紫外紅外雙色焦平面探測器陣列及其性能設(shè)計和制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種紫外紅外雙色焦平面探測器陣列及其性能設(shè)計和制備方法。該結(jié)構(gòu)單片集成了Pt/CdS紫外焦平面和InSb紅外焦平面，Pt/CdS紫外焦平面受到正面入射，由于紅外輻射可以透過CdS到達(dá)InSb吸收層，從而可以實(shí)現(xiàn)紫外輻射和紅外輻射的同時探測。Pt/CdS紫外與InSb紅外雙色焦平面陣列的工作波段為300～550nm和2.9～5.7μm。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，Pt/CdS紫外與InSb紅外雙色焦平面陣列結(jié)構(gòu)中紫外焦平面與紅外焦平面距離很近從而共焦，并且紫外紅外光敏元上下對齊有利于光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計。本發(fā)明對于實(shí)際雙色器件的優(yōu)化設(shè)計和制備都有著十分重要的意義。
【專利說明】
紫外紅外雙色焦平面探測器陣列及其性能設(shè)計和制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及Pt/CdS肖特基節(jié)紫外光探測器件和InSb光伏型紅外光探測器件的設(shè)計和性能測量，具體是指基于Pt/CdS紫外焦平面和InSb紅外焦平面進(jìn)行紫外波段和紅外波段的雙色探測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]多色探測的能力在先進(jìn)探測系統(tǒng)中有著很重要的地位，通過獲取不同波段的信號可以精確辨別探測區(qū)域內(nèi)物體的溫度和特征。相比于單色探測，多色探測提供了多維度的對比并可以依據(jù)信號處理算法來提高器件靈敏度。比如，雙色焦平面探測器陣列可以處理兩個波段的輻射信號去除背景雜波和太陽光等干擾信息而只留下目標(biāo)物體。雙色焦平面陣列由于有效信噪比高于單色焦平面探測器陣列而廣泛應(yīng)用于地球行星遙感、天文和軍事等領(lǐng)域。
[0003]紫外輻射波段為0.Ο?μπι?0.4μπι，而太陽則是很強(qiáng)的紫外輻射源。對于不同波長的紫外線在大氣中的透射率也不同，波長小于280nm的紫外輻射基本都被大氣所吸收，而這個波段的紫外輻射也被稱為日盲波段。300nm?400nm波段的紫外線能穿過大氣到達(dá)地面，被稱為紫外窗口。軍事領(lǐng)域紫外探測技術(shù)主要基于近地面紫外窗口的探測。
[0004]對于空中的物體(處于均勻的紫外背景輻射中)，遮擋了被大氣散射的紫外輻射并且自身發(fā)出紅外輻射，則紫外/紅外雙色焦平面陣列通過同時對紫外輻射信號和紅外輻射信號進(jìn)行處理來探測或跟蹤該物體，從而大幅提升識別率。CdS的工作波段為300nm?500nm，包括紫外窗口和一部分可見光波段，同時由于紅外福射在CMS材料中有很好的透射性，所以該材料在雙色探測器的應(yīng)用中具有很大優(yōu)勢。同時選取功函數(shù)較大的Pt與CdS形成肖特基節(jié)，并作為紫外探測器的核心部分。由于InSb材料在中紅外波段有高量子效率、高靈敏度的優(yōu)點(diǎn)和大規(guī)模陣列InSb焦平面陣列制作工藝成熟，所以紅外探測部分則使用InSb紅外焦平面陣列。
[0005]本發(fā)明通過設(shè)計Pt/CdS紫外與InSb紅外雙色焦平面陣列，并且通過ISE-TCAD軟件數(shù)值計算該器件的光譜響應(yīng)和串音，從而驗(yàn)證紫外和紅外雙色探測方法的可行性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明公開了一種紫外和紅外雙色焦平面探測器及其性能設(shè)計和制備方法。通過數(shù)值設(shè)計得到Pt/CdS紫外與InSb紅外雙色焦平面陣列的結(jié)構(gòu)和該結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的光譜響應(yīng)和工作波段，驗(yàn)證了該器件雙色探測的可行性。
[0007]—種紫外紅外雙色焦平面探測器陣列，包括η型襯底InSb吸收層4，Si02阻擋層3，n型CdS吸收層2，p型InSb吸收層5，所述的紫外紅外雙色焦平面探測器陣列的結(jié)構(gòu)為:在η型襯底InSb吸收層4上面依次為S12阻擋層3、η型CdS吸收層2和Pt薄膜I，紫外焦平面每個探測器像元所對應(yīng)的電極6位于Pt薄膜I上，紫外焦平面的公共電極7位于η型CdS吸收層2上；在η型襯底InSb吸收層4背面為P型InSb吸收層5，紅外焦平面探測器像元對應(yīng)的電極8位于P型InSb吸收層5上，紅外焦平面的公共電極9位于η型襯底InSb吸收層4上；
