一种InGaAs阵列探测器及其制备方法与流程

本发明涉及光电探测器领域，具体涉及一种集成像元级微透镜与亚波长金属光栅的ingaas阵列探测器，以及其制备方法。

背景技术：

短波红外ingaas（铟砷化镓）探测器具有可室温工作、高迁移率和可靠性好等优点，是小型化、低成本和高可靠性短波红外探测系统的最佳选择，在微光夜视、激光探测、航天遥感成像等领域有着广泛的应用需求。传统的光探测器只能探测光子的强度信息，而遗漏了光子所携带的偏振、相位等其他信息。光的偏振作为光场的一个重要参数，会随着物体的表面理化特性、观测角度以及内部特性而变化，所以偏振探测是进一步提高目标识别的一种有效手段。

偏振探测成像系统包含分时偏振探测器、分振幅偏振探测器、分孔径偏振探测器和分焦平面偏振探测器，其中分焦平面偏振探测成像具有光路结构简化和实时偏振成像等优点，逐渐成为研究热点。

所谓分焦平面偏振探测器是指把不同偏振方向上的微偏振片集成到焦平面上，其中微偏振片的间距与像元间距相匹配，不同像元探测不同偏振方向。分焦平面偏振探测器采用了超像元的概念，即物理意义上的四个2x2像元组成一个超像元，其中超像元中的4个子像元同时探测不同偏振方向上信息，然后通过计算得到超像元对应的stokes参数。分焦平面偏振探测器的成像原理和彩色成像传感器类似：对于彩色成像传感器，滤光膜直接生长在焦平面的不同像元上；对于分焦平面偏振探测器，则是不同偏振方向微偏振片直接集成在焦平面的不同像元上。

亚波长金属光栅偏振片是一种采用光栅周期小于入射波长的金属光栅来过滤偏振光的薄膜型器件，其制备需要使用纳米级的光刻方法，如：电子束光刻、全息曝光、纳米压印等；光栅材料的选择也主要有au、al、cu、ag和mo等。2007年，milsystechnologies公司成功将四个方向金属线栅偏振片集成到衬底减薄的背入射ingaas探测器焦平面上。为了降低串音，金属光栅偏振片应该与探测器光敏区尽可能地接近。金属线栅是由0°、45°、90°和135°四个偏振方向的超像元单元组成，超像元阵列为80×60。对集成到探测器之前的金属光栅偏振片进行偏振性能测试，平均消光比达到125：1。

但是把相同的金属光栅偏振片集成到背入射ingaas探测器焦平面后，消光比却大大降低到6：1，原因推测是由于不同偏振方向光敏元之间的串音造成。

技术实现要素：

针对上述单片集成亚波长金属偏振光栅的背入射ingaas阵列探测器存在的问题，为了提高分焦平面偏振ingaas探测器的偏振消光比、降低不同光敏元之间的串音，本发明提出一种新型的偏振光电探测器，采用单片集成的方式将像元级微透镜和亚波长金属光栅与ingaas探测器阵列结合起来，实现高消光比、低串音的分焦平面偏振ingaas探测器，可应用于红外偏振探测系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种ingaas阵列探测器，包括背减薄的ingaas探测器阵列和偏振金属光栅阵列，所述的背减薄的ingaas探测器由ingaas光敏元芯片通过in柱与硅读出电路芯片倒装互联而成，所述的ingaas光敏元芯片由inp衬底层和生长在inp衬底层上的ingaas材料层构成，所述的ingaas材料层由从下至上排列的ingaas腐蚀阻挡层、inp缓冲层、ingaas吸收层和inp帽层组成，所述的ingaas光敏元芯片和硅读出电路芯片之间设置有填充胶，in柱与硅读出电路芯片和ingaas光敏元芯之间均设置有打底金属层，所述的偏振金属光栅上方还集成了微透镜。

