基于GeSn红外探测器的红外夜视仪的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微电子技术领域，特别涉及红外夜视仪，可用于气象，医疗，国防以及报警系统等。
【背景技术】
[0002]红外热成像夜视仪又称为被动红外夜视仪，主要包括:光学系统、探测器、信号处理器和显示器，如图1所示。光学系统，采用常规的光聚集装置，主要用于处理物体所发出的红外线，以提高红外线强度;探测器，将由光学系统聚集的红外线光信号转化为电信号，实现红外图像的拍摄；信号处理器，包含DSP处理器和ARM处理器等，用于修复和识别红外图像，将数字信号转变为模拟信号，传送至输出端;显示器，优选彩屏高分辨率显示器，接收输出端的模拟信号，并呈现为图像信号。
[0003]探测器，是红外夜视仪的核心部件，主要是通过半导体技术实现，其由上、下金属电极以及吸收区组成。目前，用于该谱段红外夜视仪的吸收区的半导体材料主要为II1-V族材料InGaAs ,GaInAsSb、InGaSb和I1-VI材料HgCdTe。InGaAs材料在近红外波段性能优异，而HgCdTe材料的相关红外器件是目前性能最好的中红外器件，且可以通过调节材料中Hg的组分可以实现带隙0-0.8eV的连续可调。然而无论使用II1-V族或者I1-VI族材料，本身都会引起环境问题而且成本非常高。IV族元素无毒、环保且储量丰富，可用于改善上述m-v族和π -VI族材料所面临的问题，且Ge元素在1.3-1.55μπι波段范围内有较高的感光效率。但是由于Ge材料为间接带隙半导体材料，则制约了其感光效率的提升，从而限制了红外夜视仪的灵敏度与感光效率。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于针对上述问题，提供一种基于GeSn红外探测器的红外夜视仪，以提高红外夜视仪的灵敏度与感光效率。
[0005]实现本发明目的的技术关键是:通过采用GeSn材料制备红外探测器，在使禁带宽度减小的同时，促使能带结构由间接带隙向直接带隙转变，从而实现感光频率提高。该红外夜视仪包括:
[0006]光学系统，用于接收并聚集物体所发出的红外线，照射在探测器上；
[0007]探测器，用于将聚集的红外线由光信号转化为数字电信号，传输给信号处理器；
[0008]信号处理器，用于将数字电信号转变为模拟电信号，传输给显示器；
[0009]显示器，接收模拟电信号，并以图像形式呈现；
[0010]其特征在于:所述探测器采用GeSn红外探测器，它包括衬底、下电极、吸收区和上电极，该吸收区采用通式为Ge1-xSnx的GeSn材料，其中χ为Sn的组分，且O < x < 0.25。
[0011]上述基于GeSn红外探测器的红外夜视仪，其特征在于:下电极、吸收区和上电极依次由下至上分布在衬底。
[0012]上述基于GeSn红外探测器的红外夜视仪，其特征在于:衬底采用单晶Ge材料或其他单晶材料。
[0013]上述基于GeSn红外探测器的红外夜视仪，其特征在于:信号处理器，是用DSP处理器和ARM处理器连接组成。
[0014]上述于GeSn红外探测器的红外夜视仪，其特征在于:光学系统，核心为光学聚焦系统，其形式为混合式聚焦系统，即透射式和反射式混合而成。
[0015]本发明具有如下优点:
[0016]1、感光效率高，吸收边红移可调。
[0017]本发明由于其探测器采用的GeSn材料，由于即在Ge材料中引入了Sn元素，因此使得GeSn材料的能带结构由从间接带隙结构向直接带隙结构转变，同时，禁带宽度逐步减小，扩大了吸收波长范围，提高了感光效率，从而提高了红外夜视仪的性能。
[0018]2、成本低廉、无毒环保
[0019]本发明中的探测器采用IV族材料，同现有的II1-V族材料和I1-V I材料相比，IV族材料无毒环保、价格低廉。
【附图说明】
[0020]图1为本发明的结构框图；
[0021]图2为本发明中的探测器截面图；
[0022]图3为本发明中探测器制造工艺流程图。
【具体实施方式】
[0023]为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0024]参照图1，本实例包括:光学系统、探测器、信号处理器和显示器。其中:
[0025]光学系统，用于聚集物体所发出的红外线，并将其放大。其核心是光学聚焦系统，优选混合式聚焦系统，即透射式和反射式混合而成，但不用于限定这两种；
[0026]探测器，用于将聚集的红外线光信号转化为电信号，提高感应频率和吸收波长；
[0027]信号处理器，优选但限定用DSP处理器和ARM处理器连接组成，用于修复和识别红外图像，将数字电信号转变为模拟电信号，传送至输出端；
[0028]显示器，用于接收输出端信号，并以图像形式呈现，其优选彩屏高分辨率显示器。
[0029]工作时，将光学系统置于探测器的前端，通过光学系统聚集物体所发出的红外线，并将其放大，照射在探测器上，通过探测器将红外线光信号转化为电信号，传输给信号处理器;信号处理器，将数字电信号转变为模拟电信号，并传输至输出端;最后，由显示器将输出端信号接收并以图像形式呈现。
