一种红外焦平面像元反光帘、红外焦平面阵列及芯片的制作方法

1.本发明涉及红外焦平面探测器技术领域，特别是涉及一种红外焦平面像元反光帘、红外焦平面阵列及制冷红外焦平面芯片。


背景技术：

2.红外焦平面阵列是红外探测器的核心元件，其功能是将红外辐射转化成能识别的电信号。其具有全天候观测、抗干扰能力强、高分辨能力的特点，已广泛应用于军、民领域，如搜索和跟踪、夜视、卫星遥感、医用和工业热成像等。
3.红外焦平面阵列一般采用台面隔离成结的工艺。传统的芯片结构示意图如图1所示，采用台面刻蚀工艺，将各个像素进行物理隔离，在台面顶部开小孔并通过金属引出像元信号，传递给读出电路，实现光电信号的引出。
4.随着焦平面像元中心距减小，像元间的串音和量子效率成为影响红外光电探测器探测效果的重要因素。
5.串音主要包括因光学导致的光学串音和光生载流子在相邻像元间扩散引起的电学串音。
6.传统的芯片结构示意图如图1所示。各个像元之间是通过刻蚀沟槽形成物理隔离，从而抑制了相邻像元间的电学串音。因芯片的红外光电转换量子效率难实现100％，导致对入射光吸收不完全而到达相邻像元，对相邻像元造成光学串扰，使得像素分辨率降低，严重影响了探测器作用距离和目标识别能力。
7.目前提升红外探测器量子效率和串音的方式，主要是材料性能优化和芯片工艺设计。在材料已定的情况下，如何提升外量子效率和串音是本专利考虑的范围。