所述的一种ingaas阵列探测器，其ingaas光敏元芯片上设有和上下层图形结构对准的凹陷标记。

所述的一种ingaas阵列探测器，其偏振金属光栅周围设置有一圈金属保护环。

所述的一种ingaas阵列探测器，其微透镜和偏振金属光栅分别一一垂直对应于ingaas光敏元芯片，微透镜、偏振金属光栅与对应ingaas光敏元芯片的中心重合。

所述的一种ingaas阵列探测器，其填充胶为低温环氧胶。

本发明的目的之二是提供一种ingaas阵列探测器的制备方法，步骤如下：

a）、在inp衬底层上外延生长ingaas外延片，ingaas外延片的结构从下至上分别是inp衬底层、ingaas腐蚀阻挡层、inp缓冲层、ingaas吸收层和inp帽层；

b）、在ingaas外延片上制备台面结光敏元阵列、钝化层和电极接触层，形成ingaas光敏元芯片阵列，在ingaas光敏元芯片阵列的四周制备凹陷型刻蚀标记，刻蚀标记的位置、形状和尺寸与硅读出电路芯片上的刻蚀标记一致；

c）、在硅读出电路芯片和ingaas光敏元芯片阵列上制备打底金属层和in柱阵列，并通过倒装互联和in柱回流工艺实现硅读出电路芯片和ingaas光敏元芯片阵列的电互联，在光敏芯片与硅读出电路芯片之间充入低温环氧胶并在室温下进行固化；

d）、先用机械抛光法去掉大部分的inp衬底层，然后利用湿法腐蚀选择性去除剩余的inp衬底层，接下来仍使用湿法腐蚀选择性腐蚀掉ingaas腐蚀阻挡层，从而实现ingaas光敏元芯片的衬底减薄；

e）、在完成衬底减薄的ingaas光敏元芯片背面覆盖一层透明介质膜；

f）、在介质膜上旋涂正性电子束胶，制备偏振金属光栅阵列和四周的金属刻蚀标记；

g）、对准金属刻蚀标记制备微透镜阵列，微透镜阵列中的各个微透镜和金属光栅阵列中的各个金属光栅一一对应，且中心点上下重合。

进一步，所述的步骤b）中ingaas光敏元芯片阵列上的凹陷型刻蚀标记深度大于1um。

更进一步，所述的步骤d）中腐蚀inp衬底层的腐蚀液成分为37.5%的盐酸溶液和85%的磷酸溶液按3：1的混合，腐蚀温度为25℃；腐蚀ingaas衬底的腐蚀液成分为酒石酸溶液与双氧水按5：1混合，腐蚀温度为35℃。

本发明的有益效果是：

1，通过结合机械抛光和选择性化学腐蚀去除了ingaas光敏元芯片背面的inp衬底层，进一步缩短偏振片与探测器光敏区之间的距离，降低由于光的衍射带来的串音；

2，在光敏元上方的亚波长偏振金属光栅阵列周围加入一圈金属保护环抑制不同光栅块之间的串音；

3，通过单片集成像元级微透镜阵列，利用微透镜阵列对入射光子的汇聚作用，将入射光汇聚到ingaas吸收层中，进一步提高探测器的响应率并降低不同光敏元之间的串音；

4，通过在ingaas光敏元上直接制备对准标记以及引入高精度的电子束曝光套刻技术，提高了光敏元、偏振片和微透镜三者的对准精度，减少由于制作工艺误差带来的串音。

总之，本发明将有助于降低分焦平面偏振ingaas阵列探测器不同光敏元之间的串音，提高偏振光敏元的消光比。

附图说明

图1为本发明ingaas阵列探测器中单个像元的结构剖面图；

图2为本发明ingaas阵列探测器的制备方法流程图；

图3为本发明亚波长偏振金属光栅与金属保护环的示意图（a、b、c、d分别代表4种不同的金属光栅朝向，光栅周围的黑色边框代表了有助于降低串音的金属保护环，四角的十字方块代表了用于对准的管壳刻蚀标记）；

