置于碲镉汞红外焦平面探测器芯片内部的微型滤光片

摘要

本发明公开了一种置于碲镉汞红外焦平面探测器芯片内部的微型滤光片，所述的探测器芯片由衬底、衬底上依次置有的缓冲层、响应红外目标辐射的光电二极管列阵组成。所述的微型滤光片是通过分子束外延原位生长在缓冲层和光电二极管列阵之间。本发明的微型滤光片的优点是：具有高均匀性、高可靠性和无信号损失的特点；滤光波段是通过严格控制作为原位滤光层的Hg1－xCdxTe的组分来实现的，从而具很高的控制精度；这种集成在红外焦平面探测器芯片内部的微型滤光片无需任何外光路部件，使用方便，且非常可靠和稳定。

说明书

技术领域

本发明涉及滤光片，具体是指置于碲镉汞(HgCdTe)红外焦平面列阵器件芯片内部的微型滤光片。

背景技术

红外焦平面列阵器件是既具有红外信息获取又具有信息处理功能的先进的成像传感器，在空间对地观测、光电对抗、机器人视觉、搜索与跟踪、医用和工业热成像、以及导弹精确制导等军、民用领域有重要而广泛的应用。由于其不可替代的地位和作用，世界上的主要工业大国都将碲镉汞红外焦平面列阵器件列为重点发展的高技术项目。

在高级红外应用系统的大力驱动下，红外探测技术已进入了以大面阵、小型化和多色化等为特点的第三代红外焦平面探测器的重要发展阶段，见S.Horn，P.Norton，T.Cincotta，A.Stoltz，et al，“Challenges for third-generation cooledimagers”，proceeding of SPIE，Vol.5074，2003，P44-51。高分辨率始终是红外探测技术发展所不懈追求的目标，新一代红外焦平面探测技术已由单像元发展到4096×4096的凝视大面阵，预计于2010年红外焦平面探测器规模将达到10K×10K。

但是，随着红外焦平面探测器规模的不断扩大，对探测器前的滤光片也提出了更高的要求，即要求大面积范围内的高均匀性和高可靠性。同时，随着高分辨率红外焦平面探测器光敏元的尺寸越来越小，红外辐射在通过滤光片时，滤光片的反射和吸收必然会导致单个光敏元上有限目标信号的损失，从而不断要求提高滤光片在信号波段范围内的透过率。由于传统滤光片是采用光学镀膜技术来实现的，所以不可能通过优化镀膜技术来大幅度提高滤光片的均匀性、可靠性和透过率。因此，必需探索一种新的滤光片，来满足不断向高密度小光敏元和大列阵发展的红外焦平面探测器的需求。

发明内容

本发明的目的是提出一种与传统滤光片截然不同的、高均匀性、高可靠性和无信号损失的置于碲镉汞红外焦平面探测器芯片内部的微型滤光片。

为了达到上述目的，本发明采用在红外焦平面探测器的光敏感芯片内部，响应红外目标辐射的光电二极管列阵与外延衬底缓冲层之间，原位引入前截止滤光层的技术方案。

本发明的一种置于碲镉汞红外焦平面探测器芯片内部的微型滤光片，所述的碲镉汞红外焦平面探测器芯片由衬底、衬底上依次置有的缓冲层、响应红外目标辐射的N型层和P型层构成的光电二极管列阵组成。所述的微型滤光片是通过分子束外延原位生长在缓冲层和响应红外目标辐射的光电二极管列阵之间。微型滤光片为掺杂Hg_1-xCd_xTe外延层，x为组分，滤光波段与组分、掺杂浓度有关，微型滤光片的滤光波段由器件的响应波段确定。微型滤光片的厚度必须远远大于该层材料吸收系数的倒数，即1/α，α为吸收系数。

它的工作原理是：由于原位微型滤光片窗口的吸收，需要滤光的短波段红外辐射光强在传输方向上是指数衰减的，具绝大多数的短波红外辐射已在靠近外延衬底缓冲层界面的原位微型滤光片窗口表层处被吸收而形成光生载流子，又因为高掺杂原位滤光窗口少数载流子寿命短，以及在靠近外延衬底缓冲层界面处少数载流子的高复合速度，致使短波段红外辐射在原位滤光窗口表层被吸收形成的光生载流子不会产生光电流信号，而波长较长的红外信号又能完全透过原位滤光片窗口后到达光电二极管区域被吸收产生光电流信号，因而该层高掺杂宽禁带Hg_1-xCd_xTe外延材料起到了过滤短波红外辐射的原位微型滤光窗口的作用。

为确保高掺杂宽禁带Hg_1-xCd_xTe外延材料能真正起到原位微型滤光片的作用，该微型滤光片的生长和设计必须解决下列三个问题。一是通过严格控制作为原位滤光片层的高掺杂Hg_1-xCd_xTe外延材料的组分，使其禁带宽度恰好等于需要过滤红外辐射的最小光子能量，从而波长小于原位滤光层Hg_1-xCd_xTe外延材料截止波长的红外辐射，在该滤光层位置被吸收。二是该微型滤光层的厚度必须远远大于该层材料吸收系数的倒数(即1/α，α为吸收系数)，以完全吸收波长小于原位滤光片层Hg_1-xCd_xTe外延材料截止波长的红外辐射。  