技术实现要素：

8.为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种红外焦平面像元反光帘、红外焦平面阵列及芯片，通过在各个像元上设计全封闭式的反光帘结构，降低光串音，同时提高量子效率。
9.根据本发明的第一方面，提供了一种红外焦平面像元反光帘，像元的上表面和所述像元的四周均设置反光帘，所述反光帘至少包括一层具备高反光率的材料，使得所述像元内未吸收完全的入射光被反射。
10.进一步的，所述反光帘为金属材质，所述反光帘生长覆盖至所述像元的上表面形成接触金属与读出电路的互联金属电连接。
11.进一步的，所述反光帘包括粘附层、反光层，所述反光帘采用溅射的方式进行金属图形生长；所述粘附层的厚度大于50纳米，所述反光层的厚度大于200纳米。
12.进一步的，所述粘附层采用粘附性能良好的金属，如钛、铬、锡、钯等；所述反光层采用导电性好、反光率高的金属，如金、铜、银等。可以理解的，所述粘附层的材料包括钛、铬、锡和钯中的任意一种；所述反光层的材料包括金、铜和银中的任意一种。
13.进一步的，所述反光帘为一体式的金属反光帘，所述反光帘覆盖于单个所述像元的上表面及该单个所述像元的四个侧壁，形成全封闭式的金属帘，使得单个所述像元内未完全吸收的入射光能够被多次反射和吸收。
14.进一步的，所述反光帘为分体式的金属反光帘，所述反光帘仅覆盖于单个所述像元的上表面以及两个相邻的侧面，对单个所述像元形成半封闭式的金属帘；单行的所述像元的金属帘的相邻侧面结构分布位置均相同，相邻行的所述像元之间的金属帘的相邻侧面结构左右对称分布，使得各个所述像元的半封闭式的金属帘能够与相邻的所述像元的金属帘侧壁配合形成全封闭式的金属帘，使得单个所述像元内未完全吸收的入射光能够被反射。
15.进一步的，所述反光帘为非金属绝缘材质，所述反光帘浸润覆盖于所述像元之间的隔离槽及所述像元的上表面，形成全封闭式的反光帘，使得所述像元内未完全吸收的入射光能够多次反射和吸收。
16.进一步的，所述像元顶部设置有接触金属，位于所述像元上表面的反光帘具有露出所述接触金属的连接缺口，使得读出电路的互联金属能够与所述接触金属电连接。
17.根据本发明的第二方面，提出了一种红外焦平面阵列，使用本发明第一方面中的反光帘制作而成。
18.根据本发明的第三方面，提出了一种芯片，为制冷红外探测器芯片，使用本发明第一方面中的反光帘制作而成。
19.本发明的有益效果为：
20.本发明为一种红外焦平面像素反光帘、红外焦平面阵列及制冷红外焦平面芯片，在各个像元顶部和侧面设计全封闭式的反光帘，降低像元之间的光串音，提高量子效率，可大大提高芯片性能，且不增加制造成本。
21.本发明采用溅射的方式实现全封闭的金属反光帘结构的生长：第一层生长》50纳米粘附性好的金属，如钛、铬、锡、钯等；第二层生长》200纳米反光性能好的金属，如金、铜、银等。在保证粘合稳定的同时保证良好的反射率，增加量子吸收效率。
22.本发明采用浸润成型的方式实现全封闭的非金属反光帘结构的填充：选高反射率、绝缘的材料，如pvc，对像元阵列进行整体填充，剥离像元顶部使接触金属外露，实现全封闭反光帘的制作，能够有效避免各个像元之间出现短路。
23.本发明的技术方案不同于材料性能优化的难度系数，也不同于像元表面微结构的加工难度，本发明简单有效，适用于所有台面隔离的像元结构。
24.随着焦平面芯片的像元尺寸越来越小和阵列规模越来越大，量子效率和串音指标对成像的影响尤为突出，采用本发明的技术方案，其对成像质量的改善效果会更突出。
附图说明
25.并入到说明书中并且构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与描述一起用于解释本发明的原理。在这些附图中，类似的附图标记用于表示类似的要素。下面描述中的附图是本发明的一些实施例，而不是全部实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1为本发明实施例提高的一种传统的器件的截面示意图；
27.图2为本发明实施例的一种一体式的金属反光帘的使用示意图；
28.图3为本发明实施例的一种分体式的金属反光帘的使用示意图；
29.图4为本发明实施例的一种非金属反光帘的使用示意图。
30.图中：1、读出电路；2、像元；3、金属反光帘；4、非金属反光帘；11、互联金属；21、接触层；22、钝化层；23、接触金属。
具体实施方式
31.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.根据本发明的第一方面，提出了一种红外焦平面像元反光帘，红外焦平面像元为台面结构，请参阅图2、图3、图4，在像元2的上表面和像元2的四周上均设置反光帘，所述反光帘至少包括一层具备高反光率的材料，使得所述像元2内未吸收完全的入射光被反射。
33.其中，像元2四周的反光帘设置于像元2的四周侧壁上。应当明确的是，由于像元2一般是以阵列形式出现的，每个像元2的周围均存在相邻的像元2，因此，本技术中单个像元2的四周侧壁包括自身的四个侧壁以及相邻像元2正对该单个像元2的侧壁，其数量最多为八个，最少为六个。
34.本技术的实施例中，反光帘用于对像元2内未完全吸收的入射光进行反射，使之不被该像元2之外的其他像元2吸收，避免串音现象的发生。
35.实施例一，反光帘可采用金属材质，形成金属反光帘3，反光帘生长覆盖至像元2的上表面，可直接替代常规的接触金属23与读出电路1的互联金属11电连接。必要的，各个像元2的反光帘相互独立，可在隔离槽进行物理隔离、绝缘。