图4所示为本发明制备方法中在inp衬底层上外延生长ingaas外延片；

图5所述为本发明制备方法中在ingaas外延片上制备台面结光敏元阵列；

图6所示为本发明ingaas光敏元芯片与硅读出电路芯片的in柱倒装互联和底部填充工艺；

图7所示为本发明ingaas光敏元芯片的衬底减薄；

图8所示为本发明在ingaas光敏元芯片背面生长一层sio2；

图9所示为本发明在sio2层上制备亚波长偏振金属光栅阵列、金属保护环和金属刻蚀标记；

图10所示为本发明在金属层上生长一定厚度的sio2层；

图11所示为本发明制备sio2微透镜阵列。

各附图标记为：1—硅读出电路芯片，2—打底金属层，3—in柱，4—填充胶，5—inp衬底层，6—ingaas材料层，7—偏振金属光栅，8—微透镜，9—ingaas光敏元芯片。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案的优点更加清楚，以下结合附图对本发明的实施作进一步的描述。

参照图1至图3所示，本发明提供了一种与常规ingaas阵列探测器制备工艺兼容的、可批量生产的片上集成像元级微透镜与亚波长金属光栅的ingaas阵列探测器，针对传统的分焦平面偏振探测器偏振消光比偏低、串音偏大的问题，该方案既能提高ingaas光敏元芯片的响应率，又能减小相邻像元之间的串音，其单个像元的剖面结构图如图1所示，包含了以下部分：硅读出电路芯片1、in柱3和填充胶4、背减薄的ingaas光敏元芯片、偏振金属光栅7和微透镜8。其中所述的背减薄的ingaas探测器由ingaas光敏元芯片9通过in柱3与硅读出电路芯片1倒装互联而成，所述的ingaas光敏元芯片9由inp衬底层5和生长在inp衬底层5上的ingaas材料层6构成，所述的ingaas材料层6由从下至上排列的ingaas腐蚀阻挡层、inp缓冲层、ingaas吸收层和inp帽层组成，所述的ingaas光敏元芯片9和硅读出电路芯片1之间设置有填充胶4，in柱3与硅读出电路芯片1和ingaas光敏元芯片9之间均设置有打底金属层2，所述的偏振金属光栅7上方还集成了微透镜8，入射的红外光子经过微透镜8之后穿过偏振金属光栅7、会聚焦于ingaas光敏元芯片9的ingaas本征吸收层。

为了进一步缩短偏振金属光栅7与探测器光敏区之间的距离，在偏振金属光栅7制备之前还需要通过化学机械抛光和化学腐蚀的方法去掉ingaas光敏元芯片9阵列上的inp衬底层5；在ingaas光敏元芯片9上，还有用于和上下层图形结构对准的凹陷标记。

所述的偏振金属光栅7周围设置有一圈金属保护环，用来抑制相邻亚波长金属光栅块之间的串音；金属膜材料可为au、al、cu、ag和mo等，优选为al。

所述的偏振金属光栅7阵列为通过微纳加工制备在ingaas光敏元芯片9阵列上的亚波长偏振金属光栅，所述的微透镜8阵列为通过微纳加工制备在偏振金属光栅7阵列上的透明介质膜，透明介质膜可以是sio2、sinx以及su-8光刻胶等材料。

所述的微透镜8阵列中的各个微透镜8和偏振金属光栅7阵列中的各个偏振金属光栅7分别一一垂直对应于ingaas光敏元芯片9阵列中的各个ingaas光敏元芯片；且微透镜8的中心、偏振金属光栅7的中心与对应ingaas光敏元芯片9的中心是重合的。

