專利名稱：置于碲鎘汞紅外焦平面探測器芯片內部的微型濾光片的制作方法
技術領域：
本發明涉及濾光片，具體是指置于碲鎘汞(HgCdTe)紅外焦平面列陣器件芯片內部的微型濾光片。
背景技術：
紅外焦平面列陣器件是既具有紅外信息獲取又具有信息處理功能的先進的成像傳感器，在空間對地觀測、光電對抗、機器人視覺、搜索與跟蹤、醫用和工業熱成像、以及導彈精確制導等軍、民用領域有重要而廣泛的應用。由于其不可替代的地位和作用，世界上的主要工業大國都將碲鎘汞紅外焦平面列陣器件列為重點發展的高技術項目。
在高級紅外應用系統的大力驅動下，紅外探測技術已進入了以大面陣、小型化和多色化等為特點的第三代紅外焦平面探測器的重要發展階段，見S.Horn，P.Norton，T.Cincotta，A.Stoltz，et al，“Challenges for third-generation cooledimagers”，proceeding of SPIE，Vol.5074，2003，P44-51。高分辨率始終是紅外探測技術發展所不懈追求的目標，新一代紅外焦平面探測技術已由單像元發展到4096×4096的凝視大面陣，預計于2010年紅外焦平面探測器規模將達到10K×10K。
但是，隨著紅外焦平面探測器規模的不斷擴大，對探測器前的濾光片也提出了更高的要求，即要求大面積范圍內的高均勻性和高可靠性。同時，隨著高分辨率紅外焦平面探測器光敏元的尺寸越來越小，紅外輻射在通過濾光片時，濾光片的反射和吸收必然會導致單個光敏元上有限目標信號的損失，從而不斷要求提高濾光片在信號波段范圍內的透過率。由于傳統濾光片是采用光學鍍膜技術來實現的，所以不可能通過優化鍍膜技術來大幅度提高濾光片的均勻性、可靠性和透過率。因此，必需探索一種新的濾光片，來滿足不斷向高密度小光敏元和大列陣發展的紅外焦平面探測器的需求。
發明內容
本發明的目的是提出一種與傳統濾光片截然不同的、高均勻性、高可靠性和無信號損失的置于碲鎘汞紅外焦平面探測器芯片內部的微型濾光片。
為了達到上述目的，本發明采用在紅外焦平面探測器的光敏感芯片內部，響應紅外目標輻射的光電二極管列陣與外延襯底緩沖層之間，原位引入前截止濾光層的技術方案。
本發明的一種置于碲鎘汞紅外焦平面探測器芯片內部的微型濾光片，所述的碲鎘汞紅外焦平面探測器芯片由襯底、襯底上依次置有的緩沖層、響應紅外目標輻射的N型層和P型層構成的光電二極管列陣組成。所述的微型濾光片是通過分子束外延原位生長在緩沖層和響應紅外目標輻射的光電二極管列陣之間。微型濾光片為摻雜Hg1-xCdxTe外延層，x為組分，濾光波段與組分、摻雜濃度有關，微型濾光片的濾光波段由器件的響應波段確定。微型濾光片的厚度必須遠遠大于該層材料吸收系數的倒數，即1/α，α為吸收系數。
它的工作原理是由于原位微型濾光片窗口的吸收，需要濾光的短波段紅外輻射光強在傳輸方向上是指數衰減的，具絕大多數的短波紅外輻射已在靠近外延襯底緩沖層界面的原位微型濾光片窗口表層處被吸收而形成光生載流子，又因為高摻雜原位濾光窗口少數載流子壽命短，以及在靠近外延襯底緩沖層界面處少數載流子的高復合速度，致使短波段紅外輻射在原位濾光窗口表層被吸收形成的光生載流子不會產生光電流信號，而波長較長的紅外信號又能完全透過原位濾光片窗口后到達光電二極管區域被吸收產生光電流信號，因而該層高摻雜寬禁帶Hg1-xCdxTe外延材料起到了過濾短波紅外輻射的原位微型濾光窗口的作用。
為確保高摻雜寬禁帶Hg1-xCdxTe外延材料能真正起到原位微型濾光片的作用，該微型濾光片的生長和設計必須解決下列三個問題。一是通過嚴格控制作為原位濾光片層的高摻雜Hg1-xCdxTe外延材料的組分，使其禁帶寬度恰好等于需要過濾紅外輻射的最小光子能量，從而波長小于原位濾光層Hg1-xCdxTe外延材料截止波長的紅外輻射，在該濾光層位置被吸收。二是該微型濾光層的厚度必須遠遠大于該層材料吸收系數的倒數(即1/α，α為吸收系數)，以完全吸收波長小于原位濾光片層Hg1-xCdxTe外延材料截止波長的紅外輻射。
分子束外延(MBE)技術作為HgCdTe紅外焦平面探測器材料生長的一種重要方法，由于有極強的組分、厚度和摻雜濃度控制能力，完全能達到原位制備微型濾光片的要求。而且，在生長HgCdTe紅外焦平面探測材料前，先生長一層作為原位集成的微型濾光層的高摻雜寬禁帶Hg1-xCdxTe外延材料，對整個HgCdTe材料的生長過程沒有任何不良的影響。所以，本發明可方便地采用在紅外焦平面探測器光敏感芯片內部，直接原位地引入能過濾紅外輻射的集成微型濾光片的技術方案。