36.反光帘可包括两层结构，并采用溅射的方式进行金属图形生长：第一层生长》50纳米粘附性好的金属，如钛、铬、锡或钯；第二层生长》200纳米的导电性好和反光率高的金属，如金、铜或银。
37.粘附层为第一层，可加固反光帘与像元2的钝化层22之间的连接稳定性；反光层为第二层，可将未完全吸收的入射光进行反射，基于反光帘的实施结构可实现多次反射、多次吸收。
38.应当明确的是，阻挡像元2吸收其他像元2的入射光，即可有效拟制串音，因此，本技术提出了以下两种金属反光帘3的实施方案：
39.作为一种实施方式，请参阅图2，反光帘可为一体式的金属反光帘3，完全罩设于单个像元2上，使得从接触层21进入到像元2内的入射光能够被多次反射、吸收，不能从侧壁、上表面位置射出被其他像元2所吸收，能够有效的阻挡串音。
40.具体的，反光帘覆盖于单个像元2的上表面及该单个像元2的四个侧壁，形成全封闭式的金属帘，使得单个像元2内未完全吸收的入射光能够多次反射和吸收，仅能被该单个像元2所吸收。
41.可以理解的是，此种实施方式可设置隔离槽对金属帘进行物理隔离、绝缘。
42.作为另一种实施方式，请参阅图3，反光帘可为分体式的金属反光帘3，仅在每个像
元2的上表面及两个相邻的侧面设置金属反光帘3，对单个像元2形成半封闭式的金属帘。基于阵列式的像元2实际分布现状，单行的像元2的金属帘的相邻侧面结构的分布位置相同或左右对称分布，相邻行的像元2之间的金属帘的相邻侧面结构位置相同或左右对称分布，最终使得各个像元2的半封闭式的金属帘能够与相邻的像元2的金属帘侧壁配合形成全封闭式的金属帘即可。
43.此种实施方式，像元2的上表面均设置金属反光帘3，但像元2自身的四个侧壁中只有两个侧壁设置了金属反光帘3，且两个侧壁为相邻的侧壁，以俯视的角度进行查看，即为l型。每一行的像元2自身侧壁上的金属帘均为l型分布，且同一行内的l型的金属帘的分布位置相同或呈左右对称状；相邻的两行之间，l型的金属帘的分布位置相同或呈左右对称状。
44.此时，就单个像元2的侧壁而言，其两个侧壁上设置有金属反光帘3，且两个侧壁相邻；其另外两个侧壁上未设置金属帘，但这个两个侧壁所对应的相邻的像元2侧壁上是设置有金属帘的，使得该单个像元2仍处于四个金属帘侧壁的包围之中；当该单个像元2内未完全吸收的入射光射向侧壁之外时，其自身的两个侧壁上的金属帘可直接反射，进行二次吸收；其另外两个侧壁所对应的相邻的像元2侧壁上所设置金属帘则可反射该入射光，防止该入射光进入相邻的像元2内，同样可以有效的避免串音。
45.可以理解的是，在实行本方案时，金属帘之间的间距扩大，对工艺加工窗口更大，且随着隔离槽尺寸的减少，具备更高的可行性。
46.基于上述两种金属反光帘3的实施方案，其工艺步骤仅在金属光刻图形上存在差异；其他的工艺步骤可相同，如下：
47.光刻图形：通过正胶光刻工艺，在芯片表面制备本专利的金属图形，曝光后金属生长区域无光刻胶；
48.金属生长：采用溅射的方式进行本专利金属图形生长，第一层生长＞50nm粘附性好的金属钛，第二层生长＞200nm导电性好和反光率高的金属金；
49.剥离成型：通过丙酮溶液浸泡，去除光刻胶和其表面的金属，得到本专利的金属反光帘3。
50.实施例二，请参阅图4，反光帘可以为非金属绝缘材质，如pvc，以浸润成型的方式覆盖像元2之间的隔离槽、像元2的上表面，对每个像元2同时形成全封闭式的反光帘，即非金属反光帘4，使得每个像元2内未完全吸收的入射光均能够在反光帘内多次反射，被像元2多次吸收。能够直接避免了各个像元2的反光帘之间出现短路的问题。
51.进一步的，可在像元2的顶部设置接触金属23，位于像元2上表面的反光帘具有露出接触金属23的连接缺口，具体可以在接触金属23上所浸润成型的反光帘上开设连接缺口，或者在反光帘浸润成型之前将接触金属23覆盖住，反光帘浸润时无法到达接触金属23上方，待成型之后去除覆盖物从而形成连接缺口，以露出接触金属23，用以实现接触金属23与读出电路1的互联金属11之间的电连接。
52.根据本发明的第二方面，还提供了一种红外焦平面阵列，使用本发明第一方面中的反光帘进行红外焦平面阵列的制作，使得红外焦平面阵列中的各个像元之间不产生串音，同步提高量子效率。
53.根据本发明的第三方面，还提出了一种芯片，芯片可以为红外探测器芯片，芯片使用本发明第一方面中的反光帘制作而成，具体的：
54.实施一在实施时，可安装芯片传统工艺进行刻蚀成结、表面钝化、钝化开孔、金属生长、互联金属、倒焊，仅在金属生长工艺步骤进行改进得到全封闭效果的金属反光帘。
55.实施例二在实施时，可安装芯片传统工艺进行刻蚀成结、表面钝化、钝化开孔、金属生长、互联金属，在倒焊工艺步骤钱，根据需求在隔离槽和像元上表面填充具有反射效果的绝缘材料，可成型为覆盖膜。
56.上面描述的内容可以单独地或者以各种方式组合起来实施，而这些变型方式都在本发明的保护范围之内。
57.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包含一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
…”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
58.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施例只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。