所述的填充胶4为低温环氧胶，在ingaas光敏元芯片9与硅读出电路芯片1之间充入低温环氧胶并在室温下进行固化。

本发明的创新性在于综合采取以下四种措施来提高分焦平面偏振ingaas探测器的偏振消光比、降低不同光敏元之间的串音：

1，通过结合机械抛光和化学腐蚀的inp衬底层减薄工艺进一步缩短偏振片与探测器光敏区之间的距离，降低由于光的衍射带来的串音；通过完全去除ingaas光敏元芯片背面的inp衬底层，进一步缩短亚波长偏振金属光栅与探测器光敏区之间的距离；

2，在亚波长偏振金属光栅阵列周围加入一圈金属保护环抑制不同光栅块之间的串音；在光敏元上方的金属光栅块周围设计一圈金属保护环抑制串音；

3，通过单片集成像元级微透镜阵列，将入射光汇聚到ingaas吸收层中，进一步提高探测器的响应率并降低不同光敏元之间的串音；

4，通过制备工艺方案的创新提高光敏元、偏振片和微透镜三者的对准精度，减少由于制作工艺误差带来的串音。

参照图4至图11所示，下面以具体实施例的方式介绍一下本发明的具体制备流程：

1，在inp衬底层上外延生长ingaas外延片，外延片的结构从下至上分别是inp衬底层、ingaas腐蚀阻挡层、inp缓冲层、ingaas吸收层和inp帽层。inp衬底层为350μm厚的n型半绝缘衬底；ingaas腐蚀阻挡层为500nm厚的n型掺杂in0.53ga0.47as材料，掺杂浓度>1*10¹⁸cm^-3；inp缓冲层为1000nm厚的n型掺杂inp材料，掺杂浓度>1*10¹⁸cm^-3；ingaas吸收层为2000nm厚的非故意掺杂in0.53ga0.47as材料，掺杂浓度<1*10¹⁶cm^-3；inp帽层为500nm厚的p型掺杂inp材料，掺杂浓度>1*10¹⁸cm^-3。材料生长设备可选为金属有机物化学气相沉积设备（mocvd）或者分子束外延生长设备（mbe）。

2，在ingaas外延片上制备台面结光敏元阵列、钝化层和电极接触层，形成ingaas光敏元芯片阵列；台面结光敏元大小为23μm*23μm，周期为30μm，在ingaas光敏元芯片阵列的四周制备凹陷型套刻（刻蚀）标记，刻蚀标记的位置、形状和尺寸必须与硅读出电路芯片上的刻蚀标记一致，这里选用为20μm*20μm的方孔。首先在ingaas外延片上生长400nm厚的sinx作为台面结刻蚀掩膜，通过紫外光刻加干法刻蚀的方法将光敏元阵列的图形和凹陷刻蚀标记的图形转移到sinx薄膜上，在去除光刻胶之后再通过干法刻蚀的方法将sinx掩膜上的图形转移到inp/ingaas外延层上来，inp/ingaas外延层的总刻蚀深度为2600nm。紫外光刻胶可选为正性光刻胶如az4620、az9260等，也可选用负性光刻胶如az5214。干法刻蚀可选用电感耦合等离子体刻蚀机（icp）、反应离子刻蚀机（rie）等设备。ingaas光敏元的钝化可采用等离子体增强的化学气相沉积设备（pecvd）生长sinx或sio2薄膜实现，光敏元的电极接触层可通过电子束蒸发ti/pt/au并进行快速热退火来实现欧姆接触。

3，通过紫外光刻、电子束蒸发、剥离的方法分别在硅读出电路芯片和ingaas光敏元芯片蒸镀制备打底金属层（ubm），打底金属层从下至上的组成为ti/pt/au=50nm/40nm/110nm。然后在打底金属层上通过紫外光刻、热蒸发、剥离、回流缩球等步骤制备in球（in柱）阵列，in球的平均高度为8—10μm。通过倒装互联和in球回流工艺实现硅读出电路芯片和光敏元芯片的电互联，倒装互联工艺可采用set公司生产的高精度倒装焊设备fc150来完成。在光敏芯片与硅读出电路芯片之间充入低温环氧胶并在室温下进行固化。