本發明的優點是1.由于微型濾光片是通過分子束外延技術直接集成在紅外焦平而探測器光敏感芯片內部，從而具有高均勻性、高可靠性和無信號損失的特點；2.微型濾光片的濾光波段是通過嚴格控制作為原位濾光層的Hg1-xCdxTe的組分來實現的，從而具很高的控制精度；3.這種集成在紅外焦平面探測器內部的微型濾光片無需任何外光路部件，使用方便，且非常可靠和穩定。
圖1是微型濾光片與HgCdTe紅外焦平面探測器集成于一體的剖面結構示意圖；圖2是內置微型濾光片的紅外焦平面探測器的光譜響應圖。
具體實施例方式
下面結合附圖，以內置短波截止波長為1.95μm微型濾光片的紅外焦平面探測器為實施例，對本發明的具體實施方式
作進一步的詳細說明實施例采用P-on-n異質臺面結HgCdTe紅外焦平面探測器，微型濾光片的截止波長為1.95μm，其制備過程如下A.首先采用分子束外延技術，依次在GaAs襯底1上生長CdTe緩沖層2，厚度為4μm；B.再生長銦摻雜濃度為3.0×1017、厚度為5μm和組分為0.545的N型Hg1-0.545Cd0.545Te材料，作為截止波長為1.95μm的微型濾光片3。該微型濾光片HgCdTe材料的吸收系數的倒數僅為1μm，遠小于5μm。所以，當入射波長小于1.95μm時，絕大部分需過濾的紅外輻射都在N型微型濾光片處被吸收，而波長大于1.95μm的目標信號紅外輻射又能穿過N區，不會導致目標信號的紅外輻射損失。
C.再生長響應紅外目標輻射的n型層401和p型層402。其中，n型層為銦摻雜濃度為1.0×1015、厚度為6μm、組分為0.425的HgCdTe材料，而P型層為銦摻雜濃度為1.0×1016、厚度為4μm和組分為0.45的HgCdTe材料。
D.由上述獲得的外延材料，經過微臺面列陣的隔離、表面鈍化、爬坡金屬化、銦柱403制備與混成互連等芯片工藝后，最后獲得在探測器芯片內部原位集成有微型濾光片的P-on-n異質臺面結HgCdTe紅外焦平面器件。
圖2是內置微型濾光片的紅外焦平面探測器的響應光譜。如圖所示，波長小于微型濾光片的截止波長1.95μm時，對應的等光子光譜接近于零。這是因為絕大部分波長小于1.95μm的紅外輻射都在N型微型濾光片處被吸收，又由于該區域短的少數載流子壽命和在靠近緩沖層界面處高的復合速度，從而導致該部分的光生載流子不能轉化成光電流。而波長大于微型濾光片截止波長的目標信號能透過微型濾光片到達光電二極管列陣4處，其中波長又小于光電二極管吸收波長的紅外輻射將被吸收而產生光電流信號。所以，這種結構的紅外焦平面探測器的等光子響應光譜呈帶狀的光譜響應，而原位集成在探測器光敏感芯片內部的微型濾光片3恰好起到了過濾短波紅外輻射的微型濾光片窗口作用。
該實施例結果表明，在紅外焦平面探測器光敏感芯片內部，原位生長微型濾光片片是可行的、合理的。
以P-on-n異質臺面結HgCdTe紅外焦平面器件為例，提供下列幾組響應波段的微型濾光片與器件參數。
權利要求
1.一種置于碲鎘汞紅外焦平面探測器芯片內部的微型濾光片，所述的碲鎘汞紅外焦平面探測器芯片由襯底(1)、襯底上依次置有的緩沖層(2)、響應紅外目標輻射的N型層(401)和P型層(402)構成的光電二極管(4)列陣組成；其特征在于所述的微型濾光片是通過分子束外延原位生長在緩沖層(2)和響應紅外目標輻射的光電二極管(4)列陣之間的摻雜Hg1-xCdxTe外延層，其中x為組分，微型濾光片的濾光波段與組分、摻雜濃度有關；微型濾光片的濾光波段由器件的響應波段確定；微型濾光片的厚度必須遠遠大于該層材料吸收系數的倒數，即1/α，α為吸收系數。
全文摘要
本發明公開了一種置于碲鎘汞紅外焦平面探測器芯片內部的微型濾光片，所述的探測器芯片由襯底、襯底上依次置有的緩沖層、響應紅外目標輻射的光電二極管列陣組成。所述的微型濾光片是通過分子束外延原位生長在緩沖層和光電二極管列陣之間。本發明的微型濾光片的優點是具有高均勻性、高可靠性和無信號損失的特點；濾光波段是通過嚴格控制作為原位濾光層的Hg
文檔編號G01J5/00GK1936626SQ20061011710
公開日2007年3月28日 申請日期2006年10月13日 優先權日2006年10月13日
發明者葉振華, 何力, 胡曉寧, 周文洪, 吳俊 , 巫艷, 丁瑞軍 申請人:中國科學院上海技術物理研究所