分子束外延(MBE)技术作为HgCdTe红外焦平面探测器材料生长的一种重要方法，由于有极强的组分、厚度和掺杂浓度控制能力，完全能达到原位制备微型滤光片的要求。而且，在生长HgCdTe红外焦平面探测材料前，先生长一层作为原位集成的微型滤光层的高掺杂宽禁带Hg_1-xCd_xTe外延材料，对整个HgCdTe材料的生长过程没有任何不良的影响。所以，本发明可方便地采用在红外焦平面探测器光敏感芯片内部，直接原位地引入能过滤红外辐射的集成微型滤光片的技术方案。

本发明的优点是：

1.由于微型滤光片是通过分子束外延技术直接集成在红外焦平而探测器光敏感芯片内部，从而具有高均匀性、高可靠性和无信号损失的特点；

2.微型滤光片的滤光波段是通过严格控制作为原位滤光层的Hg_1-xCd_xTe的组分来实现的，从而具很高的控制精度；

3.这种集成在红外焦平面探测器内部的微型滤光片无需任何外光路部件，使用方便，且非常可靠和稳定。

附图说明

图1是微型滤光片与HgCdTe红外焦平面探测器集成于一体的剖面结构示意图；

图2是内置微型滤光片的红外焦平面探测器的光谱响应图。

具体实施方式

下面结合附图，以内置短波截止波长为1.95μm微型滤光片的红外焦平面探测器为实施例，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：

实施例采用P-on-n异质台面结HgCdTe红外焦平面探测器，微型滤光片的截止波长为1.95μm，其制备过程如下：

A.首先采用分子束外延技术，依次在GaAs衬底1上生长CdTe缓冲层2，厚度为4μm；

B.再生长铟掺杂浓度为3.0×10¹⁷、厚度为5μm和组分为0.545的N型Hg_1-0.545Cd_0.545Te材料，作为截止波长为1.95μm的微型滤光片3。该微型滤光片HgCdTe材料的吸收系数的倒数仅为1μm，远小于5μm。所以，当入射波长小于1.95μm时，绝大部分需过滤的红外辐射都在N型微型滤光片处被吸收，而波长大于1.95μm的目标信号红外辐射又能穿过N区，不会导致目标信号的红外辐射损失。

C.再生长响应红外目标辐射的n型层401和p型层402。其中，n型层为铟掺杂浓度为1.0×10¹⁵、厚度为6μm、组分为0.425的HgCdTe材料，而P型层为铟掺杂浓度为1.0×10¹⁶、厚度为4μm和组分为0.45的HgCdTe材料。

D.由上述获得的外延材料，经过微台面列阵的隔离、表面钝化、爬坡金属化、铟柱403制备与混成互连等芯片工艺后，最后获得在探测器芯片内部原位集成有微型滤光片的P-on-n异质台面结HgCdTe红外焦平面器件。

图2是内置微型滤光片的红外焦平面探测器的响应光谱。如图所示，波长小于微型滤光片的截止波长1.95μm时，对应的等光子光谱接近于零。这是因为绝大部分波长小于1.95μm的红外辐射都在N型微型滤光片处被吸收，又由于该区域短的少数载流子寿命和在靠近缓冲层界面处高的复合速度，从而导致该部分的光生载流子不能转化成光电流。而波长大于微型滤光片截止波长的目标信号能透过微型滤光片到达光电二极管列阵4处，其中波长又小于光电二极管吸收波长的红外辐射将被吸收而产生光电流信号。所以，这种结构的红外焦平面探测器的等光子响应光谱呈带状的光谱响应，而原位集成在探测器光敏感芯片内部的微型滤光片3恰好起到了过滤短波红外辐射的微型滤光片窗口作用。

该实施例结果表明，在红外焦平面探测器光敏感芯片内部，原位生长微型滤光片片是可行的、合理的。

以P-on-n异质台面结HgCdTe红外焦平面器件为例，提供下列几组响应波段的微型滤光片与器件参数。

  HgCdTe器件  的响应波段              原位N型层微型滤光片  器件响应的n型  组分  厚度  掺杂浓度组分 掺杂浓度  1～3μm  0.85  ≥2μm  2.0～4.0×10¹⁷0.405 0.8～5×10¹⁵  3～4μm  0.405  ＞3μm  2.0～4.0×10¹⁷0.345 0.8～5×10¹⁵  4～5μm  0.345  ≥4.5μm  2.0～4.0×10¹⁷0.304 0.8～5×10¹⁵  8～10μm  0.245  ≥6μm  2.0～4.0×10¹⁷0.225 0.8～5×10¹⁵