一种基于衍射型微透镜优化红外焦平面探测器的设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于衍射型微透镜优化红外焦平面探测器的设计方法。该方法优化了可应用于锑化铟红外焦平面阵列探测器的衍射型微透镜的光学相位结构参数及最佳厚度，显示八相位结构有最高的量子效率和最低的串音率，并可获得该结构的最佳厚度。本发明的优点在于，可以通过数值方法设计出不同衍射型微透镜结构的量子效率和串音特性，并结合透镜厚度的变化对上述特性的影响，从而提高了产品的可靠性和性能，并大幅减少了开发费用。本发明对于改善红外焦平面探测器性能和优化器件设计都有着十分重要的意义。
【专利说明】一种基于衍射型微透镜优化红外焦平面探测器的设计方法【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体红外光探测器件性能的设计和测量，具体是指一种优化可应用于锑化铟红外焦平面阵列探测器的衍射型微透镜的相位结构参数及最佳厚度的设计方法。
【背景技术】
[0002]近年来，微透镜阵列与红外焦平面集成技术迅速发展，首先是为了满足军事目的，比如全球监视、全天候条件作战等等，所以用于红外系统的探测器要求探测灵敏度高、重量轻、体积小。在凝视成像系统中，焦平面阵列接收目标辐射的光子并转换成电子或者载流子，并通过读出电路将这些目标信号放大再转移到信号处理电路；而在探测器领域利用微透镜阵列与红外焦平面阵列(IRFPA)相集成，可以改善红外焦平面的性能。衍射型微透镜阵列的设计可以利用衍射光学的理论，采用二元光学技术来制造，表面浮雕结构衍射光学器件就是一种应用。衍射微透镜列阵利用其表面波长量级的三维浮雕结构对光波进行调制、变换，具有轻而薄、设计灵活等特点。作为功能元件，在波前传感、光聚能、光整形等多种系统可得到广泛应用。这种元件的光学特性主要由元件的表面分布决定。由于表面分布包含了元件的整体功能，表面分布一般在几微米的数量级。因此它不会出现全息元件、折变光学和光折射的体效应，并且采用模压的方法可以低廉地复制这种元件。
[0003]由于衍射型微透镜与红外焦平面阵列集成的光探测器的制造存在制作复杂、重复性差、周期长以及某些材料价格昂贵等问题，器件模拟技术就成为期间发展的一个重要工具。通过器件模拟技术，我们可以找到最佳性能器件对应的几何设计参数，并且通过比较不同的设计参数对应的模拟结果，可以设计适用于不同要求，环境下的器件参数。数值模拟不仅减少了开发费用，也改善了产品的可靠性和性能，为器件的优化提供了一种切实可行、省时省力的方法。因此器件模拟技术已经成为光学探测器器件设计和制造过程的一个重要环节。
[0004]本发明通过对衍射型微透镜的设计理论和设计方法的研究，在理论上推导相关设计公式，然后通过ISE-TCAD软件对锑化铟红外焦平面与衍射型微透镜阵列集成之后的探测器进行光探测过程的数据模拟，对模拟结果进行理论分析，从而找出该探测器最佳性能对应的几何结构设计。
【发明内容】
[0005]本发明提供了一种优化可应用于锑化铟红外焦平面阵列探测器的衍射型微透镜的光学相位结构参数及最佳厚度的设计方法，该方法通过数值模拟得到不同相位数和波带数，即不同结构设计类型的衍射型微透镜应用时探测器的量子效率和串音结果，并同时计算了透镜厚度的变化对结果的影响，并发现在八相位结构、四相位结构、八相位两波带和无台阶结构这四种典型的结构中，八相位结构有最高的量子效率和最低的串音率，并获取了该结构的最佳厚度。其步骤如下:
[0006]I).构建二维p+-on-n型锑化铟光伏探测器件模型，根据红外焦平面探测器的光敏面长度为L，P区厚度为dp、硼掺杂浓度为Νρ，η区厚度为dn、砷掺杂浓度为Nn，同时P区和η区分别安装电极以测量输出电压信号结构参数构建器件模型；
[0007]2).根据步骤I)中的结构参数设计不同结构的衍射型微透镜结构的锑化铟光伏型探测器件；由于衍射型微透镜的几何结构完全可以用作为台阶结构定点位置的表面相位分布，以及作为整个透镜本身的硅衬底的厚度决定，于是这里考虑了相位数1、波带数k，透镜厚度h这三个关键参量；