4，首先利用机械抛光法去掉大部分（大约250μm厚）的inp衬底层，清洗样品并去除样品表面的抛光产物；然后利用湿法腐蚀选择性去除剩余的inp衬底层，接下来仍使用湿法腐蚀选择性腐蚀掉ingaas腐蚀阻挡层（ingaas衬底），从而实现光敏元芯片的衬底减薄。这里用来机械抛光去除inp衬底层的设备为logitech公司的pm6精密研磨抛光系统；用来选择性腐蚀inp衬底层的腐蚀液成分为体积百分比为37.5%的盐酸溶液和体积百分比为85%的磷酸溶液的混合溶液，盐酸溶液和磷酸溶液的体积比优选为3：1，腐蚀温度为25℃；用来选择性腐蚀ingaas衬底的腐蚀液成分为酒石酸溶液与双氧水的混合溶液，酒石酸溶液（重量比酒石酸：h2o=1：1）：h2o2体积比为5：1，腐蚀温度为35℃。

5，在完成衬底减薄的光敏元背面覆盖一层透明介质膜，透明介质膜生长温度不高于150℃。通过电感耦合等离子体增强的化学气相沉积设备（icpcvd）在衬底减薄后的光敏元背面生长100nm厚sio2作为透明介质膜，sio2生长温度可选为80—130℃之间。

6，在sio2层上旋涂正性电子束胶，以光敏元芯片上的凹陷刻蚀标记为定位，通过电子束曝光的套刻工艺、金属镀膜/剥离工艺，制备亚波长金属光栅阵列、金属保护环和四周的金属刻蚀标记。正性电子束胶可以是zep520a、pmma等，所用的电子束曝光系统为vistech公司的ebpg5000+电子束曝光系统。所蒸镀的金属膜为al膜，厚度为100nm；其中光栅周期为400nm，占空比为0.5，光栅块尺寸为28μm*28μm；金属保护环的线条宽度为4μm。图2给出了亚波长金属光栅阵列、金属保护环和四周的金属刻蚀标记的结构示意图。由于该步骤中采用电子束光刻系统直接识别刻蚀在ingaas光敏元芯片上的凹陷刻蚀标记，使得亚波长金属光栅阵列与光敏元像元中心的对准误差大大减小（<50nm），降低了由于制作工艺误差带来的串音。

7，对准金属刻蚀标记制备微透镜阵列，微透镜阵列中的各个微透镜和金属光栅阵列中的各个金属光栅一一对应，且中心点上下重合。微透镜阵列材料可以是sio2、sinx以及su-8光刻胶等材料，微透镜的制备方法可采用光刻胶热熔法或者光刻胶热熔加干法刻蚀转移的方法，干法刻蚀可以采用反应离子刻蚀、电感耦合等离子体刻蚀、离子束刻蚀等各向异性的刻蚀手段。通过电感耦合等离子体增强的化学气相沉积设备（icpcvd）在al金属层上生长5000nm厚sio2，sio2生长温度可选为80—130℃之间。

8，在sio2层上旋涂紫外光刻胶az4620，胶厚为1.1μm，通过紫外光刻的套刻工艺得到正方形（边长=26μm）的周期性光刻胶柱结构，来把光刻胶加热至140℃的熔融状态，光刻胶在其表面张力的作用下便形成了球冠结构。热熔之后的光刻胶高度为约4um，底边尺寸仍为26μm。

9，通过干法刻蚀将az4620光刻胶的微透镜图形转移到下层的sio2上去，刻蚀深度为4.1μm，干法刻蚀工艺需对光刻胶与sio2具有相近的刻蚀速率，即选择比接近1:1。干法刻蚀可以选择反应离子刻蚀、电感耦合等离子体刻蚀、离子束刻蚀等各向异性的刻蚀手段。

即在完成光敏元芯片和硅读出电路芯片倒装互联的探测器芯片上集成具备检偏功能的亚波长金属光栅阵列和具有聚光能力的像元级微透镜阵列。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。