通过铁电列阵与读出电路之间设置的量子阱调制器完成。
图1是本发明的铁电列阵背光面为公共电极的探测器结构示意图。 图2是本发明的铁电列阵迎光面为公共电极的探测器结构示意图。
图中各构件标号为铁电列阵l、量子阱调制器2、读出电路3、半导体热电恒温器4。
具体实施例方式
图中所示为本发明提出的内调制型铁电非制冷红外焦平面探测器，探测器主要由铁电列 阵l、量子阱调制器2、读出电路3和半导体热电恒温器4组成，各部分都为平面结构，通过 粘接和互连工艺集成为一个整体。铁电列阵1的作用是吸收光能，实现光热热电转换。量子 阱调制器2的作用是周期性地改变铁电列阵1的温度，实现温度调制。读出电路3的作用是 放大并传输探测元上的电信号。半导体热电恒温器4的作用是稳定芯片温度。如图1所示， 铁电列阵1的迎光面为分立电极，背光面为公共电极，每个探测元上的电极数由原来的2个 变成了1个。如图2所示，铁电列阵1的公共电极与原来相反，即迎光面为公共电极，背光 面为分立电极，这样铁电列阵1与读出电路3的互连相对简化。量子阱调制器2上下两面分 别为电极，中间为量子阱结构层，其内设有供铁电列阵1上电极与读出电路3相连的通孔。 量子阱调制器2的下面为读出电路3，量子阱调制器2可以与读出电路3集成为一体。读出 电路3的下面为半导体热电恒温器，功能没有变化。
从光的传播方向看，最上面为铁电列阵l，其次是量子阱调制器2，再次为读出电路3， 最底层为半导体热电恒温器4。内调制型铁电探测器采用温度调制方式(内调制)，而不是现 在的能量调制方式(外调制)，温度调制通过集成在探测器内部的量子阱调制器2完成。上述 器件的4个部分皆为近似平面结构，通过叠加方式集成为探测器芯片，工艺上与半导体制作 工艺兼容。器件的公共电极可以做在铁电列阵的迎光面上，也可以做在铁电列阵的背光面上。
所述的探测器减少了一个电极，增大了器件的填充因子，有利于缩小探测元间距。提高 了器件的光能利用率，相当于提高了器件的探测力D、有利于扩大器件的作用距离。
采用温度调制方式而不是光能调制方式，调制速度加快，相当于提高了器件的帧频，有 利于器件在高帧频情况下的应用。增加了器件的自我调制功能，省去了外部的调制器，即斩 波器，提高了器件的集成程度，降低了整机开发难度。
其基本原理是在探测器芯片中的铁电列阵1与读出电路3之间设置一个量子阱调制器 2，周期性地控制量子阱调制器2的温度升降，使芯片温度按程序变化；在芯片升温阶段，铁 电列阵1吸收红外辐射引起芯片材料温升，同时量子阱调制器2给铁电列阵1加温，阻止铁 电列阵l向量子阱调制器2和读出电路3传热，减少光能损失；在芯片降温阶段，铁电列阵 1继续吸收红外辐射，但量子阱调制器2变为制冷的吸热状态，制冷速度远大于场景对铁电 列阵1的加热速度，与读出电路3和半导体热电恒温器一起迅速将铁电列阵1的温度降下来， 从而实现温度调制；本发明提供的新型探测器的输出信号包括场景辐射产生的信号和量子阱 调制器2加热产生的信号两个部分，通过信号处理去掉量子阱调制器2的加热信号即可得到
比较纯净的场景辐射信号。位于读出电路3背面的半导体热电恒温器4用来稳定整个芯片的 温度。
对于图1所示情况，其主要工艺过程是
1. 按照给定结构在基底上生长量子阱层，并分别做上作为匀热层的上电极和下电极。
2. 采用半导体刻蚀工艺，在与读出电路电极相对应位置制作环孔。
3. 采用粘接工艺，将铁电薄膜粘接到量子阱调制器的上电极一面。
4. 采用刻蚀工艺，网格化铁电薄膜，形成探测元列阵。
5. 采用刻蚀工艺，在铁电列阵的各探测元上制作环孔。
6. 采用粘接工艺，将读出电路粘接到量子阱调制器上，读出电路的电极面紧贴量子阱调 制器的下电极面。
7. 采用镀膜工艺，使铁电列阵上电极与读出电路互连，并黑化铁电列阵的上电极。
8. 采用粘接工艺，将半导体热电恒温器与读出电路粘合。 对于图2所示情况，其主要工艺过程是
1. 网格化铁电薄膜，形成铁电列阵。