[0008]3).构建物理模型:本数值模拟中利用了时域有限差分进行光学模拟和有限元数值方法进行电学模拟；光学模拟的基本方程是麦克斯韦方程组，得到的光场分布通过与材料电导率相关的理论方程可计算转换为载流子产生率分布；电学模拟的基本方程是泊松方程、电子与空穴的连续性方程、电子输运方程，之前得到的载流子产生率作为光响应加入方程；表面复合也可加入方程，包括SRH复合、Auger复合和辐射复合，同时还要考虑到载流子的热效应、高场饱和效应，用有限元方法离散化联立迭代求解，势垒的隧穿效应为独立方程，与上述方程自洽求解；
[0009]4).调节物理参数，使模拟环境温度为T，外加波长为λ的入射光垂直照射到中间的单元的器件，光功率恒为P，由于采用的是背入射，所以入射光先经过衍射型微透镜会聚再到ρ-η结区，由数值模拟可以得到量子效率和串音；
[0010]5).改变微透镜的厚度h，重复步骤4)，得到不同微透镜的厚度下量子效率和串音随入射光波长变化的曲线；
[0011]6).对于不同结构衍射型微透镜，重复步骤3)?步骤5)，可分别得到不同的相位数k、波带数I类型的衍射型微透镜在各自的不同微透镜的厚度下量子效率和串音随入射光波长变化的曲线；
[0012]7).对上述结果进行综合分析，得到性能最优的结构和参数。
[0013]本发明的优点是:可以通过数值模拟和解析理论研究不同衍射型微透镜结构设计的量子效率和串音结果，并同时计算了透镜厚度的变化对结果的影响，从而减少了开发费用，并改善了产品的可靠性和性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为模拟的器件结构，利用硅衬底表面分布形成衍射型微透镜结构的锑化铟红外焦平面阵列探测器，其中I为硅衬底，2为η型吸收层，3为P型收集层，4为电极1，5为公共电极2，h为微透镜厚度。
[0015]图2为硅衬底衍射型透镜的详细结构示意图，I为相位数，k为波带数。
[0016]图3为模拟的四种典型不同结构的量子效率随微透镜厚度的变化曲线。
[0017]图4为模拟的四种典型不同结构的串音随微透镜厚度的变化曲线。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作详细说明:
[0019]本发明所模拟的器件为二维p+-on-n型锑化铟光伏探测器件，p区掺杂浓度为Np=IO17CnT3, dp为0.8微米，η区掺杂浓度为Nn=1015cm_3，dp为9.2微米，同时p区和η区分别安装电极以测量输出电压信号，见图1。同时环境温度为Τ=77Κ，入射光波长为λ=5.5微米，光功率P=0.000lff/cm^2,厚度h从128微米到196微米间进行变化。
[0020]图2表示的是衍射型微透镜结构的示意图。在建模中利用二维矩形构成台阶结构，再加以网格划分，用于时域有限差分方法进行计算。其中根据光学原理，因为I与k参数的不同，而分为不同相位与波带数的衍射型微透镜。
[0021]图3和图4分别表示的是八相位结构、四相位结构、八相位两波带和无台阶结构这四种不同结构的量子效率和串音随微透镜厚度的变化曲线。
[0022]对于八相位结构，经过计算，在厚度165微米时，有最大的量子效率51.62%，该厚度的串音为5.07% ;而在厚度170微米时，有最小的串音4.96%。而解析理论计算的结果最佳聚焦厚度为193.5微米。期间差异的原因在于，首先最大的量子效率对应最大的光电流，即在扩散长度以内有最大的平均光生载流子产生率，而产生率又由光强所决定，八相位的结构就是为了将光会聚，更多的光子能够被利用；其次光波在传播过程中，伴随着吸收(在硅中传播时也有少量吸收)，当光波传播到厚度为9.2微米的锑化铟η型区时(这个厚度由工艺决定，该值已经很小)，吸收取决于吸收长度Labs,此次计算中，Labs=2.89微米。在光刚进入η型区时，有最大的光生载流子浓度，然后随着深入半导体材料的距离，浓度按指数衰减。虽然在离Ρ-η结区比较远的地方有很多的少数载流子(η区为空穴)，但是这些载流子却不能扩散到Ρ-η结区，即没能产生电流，所以理论焦距d这个参考值比数值模拟的结果偏大。