[0030]参照图2，本发明的红外探测器包括:衬底1、下电极2、吸收区3和上电极4，且从下至上依次分布，其中吸收区3，采用Sn组分为大于等于O小于等于0.25的GeSn材料，其通式为Ge1-xSnx,0 < χ < 0.25。衬底I采用单晶Ge材料或其他单晶材料。
[0031]该探测器的制作工艺如图3所示。
[0032]参照图3，本发明中的红外探测器制作，给出如下三种实施例。
[0033]实施例1:制作吸收区Sn组分为O，Ge组分为I的，GeSn红外探测器。
[0034]步骤1:利用离子注入，在Si衬底I中注入剂量为115Cnf2，能量为20KeV的磷元素，形成N型下电极2，如图3b。
[0035]步骤2:利用分子束外延工艺，在下电极2上，以固体Ge和Sn作为蒸发源，用10—4pa的压强，在180°C环境下，生长弛豫本征GeSn单晶，其中Sn组分为0，Ge组分为I，形成吸收区3，如图3c。
[0036]步骤3:利用离子注入，在GeSn材料顶部中注入剂量为115Cnf2，能量为20KeV的硼元素，在注入硼元素的区域形成P型电极4，如图3d。
[0037]实施例2:制作吸收区Sn组分为0.10，Ge组分为0.90的，GeSn红外探测器。
[0038]步骤一:离子注入形成下电极
[0039]在Ge衬底I中注入剂量为1015cm—2，能量为20KeV的磷元素，形成N型下电极2，如图3b ο
[0040]步骤二:外延弛豫本征GeSn单晶
[0041 ]利用分子束外延工艺，在下电极2上，以固体Ge和Sn作为蒸发源，用10—4pa的压强，在180°C环境下，生长弛豫本征GeSn单晶，其中Sn组分为0.10，Ge组分为0.90，如图3c。
[0042]步骤三:离子注入形成上电极
[0043]利用离子注入，在GeSn材料顶部中注入剂量为115Cnf2，能量为20KeV的硼元素，在注入硼元素的区域形成P型电极4，如图3d。
[0044]实施例3:制作吸收区Sn组分为0.25，Ge组分为0.75的，GeSn红外探测器。
[0045]步骤A:利用离子注入，在SOI衬底I中注入剂量为115Cnf2，能量为20KeV的磷元素，形成N型下电极2，如图3b。
[0046]步骤B:利用分子束外延工艺，在下电极2上，以固体Ge和Sn作为蒸发源，用10—4pa的压强，在180°C环境下，生长弛豫本征GeSn单晶，其中Sn组分为0.25，Ge组分为0.75，如图3c。
[0047]步骤C:利用离子注入，在GeSn材料顶部中注入剂量为115Cnf2，能量为20KeV的硼元素，在注入硼元素的区域形成P型电极4，如图3d。
【主权项】
1.一种基于GeSn红外探测器的红外夜视仪，包括: 光学系统，用于接收并聚集物体所发出的红外线，照射在探测器上； 探测器，用于将聚集的红外线由光信号转化为数字电信号，传输给信号处理器； 信号处理器，用于将数字电信号转变为模拟电信号，传输给显示器； 显示器，接收模拟电信号，并以图像形式呈现； 其特征在于:所述探测器采用GeSn红外探测器，它包括衬底(1)、下电极(2)、吸收区(3)和上电极(4)，该吸收区(3)采用通式为Gei—xSnx的GeSn材料，其中X为Sn的组分，且O < X <0.25ο2.根据权利要求1所述基于GeSn红外探测器的红外夜视仪，其特征在于:下电极(2)、吸收区(3)和上电极(4)依次由下至上分布在衬底(I)。3.根据权利要求1所述基于GeSn红外探测器的红外夜视仪，其特征在于:衬底(I)采用单晶Ge材料或其他单晶材料。4.根据权利要求1所述基于GeSn红外探测器的红外夜视仪，其特征在于:信号处理器，是用DSP处理器和ARM处理器连接组成。5.根据权利要求1所述基于GeSn红外探测器的红外夜视仪，其特征在于:光学系统，核心为光学聚焦系统，其形式为混合式聚焦系统，即透射式和反射式混合而成。
【专利摘要】本发明公开了一种基于GeSn红外探测器的红外夜视仪，主要解决现有红外夜视仪感光效率低的问题。其包括光学系统，探测器、信号处理器和显示器，其中探测器采用GeSn红外探测器，它包括衬底(1)、下电极(2)、吸收区(3)和上电极(4)，该吸收区(3)采用通式为Ge1-xSnx的GeSn材料，其中x为Sn的组分，且0≤x≤0.25。本发明利用在Ge元素中引入Sn元素形成的弛豫本征GeSn单晶，在减小禁带宽度减小的同时，使GeSn能带结构由间接带隙向直接带隙变化，从而实现感光频率提高，吸收边红移可调，提高了红外夜视仪的感光效率和吸收波长范围。
【IPC分类】H01L31/028, G02B23/12, H01L31/101
【公开号】CN105514209
【申请号】CN201510953100
【发明人】韩根全, 张春福, 周久人, 张进城, 郝跃
【申请人】西安电子科技大学
【公开日】2016年4月20日
【申请日】2015年12月17日