一种微椭球式零串音碲镉汞红外焦平面探测器的制作方法

本发明涉及碲镉汞红外探测器芯片设计制造技术，具体涉及一种微椭球式零串音碲镉汞红外焦平面探测器。该探测器可以实现超低串音的探测，还可以提高红外焦平面探测器的信噪比和探测效率。

背景技术：

红外焦平面阵列技术是现代武器系统的关键基础。碲镉汞材料通过调组分，其禁带宽度所对应的光子波长可以覆盖整个红外波段，是红外套探测器最常用的探测材料，航空、航天、农业和海洋等多个领域都有广泛应用。与锑化铟、铟镓砷以及超晶格材料相比，碲镉汞材料竞争力的核心在于组分的连续可控。随着碲镉汞红外焦平面探测器的探测分辨率要求的不断提高，新一代碲镉汞红外焦平面探测器正向大规模、小型化方向发展。

但是，当像元尺寸进一步缩小，传统结构的碲镉汞红外焦平面探测器将遇到一个关键科学问题，即探测器的分辨率就很难进一步得到提高。这主要是受到以下两个方面因素的限制或影响。这一方面是由于在像元尺寸变小时，传统结构的红外焦平面探测器小尺寸像元之间的光生载流子收集区间距就非常小，会导致较大的空间电学与光学串音问题。另一方面是由于红外焦平面探测器有限面积的小尺寸像元光电流信号比较小，从而导致红外探测器的信噪比、探测率也就相对比较小。所以，当像元尺寸进一步缩小时，传统构形的红外探测器探测分辨率将不仅受到空间电学与光学串音的限制，而且还受到红外探测器的信噪比与探测率很难进一步提高的制约。

为此，本专利提出一种基于微椭球列阵的新构形碲镉汞红外焦平面探测器的新型结构，以解决传统构形的红外探测器在进一步缩小像元尺寸时遇到的探测分辨率不能进一步提高的科学与技术问题，并为后续更大规格、更小像元尺寸红外焦平面探测器的研制奠定基础理论与关键技术基础。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于微椭球阵列的新构形碲镉汞红外焦平面探测器，解决在现有碲镉汞红外焦平面探测器在规模化与小型化过程中，非平衡载流子横向扩散导致电学串音严重，信噪比差，探测效率低以及应力难以释放的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提出了如下技术方案：

一种基于微椭球阵列的新构形碲镉汞红外焦平面探测器，其特征在于：所述探测器所选择的薄膜材料是p1-p2-n+型多层异质结碲镉汞薄膜材料。

进一步的，所述p1-p2-n+型多层异质结碲镉汞薄膜材料的薄膜生长方式为分子束外延生长。

如图1所示，所述红外焦平面探测器的光敏元采用包含一个p-n结的微椭球结构，并通过基区p1层与公共电极相连的模式。

进一步的，所述微椭球阵列基光敏感元红外探测器有源区是完全物理隔离的，可实现超低串音的探测，还可以福分释放探测器芯片的应力；

进一步的，所述微椭球阵列基光敏感元红外探测器采用了具有内部全反射的微椭球结构，在不牺牲红外辐射吸收面积的前提下降低光电p-n结面积；

采用微椭球阵列掩膜技术形成预设的芯片结构，采用诱导耦合等离子体增强反应离子刻蚀技术将微椭球掩膜图形高精度转移到红外焦平面；

采用原子层沉积技术，实现表面的电学和化学防护所述钝化膜的成分为碲化镉和硫化锌的双层钝化，厚度均为200纳米。

所述感光单元的两顿均设有金属电极，所述金属电极的材料为锡、金双层金属通过镀膜工艺蒸镀或者溅射工艺设置于所述光敏单元上。

本发明提供了一种微椭球式零串音碲镉汞红外焦平面探测器，新构形红外焦平面探测器的光敏感元采用包含一个p-n结的微椭球结构，并通过基区p1层与公共电极相连的模式。微椭球列阵基光敏感元红外探测器有源区是完全隔断的，可实现超低串音的探测，还可以部分释放探测芯片的内应力。同时，光敏感元采用了具有内部全反射的微椭球结构(见图1)，这可以实现光电p-n结面积远小于红外辐射吸收面积，能有效提高红外焦平面探测器的信噪比和探测率。

附图说明

图1是传统构形和微椭球的红外焦平面探测器的结构示意图。

图2是微椭球碲镉汞红外焦平面探测器的工作原理。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不收下面公开的具体实施例的限制。

本发明提供的新构形微椭球式碲镉汞红外焦平面探测器，将微椭球结构与传统探测器光敏元结构相结合，采用包含一个p-n结的微椭球结构，并通过基区p1层与公共电极相连的模式。微椭球列阵基光敏感元红外探测器有源区是完全隔断的，可实现超低串音的探测，还可以部分释放探测芯片的内应力。同时，光敏感元采用了具有内部全反射的微椭球结构，这可以实现光电p-n结面积远小于红外辐射吸收面积，能有效提高红外焦平面探测器的信噪比和探测率。

图1示出了传统构形和微椭球的红外焦平面探测器的结构。

如图1所示，本发明实施例提供的微椭球红外焦平面探测器结构，包括碲锌镉衬底6、基区p型碲镉汞层5、p型响应层4、n型碲镉汞层3、铟柱2和读出电路1。p型碲镉汞材料5生长在晶格匹配良好的衬底材料6上，基区p型层上的碲镉汞材料为微椭球结构p型响应层4，p型响应层与n型碲镉汞层3形成pn结，探测器产生的光电流通过铟柱2传输到读出电路1。光敏元的有源区是完全物理隔离的，内部全反射的微椭球结构，在不牺牲红外辐射吸收面积的前提下降低光电p-n结面积；采用原子层沉积技术，实现表面的电学和化学防护所述钝化膜的成分为碲化镉和硫化锌的双层钝化，厚度均为200纳米。把芯片通过镀膜工艺蒸镀或者溅射工艺将锡金形成金半接触，采用铟柱将光电流导出。键压引脚并与电路倒焊混成互联，形成低串音高探测效率的红外焦平面探测器。

图2示出了新型微椭球式红外焦平面探测器的工作原理。图示结构包括gaas(211)衬底1，p1基区层2，p2响应层3，重掺杂n层4。根据红外探测器的光电转换原理，微椭球碲镉汞红外焦平面探测器的探测效率提高倍数为：

考虑到微椭球列阵芯片的加工技术基础，综合评估像元尺寸为20×20μm²的红外探测器探测效率可提高2倍。考虑到目前微椭球探测芯片加工的工艺技术不成熟，红外探测器的探测效率提高1.5倍是合理的。同时，微椭球碲镉汞红外焦平面探测器像元间的电学串音在理论上可以降低到零。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种微椭球式零串音碲镉汞红外焦平面探测器。新构形红外焦平面探测器的光敏感元采用包含一个p‑n结的微椭球结构，并通过基区公共P型层与公共电极相连的模式。微椭球阵列基光敏感元红外探测器有源区是完全隔断的，可实现超低串音的探测，还可以部分释放探测芯片的内应力。同时，光敏感元采用了具有内部全反射的微椭球结构，这可以实现光电p‑n结面积远小于红外辐射吸收面积，能有效提高红外焦平面探测器的信噪比和探测率；解决了器件小型化难题。

技术研发人员：叶振华;崔爱梁;刘棱枫;孙常鸿;张伟婷;胡晓宁;丁瑞军;何力
受保护的技术使用者：中国科学院上海技术物理研究所
技术研发日：2018.10.10
技术公布日：2019.01.18