[0023]量子效率随着厚度的变化整体上是先上升在下降，厚度增加的过程中(从128微米到165微米)，由于八相位结构把光会聚在ρ-η结区的效果越来越明显,从一开始浓度较低的光生载流子溢满整个Ρ-η结区到其刚好充满ρ-η结区，再到浓度较高的载流子集中在Ρ-η结区的中间位置 ，这个过程中量子效率一直处于增加过程，当厚度在增加的时候(165微米到196微米)，ρ_η结区的光生载流子浓度开始降低，集中区域也稍微增大。同时，串音随着厚度的变化也是先上升在下降，这个主要由八相位台阶结构的会聚作用决定，会聚效果越好，则串音较低。
[0024]对于八相位双波带结构，量子效率比八相位低，串音较八相位高很多。因为第二个波带采用了近似处理，最后用八相位结构逼近，可能由于这些处理，第二个波带会聚效果不好。值得一提的是，该结构中最大光生载流子浓度较八相位结构中的最大光生载流子浓度大。
[0025]从量子效率上来看，八相位结构和四相位结构比上无台阶结构都有很大的提升，而八相位结构比四相位结构稍微高一点。从数据上看，八相位结构的量子效率是无台阶结构量子效率的1.35倍左右，这个数值并不高，这是由于.η区锑化铟衬底吸收了大量的光子，由于厚度较大(工艺限制)，大部分没有能够扩散到Ρ-η结区而没能生成光电流，所以微透镜阵列即使有很好的会聚效果，但是实际上大部分光生载流子的浪费，导致量子效率的提高大打折扣；从串音上看，八相位结构就有很大的优势，这从侧面上说明了八相位结构比四相位结构有较好的会聚作用。
【权利要求】
1.一种基于衍射型微透镜优化红外焦平面探测器的方法，其特征在于包括如下步骤: 1).构建二维P+-on-n型锑化铟光伏探测器件模型，根据红外焦平面探测器的光敏面长度为L，p区厚度为dp、硼掺杂浓度为Np，n区厚度为dn、砷掺杂浓度为Nn，同时P区和η区分别安装电极以测量输出电压信号结构参数构建器件模型； 2).根据步骤I)中的结构参数设计不同结构的衍射型微透镜结构的锑化铟光伏型探测器件；由于衍射型微透镜的几何结构完全可以用作为台阶结构定点位置的表面相位分布，以及作为整个透镜本身的硅衬底的厚度决定，于是这里考虑了相位数1、波带数k，透镜厚度h这三个关键参量； 3).构建物理模型:本数值模拟中利用了时域有限差分进行光学模拟和有限元数值方法进行电学模拟；光学模拟的基本方程是麦克斯韦方程组，得到的光场分布通过与材料电导率相关的理论方程可计算转换为载流子产生率分布；电学模拟的基本方程是泊松方程、电子与空穴的连续性方程、电子输运方程，之前得到的载流子产生率作为光响应加入方程；表面复合也可加入方程，包括SRH复合、Auger复合和辐射复合，同时还要考虑到载流子的热效应、高场饱和效应，用有限元方法离散化联立迭代求解，势垒的隧穿效应为独立方程，与上述方程自洽求解； 4).调节物理参数，使模拟环境温度为T，外加波长为λ的入射光垂直照射到中间的单元的器件，光功率恒为P，由于采用的是背入射，所以入射光先经过衍射型微透镜会聚再到ρ-η结区，由数值模拟可以得到量子效率和串音； 5).改变微透镜的厚度h，重复步骤4)，得到不同微透镜的厚度下量子效率和串音随入射光波长变化的曲线； 6).对于不同结构衍射型微透镜，重复步骤3)?步骤5)，可分别得到不同的相位数k、波带数I类型的衍射型微透镜在各自的不同微透镜的厚度下量子效率和串音随入射光波长变化的曲线； 7).对上述结果进行综合分析，得到性能最优的结构和参数。
【文档编号】H01L31/18GK103970933SQ201410121090
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年3月28日 优先权日:2014年3月28日
【发明者】胡伟达, 梁健, 白杰, 叶振华, 陈效双, 陆卫 申请人:中国科学院上海技术物理研究所