[0008]所述的η型襯底InSb吸收層4厚度為dn、砷摻雜濃度為Nn;
[0009]所述的P型襯底InSb吸收層5厚度為dP、硼摻雜濃度為Np;
[0010]所述的CdS吸收層2厚度為cUs、砷摻雜濃度為Ncds;
[0011]所述的Pt薄膜I厚度為dpt。
[0012]雙色探測器的性能設(shè)計和制備方法如下:
[0013]I).η型襯底InSb吸收層4上面為S12阻擋層3，而2為η型CdS吸收層，Pt薄膜I表面的電極6為紫外焦平面每個探測器像元所對應(yīng)的電極，7為紫外焦平面的公共電極，P型InSb吸收層5表面的電極，8為紅外焦平面探測器像元對應(yīng)的電極，9為紅外焦平面的公共電極。
[0014]2).所述η型襯底InSb吸收層4厚度為dn、砷摻雜濃度為化，所述P型襯底InSb吸收層厚度為dP、硼摻雜濃度為Np，同時P區(qū)和η區(qū)分別安裝電極6和7以測量輸出電流信號；
[0015]3).所述Pt薄膜I厚度為dpt，所述CdS吸收層2厚度為dcds、砷摻雜濃度為Ncds，同時在Pt薄膜和CdS吸收層分別安裝電極8、9以測量輸出電流信號。
[0016]4).構(gòu)建物理模型。采用有限時域差分法(FDTD)和有限元法(FEM)聯(lián)合模擬來對器件進(jìn)行二維數(shù)值分析。在FDTD方法模擬電磁場的過程中，先建立各種材料參數(shù)的數(shù)據(jù)庫，如各頻率對應(yīng)的電導(dǎo)率、相對介電常數(shù)和相對磁導(dǎo)率等，然后對設(shè)計的器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，結(jié)合材料參數(shù)和色散模型使用H)TD方法計算目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的電磁場分布并轉(zhuǎn)化為光生載流子濃度分布。在FEM方法模擬器件電學(xué)特性的過程中，結(jié)合光生載流子濃度分布結(jié)果，導(dǎo)入材料的迀移率、帶隙、吸收系數(shù)、介電常數(shù)等參數(shù)，并依據(jù)經(jīng)典漂移擴(kuò)散模型、SRH復(fù)合和俄歇復(fù)合等基本物理模型計算器件零偏下的電流。
[0017]5).設(shè)置環(huán)境溫度為T，正面入射到中間的紫外探測像元的入射光波長為λ，光功率恒為P，紫外波段的入射光會被CdS吸收層吸收，而紅外光則會透過CdS吸收層被InSb吸收層吸收，通過數(shù)值模擬不同波長入射光照射情況下的光響應(yīng)率可以得到光譜響應(yīng)和串音。
[0018]6).首先根據(jù)Pt/CdS紫外和InSb紅外雙色焦平面陣列的規(guī)模制備相應(yīng)的光刻掩膜版，然后以η型InSb材料為基底使用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)生長厚度為Ιμπι左右的S12，進(jìn)而使用物理氣相傳輸法(PVT)在S12表面生長厚度為5μπι左右的η型CdS單晶。
[0019]7).通過丙酮和甲醇清洗CdS表面并且使用鹽酸溶液去除表面的氧化層，然后使用紫外光刻技術(shù)和刻蝕工藝制作CdS臺面結(jié)構(gòu)和肖特基節(jié)窗口，然后使用射頻磁控濺射技術(shù)生長高透光率的Pt薄膜電極以形成肖特基接觸，并且經(jīng)過剝離工藝得到紫外焦平面陣列。
[0020]8).將器件放置在干凈的玻璃板上(InSb基底朝上)，在器件四周放置適量的蠟并加熱，待融化的蠟進(jìn)入器件底部之后，用三氯乙烯沖洗多余的蠟，并且使用乙醚丙醇沖洗消毒。對η型InSb基底進(jìn)行拋光減薄，并且進(jìn)行離子注入形成P+區(qū)，再通過光刻工藝、刻蝕工藝、熱蒸發(fā)方法和剝離工藝制作InSb臺面結(jié)構(gòu)和電極。最后加熱玻璃板并且使用三氯乙烯沖洗掉粘附的蠟以獲得Pt/CdS紫外和InSb紅外雙色焦平面陣列器件。
