紫外紅外雙色焦平面探測(cè)器陣列及其性能設(shè)計(jì)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(cè)器陣列及其性能設(shè)計(jì)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(guò)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(shí)探測(cè)。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(duì)齊有利于光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本發(fā)明對(duì)于實(shí)際雙色器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)和制備都有著十分重要的意義。
【專利說(shuō)明】
紫外紅外雙色焦平面探測(cè)器陣列及其性能設(shè)計(jì)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(cè)器件和InSb光伏型紅外光探測(cè)器件的設(shè)計(jì)和性能測(cè)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(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]多色探測(cè)的能力在先進(jìn)探測(cè)系統(tǒng)中有著很重要的地位，通過(guò)獲取不同波段的信號(hào)可以精確辨別探測(cè)區(qū)域內(nèi)物體的溫度和特征。相比于單色探測(cè)，多色探測(cè)提供了多維度的對(duì)比并可以依據(jù)信號(hào)處理算法來(lái)提高器件靈敏度。比如，雙色焦平面探測(cè)器陣列可以處理兩個(gè)波段的輻射信號(hào)去除背景雜波和太陽(yáng)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(cè)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(yáng)則是很強(qiáng)的紫外輻射源。對(duì)于不同波長(zhǎng)的紫外線在大氣中的透射率也不同，波長(zhǎng)小于280nm的紫外輻射基本都被大氣所吸收，而這個(gè)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(guò)大氣到達(dá)地面，被稱為紫外窗口。軍事領(lǐng)域紫外探測(cè)技術(shù)主要基于近地面紫外窗口的探測(cè)。
[0004]對(duì)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(guò)同時(shí)對(duì)紫外輻射信號(hào)和紅外輻射信號(hào)進(jìn)行處理來(lái)探測(cè)或跟蹤該物體，從而大幅提升識(shí)別率。CdS的工作波段為300nm?500nm，包括紫外窗口和一部分可見(jiàn)光波段，同時(shí)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(cè)器的應(yīng)用中具有很大優(yōu)勢(shì)。同時(shí)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(cè)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(cè)部分則使用InSb紅外焦平面陣列。
[0005]本發(fā)明通過(guò)設(shè)計(jì)Pt/CdS紫外與InSb紅外雙色焦平面陣列，并且通過(guò)ISE-TCAD軟件數(shù)值計(jì)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(cè)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(cè)器及其性能設(shè)計(jì)和制備方法。通過(guò)數(shù)值設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)的光譜響應(yīng)和工作波段，驗(yàn)證了該器件雙色探測(cè)的可行性。
[0007]—種紫外紅外雙色焦平面探測(cè)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(cè)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(gè)探測(cè)器像元所對(duì)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(cè)器像元對(duì)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(cè)器的性能設(shè)計(jì)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(gè)探測(cè)器像元所對(duì)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(cè)器像元對(duì)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(shí)P區(qū)和η區(qū)分別安裝電極6和7以測(cè)量輸出電流信號(hào)；
[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(shí)在Pt薄膜和CdS吸收層分別安裝電極8、9以測(cè)量輸出電流信號(hào)。
[0016]4).構(gòu)建物理模型。采用有限時(shí)域差分法(FDTD)和有限元法(FEM)聯(lián)合模擬來(lái)對(duì)器件進(jìn)行二維數(shù)值分析。在FDTD方法模擬電磁場(chǎng)的過(guò)程中，先建立各種材料參數(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)，如各頻率對(duì)應(yīng)的電導(dǎo)率、相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率等，然后對(duì)設(shè)計(jì)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(jì)算目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的電磁場(chǎng)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(guò)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(jì)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(cè)像元的入射光波長(zhǎng)為λ，光功率恒為P，紫外波段的入射光會(huì)被CdS吸收層吸收，而紅外光則會(huì)透過(guò)CdS吸收層被InSb吸收層吸收，通過(guò)數(shù)值模擬不同波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)厚度為5μπι左右的η型CdS單晶。
[0019]7).通過(guò)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(tái)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(zhǎng)高透光率的Pt薄膜電極以形成肖特基接觸，并且經(jīng)過(guò)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(duì)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(guò)光刻工藝、刻蝕工藝、熱蒸發(fā)方法和剝離工藝制作InSb臺(tái)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(duì)齊有利于光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。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(duì)于紅外波段的入射光幾乎是透明的。臺(tái)面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(guò)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(cè)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(shuō)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(gè)探測(cè)器像元所對(duì)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(cè)器像元對(duì)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(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作詳細(xì)說(shuō)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(zhǎng)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(cè)像元光敏面長(zhǎng)度Lir為15μπι，而焦平面陣列周期為50μπι，見(jiàn)圖1。
[0027]2.構(gòu)建物理模型。使用FDTD方法計(jì)算光生載流子濃度在模擬區(qū)域的分布，繼而將這個(gè)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(guò)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(jì)算，最終獲得電流和電壓等宏觀物理量來(lái)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(zhǎng)從30011111變化至Ij5.9ym，通過(guò)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(zhǎng)為500nm時(shí)有峰值響應(yīng)率為0.0403A/W，而在紅外波段，入射光波長(zhǎng)為5.Ιμπι時(shí)有峰值響應(yīng)率1.07A/W。通過(guò)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(cè)。
[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(zhǎng)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(zhǎng)厚度為5μπι左右的η型CdS單晶。
[0031]6.通過(guò)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(tái)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(zhǎng)高透光率的Pt薄膜電極以形成肖特基接觸，并且經(jīng)過(guò)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(duì)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(guò)光刻工藝、刻蝕工藝、熱蒸發(fā)方法和剝離工藝制作InSb臺(tái)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(cè)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(cè)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(gè)探測(cè)器像元所對(duì)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(cè)器像元對(duì)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(cè)器陣列的性能設(shè)計(jì)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(shí)域差分法和有限元法聯(lián)合模擬來(lái)對(duì)器件進(jìn)行二維數(shù)值分析，在FDTD方法模擬電磁場(chǎng)的過(guò)程中，先建立各種材料參數(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)，如各頻率對(duì)應(yīng)的電導(dǎo)率、相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率等，然后對(duì)設(shè)計(jì)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(jì)算目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的電磁場(chǎng)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(guò)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(jì)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(cè)像元的入射光波長(zhǎng)為λ，光功率恒為P，紫外波段的入射光會(huì)被CdS吸收層吸收，而紅外光則會(huì)透過(guò)CdS吸收層被InSb吸收層吸收，通過(guò)數(shù)值模擬不同波長(zhǎng)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(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)厚度為5μπι左右的η型CdS單晶； 2).通過(guò)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(tái)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(zhǎng)高透光率的Pt薄膜電極以形成肖特基接觸，并且經(jīng)過(guò)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(duì)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(guò)光刻工藝、刻蝕工藝、熱蒸發(fā)方法和剝離工藝制作InSb臺(tái)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(hào)】H01L31/18GK105914252SQ201610406753
【公開日】2016年8月31日
【申請(qǐng)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(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所