2. 采用镀膜工艺，在铁电列阵网格化的一面制作下电极，在另一面制作上公共电极。
3. 采用镀膜工艺，在铁电列阵下电极上制作量子阱调制器的匀热层。
4. 按照给定结构在匀热层上制作量子阱层。
5. 采用镀膜工艺，在量子阱层上制作下电极。
6. 采用刻蚀工艺，在量子阱层上制作环孔列阵。
7. 采用互连工艺，通过量子阱层中的环孔列阵将读出电路与铁电列阵连接起来。
8. 采用粘接工艺，将半导体热电恒温器粘接到读出电路背面。
权利要求
1、一种内调制型铁电非制冷红外焦平面探测器，包括铁电列阵(1)、量子阱调制器(2)、读出电路(3)和半导体热电恒温器(4)，其特征在于最上面为铁电列阵(1)，其次是量子阱调制器(2)，再次为读出电路(3)，最底层为半导体热电恒温器(4)，各部分都为平面结构，通过叠加粘接和互连方式集成为探测器芯片。
2、 如权利要求1所述的探测器，其特征在于探测器芯片的温度调制通过铁电列阵(1)与读出电路(3)之间设置的量子阱调制器(2)完成。
3、 如权利要求1所述的探测器，其特征在于铁电列阵(1)的迎光面为分立电极，背光面为公共电极。
4、 如权利要求1所述的探测器，其特征在于公共电极可以做在铁电列阵的迎光面上，也可以做在铁电列阵的背光面上。
5、 如权利要求1所述的探测器，其特征在于量子阱调制器(2)上下两面分别为电极，中间为量子阱结构层，其内设有供铁电列阵(1)上电极与读出电路(3)相连的通孔。
6、 如权利要求1所述的探测器，其特征在于量子阱调制器(2)的下面为读出电路(3)， 量子阱调制器(2)与读出电路(3)集成为一体。
7、 如权利要求l所述的一种内调制型铁电非制冷红外焦平面探测器的制作工艺，其工艺步骤是1) .按照给定结构在基底上生长量子阱层，并分别做上作为匀热层的上电极和下电极；2) .采用半导体刻蚀工艺，在与读出电路电极相对应位置制作环孔；3) .采用粘接工艺，将铁电薄膜粘接到量子阱调制器的上电极一面；4) .采用刻蚀工艺，网格化铁电薄膜，形成探测元列阵；5) .采用刻蚀工艺，在铁电列阵的各探测元上制作环孔；6) .采用粘接工艺，将读出电路粘接到量子阱调制器上，读出电路的电极面紧贴量子阱 调制器的下电极面；7) .采用镀膜工艺，使铁电列阵上电极与读出电路互连，并黑化铁电列阵的上电极；8) .采用粘接工艺，将半导体热电恒温器与读出电路粘合。
8、 如权利要求l所述的一种内调制型铁电非制冷红外焦平面探测器的制作工艺，其工艺步骤是:1) .网格化铁电薄膜，形成铁电列阵；2) .采用镀膜工艺，在铁电列阵网格化的一面制作下电极，在另一面制作上公共电极；3) .采用镀膜工艺，在铁电列阵下电极上制作量子阱调制器的匀热层；4) .按照给定结构在匀热层上制作量子阱层；5) .采用镀膜工艺，在量子阱层上制作下电极；6) .采用刻蚀工艺，在量子阱层上制作环孔列阵；7) .采用互连工艺，通过量子阱层中的环孔列阵将读出电路与铁电列阵连接起来;8) .采用粘接工艺，将半导体热电恒温器粘接到读出电路背面。
全文摘要
一种内调制型铁电非制冷红外焦平面探测器，由铁电列阵1、量子阱调制器2、读出电路3和半导体热电恒温器4组成，各部分都为平面结构，通过粘接和互连工艺集成为一个整体；本发明减少了电极数量，增大了器件的填充因子，有利于缩小探测元间距；减少了光能损失，提高了器件的归一化探测率，有利于提高器件作用距离的热灵敏度；器件帧频由原来的热学结构控制变成人为控制，大大提高了器件的帧频，有利于器件在高帧频情况下的应用；去掉了器件的热隔离微桥结构，简化了制作工艺；增加了器件的调制功能，省去了外部的斩波器，降低了整机开发难度。
文档编号G01J5/12GK101201271SQ20071006648
公开日2008年6月18日 申请日期2007年12月21日 优先权日2007年12月21日
发明者吴新社, 锐 王, 王红斌, 毅 蔡, 邓芳轶 申请人:云南民族大学