[0021]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:Pt/CdS紫外與InSb紅外雙色焦平面陣列結(jié)構(gòu)中紫外焦平面與紅外焦平面距離很近從而共焦，并且紫外紅外光敏元上下對齊有利于光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計。雙色焦平面陣列中紫外焦平面處于紅外焦平面上層，并且CdS吸收層對于紅外波段的入射光幾乎是透明的。臺面結(jié)構(gòu)的設(shè)計減小了光敏區(qū)域的面積從而有效降低了暗電流和串音。通過數(shù)值模擬的結(jié)果驗(yàn)證了 Pt/CdS紫外與InSb紅外雙色焦平面陣列雙色探測的可行性，為實(shí)際器件的制備和優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。
【附圖說明】
[0022]圖1為Pt/CdS紫外與InSb紅外雙色焦平面陣列的截面示意圖。其中I為Pt薄膜，2為η型CdS吸收層，3為Si02阻擋層，4為η型InSb吸收層，5為ρ型InSb收集層，6為紫外焦平面每個探測器像元所對應(yīng)的電極，7為紫外焦平面的公共電極，8為紅外焦平面探測器像元對應(yīng)的電極，9為紅外焦平面的公共電極。
[0023]圖2為Pt/CdS紫外與InSb紅外雙色焦平面陣列歸一化光譜響應(yīng)。
[0024]圖3為Pt/CdS紫外與InSb紅外雙色焦平面陣列的串音。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作詳細(xì)說明:
[0026]1.構(gòu)建Pt/CdS紫外與InSb紅外雙色焦平面陣列二維模型，CdS吸收層厚度cUs設(shè)置為4.5μπι，摻雜濃度Ncds為1.6 X 10cm—3，Pt薄膜厚度dpt為8nm，紫外光敏面長度Luv為25μπι。InSb η型吸收層厚度4為9.2μπι，η型摻雜濃度化為1015cm—3，P型摻雜濃度Np為1017cm—3。紅外探測像元光敏面長度Lir為15μπι，而焦平面陣列周期為50μπι，見圖1。
[0027]2.構(gòu)建物理模型。使用FDTD方法計算光生載流子濃度在模擬區(qū)域的分布，繼而將這個結(jié)果耦合到電學(xué)部分的模擬中，器件的電學(xué)性質(zhì)模擬過程依據(jù)漂移擴(kuò)散模型、SRH復(fù)合模型、俄歇復(fù)合模型、輻射復(fù)合模型和色散模型等基本物理機(jī)制進(jìn)行數(shù)值計算，最終獲得電流和電壓等宏觀物理量來研究分析器件的性能和進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)。
[0028]3.設(shè)置背景溫度為Τ = 77Κ，入射光功率？ = 0.0001胃/(^—2，入射光波長從30011111變化至Ij5.9ym，通過數(shù)值模擬得到Pt/CdS紫外與InSb紅外雙色焦平面陣列的歸一化光譜響應(yīng)(圖
2)和串音(圖3)。
[0029]4.研究結(jié)果顯示Pt/CdS紫外與InSb紅外雙色焦平面陣列的工作波段為300?550nm(紫外)和2.9?5.7μπι(紅外)。在紫外波段，器件在入射光波長為500nm時有峰值響應(yīng)率為0.0403A/W，而在紅外波段，入射光波長為5.Ιμπι時有峰值響應(yīng)率1.07A/W。通過數(shù)值模擬驗(yàn)證了 Pt/CdS紫外與InSb紅外雙色焦平面陣列可以進(jìn)行紫外波段和紅外波段的雙色探測。
[0030]5.根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果確定Pt/CdS紫外和InSb紅外雙色焦平面陣列的幾何結(jié)構(gòu)，首先根據(jù)該雙色焦平面陣列的規(guī)模制備相應(yīng)的光刻掩膜版，然后以η型InSb材料為基底使用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)生長厚度為Ιμπι左右的S12,進(jìn)而使用物理氣相傳輸法(PVT)在S12表面生長厚度為5μπι左右的η型CdS單晶。
[0031]6.通過丙酮和甲醇清洗CdS表面并且使用鹽酸溶液去除表面的氧化層，然后使用紫外光刻技術(shù)和刻蝕工藝制作CdS臺面結(jié)構(gòu)和肖特基節(jié)窗口，然后使用射頻磁控濺射技術(shù)生長高透光率的Pt薄膜電極以形成肖特基接觸，并且經(jīng)過剝離工藝得到紫外焦平面陣列。
[0032]7.將器件放置在干凈的玻璃板上(InSb基底朝上)，在器件四周放置適量的蠟并加熱，待融化的蠟進(jìn)入器件底部之后，用三氯乙烯沖洗多余的蠟，并且使用乙醚丙醇沖洗消毒。對η型InSb基底進(jìn)行拋光減薄，并且進(jìn)行離子注入形成ρ+區(qū)，再通過光刻工藝、刻蝕工藝、熱蒸發(fā)方法和剝離工藝制作InSb臺面結(jié)構(gòu)和電極。最后加熱玻璃板并且使用三氯乙烯沖洗掉粘附的蠟以獲得Pt/CdS紫外和InSb紅外雙色焦平面陣列器件。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種紫外紅外雙色焦平面探測器陣列，包括η型襯底InSb吸收層(4)Si02阻擋層(3)，n型CdS吸收層(2)，？型11^13吸收層(5)，其特征在于: 所述的紫外紅外雙色焦平面探測器陣列的結(jié)構(gòu)為:在η型襯底InSb吸收層(4)上面依次為S12阻擋層(3)、η型CdS吸收層(2)和Pt薄膜(I)，紫外焦平面每個探測器像元所對應(yīng)的電極(6)位于Pt薄膜(I)上，紫外焦平面的公共電極(7)位于η型CdS吸收層(2)上；在η型襯底InSb吸收層(4)背面為P型InSb吸收層(5)，紅外焦平面探測器像元對應(yīng)的電極(8)位于P型InSb吸收層(5)上，紅外焦平面的公共電極(9)位于η型襯底InSb吸收層(4)上。2.—種基于權(quán)利要求1所述的一種紫外和紅外雙色焦平面探測器陣列的性能設(shè)計方法，其特征在于方法步驟如下: 1).構(gòu)建物理模型，采用有限時域差分法和有限元法聯(lián)合模擬來對器件進(jìn)行二維數(shù)值分析，在FDTD方法模擬電磁場的過程中，先建立各種材料參數(shù)的數(shù)據(jù)庫，如各頻率對應(yīng)的電導(dǎo)率、相對介電常數(shù)和相對磁導(dǎo)率等，然后對設(shè)計的器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，結(jié)合材料參數(shù)和色散模型使用FDTD方法計算目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的電磁場分布并轉(zhuǎn)化為光生載流子濃度分布;在FEM方法模擬器件電學(xué)特性的過程中，結(jié)合光生載流子濃度分布結(jié)果，導(dǎo)入材料的迀移率、帶隙、吸收系數(shù)、介電常數(shù)等參數(shù)，并依據(jù)經(jīng)典漂移擴(kuò)散模型、SRH復(fù)合和俄歇復(fù)合等基本物理模型計算器件零偏下的電； 2).設(shè)置環(huán)境溫度為Τ，正面入射到中間的紫外探測像元的入射光波長為λ，光功率恒為P，紫外波段的入射光會被CdS吸收層吸收，而紅外光則會透過CdS吸收層被InSb吸收層吸收，通過數(shù)值模擬不同波長入射光照射情況下的光響應(yīng)率可以得到光譜響應(yīng)和串音。3.—種制備如權(quán)利要求1所述的一種紫外和紅外雙色焦平面探測器陣列的方法，其特征在于方法步驟如下: 1).首先根據(jù)Pt/CdS紫外和InSb紅外雙色焦平面陣列的規(guī)模制備相應(yīng)的光刻掩膜版，然后以η型InSb材料為基底使用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法生長厚度為Ιμπι左右的S12,進(jìn)而使用物理氣相傳輸法在S12表面生長厚度為5μπι左右的η型CdS單晶； 2).通過丙酮和甲醇清洗CdS表面并且使用鹽酸溶液去除表面的氧化層，然后使用紫外光刻技術(shù)和刻蝕工藝制作CdS臺面結(jié)構(gòu)和肖特基節(jié)窗口，然后使用射頻磁控濺射技術(shù)生長高透光率的Pt薄膜電極以形成肖特基接觸，并且經(jīng)過剝離工藝得到紫外焦平面陣列； 3).將器件放置在干凈的玻璃板上，InSb基底朝上，在器件四周放置適量的蠟并加熱，待融化的蠟進(jìn)入器件底部之后，用三氯乙烯沖洗多余的蠟，并且使用乙醚丙醇沖洗消毒;對η型InSb基底進(jìn)行拋光減薄，并且進(jìn)行離子注入形成P+區(qū)，再通過光刻工藝、刻蝕工藝、熱蒸發(fā)方法和剝離工藝制作InSb臺面結(jié)構(gòu)和電極;最后加熱玻璃板并且使用三氯乙烯沖洗掉粘附的蠟以獲得Pt/CdS紫外和InSb紅外雙色焦平面陣列器件。
【文檔編號】H01L31/18GK105914252SQ201610406753
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月12日
【發(fā)明人】胡偉達(dá), 白杰, 陳效雙, 陸衛(wèi)
【申請人】中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所