集成微透鏡陣列的背照式紫外焦平面探測器的制造方法
【技術領域】
[0001]本專利涉及紫外光電探測器及微透鏡，具體是指集成微透鏡陣列的背照式紫外焦平面探測器及相應的微透鏡陣列的制備方法。
【背景技術】
[0002]紫外探測器已經被廣泛應用于導彈預警、溢油監(jiān)測、電暈探測、指紋檢測等軍事、環(huán)境檢測、工業(yè)生產等領域。紫外探測器可大致分為兩類:光陰極探測器和半導體探測器。與光陰極探測器相比，半導體紫外探測不僅更緊湊，更堅固，具有更高的量子效率，驅動電壓更低，而且還能在高溫環(huán)境中獲得更好的穩(wěn)定性。典型的紫外固體探測器有Si紫外探測器、SiC紫外探測器以及III族氮化物紫外探測器。其中AlGaN基紫外探測器具有吸收系數(shù)大、截止波長銳利、響應速度快、異質結易實現(xiàn)、響應波段可調等優(yōu)點。AlGaN基紫外探測器可分為正照式和背照式探測器兩種。
[0003]相對于正照射結構，背照射結構有以下幾個優(yōu)點:(I)采用帶高組分AlGaN窗口層的異質結結構，可以有效地裁剪響應波段，在響應波段內可以獲得較高的量子效率；(2)窗口層為n-AlGaN，材料的生長較為容易；(3)適于制備大規(guī)模面陣器件，可以實現(xiàn)大規(guī)模的混成焦平面器件。
[0004]AlGaN基紫外探測器的襯底材料通常是藍寶石、SiC和硅，這些襯底材料和AlGaN及GaN的晶格常數(shù)不匹配，所以在AlGaN及GaN材料中具有相當高的線位錯密度，數(shù)量約為18?101(lCm_2，這些位錯以及材料生長過程中形成的原位缺陷如Ga空位和N空位及雜質元素如碳、氫、氧等會對載流子進行散射，從而降低探測器的內量子效率。
[0005]為了減少這些材料缺陷的數(shù)量，橫向外延生長(LEO)以及表面鈍化、熱處理等技術已經被應用在材料生長和器件制備工藝中，這些技術的共同點是在保持光敏元面積一定的情況下，通過減少缺陷密度來減少光敏元中的缺陷數(shù)量。
【發(fā)明內容】
[0006]本專利的目的在于提供一種集成微透鏡陣列的背照式紫外焦平面探測器，提高紫外焦平面探測器的探測率。
[0007]和以上各種技術不同，本專利的原理是使用微光學元件即微透鏡的匯聚作用將紫外輻射匯聚到更小面積的光敏元上，由微透鏡來獲得與原來光敏元相同的紫外輻射能量。通過減小光敏元的面積的方法使光敏元上的線位錯和材料缺陷數(shù)量的絕對值大幅度減少。此外，相同工藝條件下，小光敏元的零偏壓動態(tài)電阻Rtl高于大面積光敏元的Ro。在響應率基本不變的情況下，可以得到更高的優(yōu)值因子RciA,從而提高紫外焦平面探測器的探測率。
[0008]本專利一種集成微透鏡陣列的背照式紫外焦平面探測器，包括紫外光敏元陣列芯片1、讀出電路2、混成互連銦柱3、微透鏡陣列4，寶石片襯底5，紫外光敏元陣列芯片I通過混成互連銦柱3和讀出電路2連接，微透鏡陣列4集成在紫外光敏元陣列芯片I的寶石片襯底5上的紫外輻照入射面上；
[0009]所述的紫外光敏元是pn結二極管、p-1-n結二極管、肖特基結二極管、多量子阱二極管或雪崩二極管。
[0010]所述的微透鏡陣列4是平凸透鏡，其外形是圓形、正方形、或六角形。
[0011]在紫外光敏元陣列芯片I制備完成后，在制備混成互連銦柱3之前制備微透鏡陣列4，具體步驟如下:
[0012]I)根據(jù)紫外焦平面探測器的光敏元大小和數(shù)目制備同等規(guī)模的微透鏡陣列光刻掩膜版；
[0013]2)在光刻機的顯微鏡下將微透鏡陣列光刻掩膜版和紫外焦平面探測器的光敏元通過光刻標記對準，由于紫外焦平面探測器寶石片襯底對于可見光是透明的，所以可以通過調節(jié)顯微鏡的景深看到寶石片正面的光敏元光刻標記和微透鏡陣列的圖形是否對準；
[0014]3)對紫外焦平面探測器寶石片襯底背面的光刻膠進行曝光、顯影，然后將紫外焦平面探測器寶石片襯底通過導熱脂貼到加熱板上，當溫度升高到光刻膠的玻璃化轉變溫度以上時，光刻膠的粘度下降并在表面張力的作用下形成球冠形狀，這時將紫外焦平面探測器寶石片襯底取下；
[0015]4)用電感耦合等離子體刻蝕方法，將光刻膠刻蝕去除，此時光刻膠的球冠形狀被轉移到了紫外焦平面探測器寶石片襯底上，形成紫外焦平面探測器寶石片微透鏡陣列。
[0016]本專利的優(yōu)點是微透鏡陣列的制備工藝和微電子工業(yè)的設備、工藝方法兼容，無需另外添加復雜的專門設備。
【附圖說明】
[0017]圖1是集成微透鏡陣列的背照式紫外焦平面探測器的結構示意圖。
[0018]圖2是微透鏡陣列的結構示意圖。
[0019]圖3是微透鏡陣列的制備流程圖；其中步驟(I)是對襯底進行清洗，步驟(2)是用勻膠機涂敷光刻膠，步驟(3)是使用光刻機進行光刻，步驟(4)是用加熱板加熱光刻膠，步驟(5)是刻蝕去除光刻膠。
[0020]圖4是微透鏡陣列的局部形貌。
[0021]圖5是響應光譜。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖，以像元數(shù)為320 X 256，像元大小為30 X 30 μ m2，光敏元大小為15Χ 15 μπι2的紫外焦平面探測器為例，對本專利的具體實施方法做進一步地詳細說明。
[0023]1.按照320X256紫外焦平面探測器的規(guī)格制備微透鏡陣列光刻版；
[0024]2.對0.4mm厚的寶石片襯底進行減薄和化學機械拋光至100 μ m厚，拋光后的表面質量為80/50劃痕/麻點。
[0025]3.對320X256紫外焦平面探測器用三氯乙烯、乙醚、丙酮、酒精各清洗5分鐘，最后用氮氣吹干。
[0026]4.在寶石片襯底上勾膠AZ5200,勾膠速度為4000rpm/min。
[0027]5.通過調整光刻機顯微鏡的景深，在光刻機上將微透鏡陣列光刻版上的光刻標記與襯底正面的光刻標記對準，并進行曝光、顯影。
[0028]6.用7501真空硅脂在襯底正面涂均勻以利于均勻導熱。
[0029]7.將襯底正面貼在恒溫在140攝氏度的加熱板上，加熱期間用培養(yǎng)皿罩住，防止落塵；加熱4分鐘后取下。
[0030]8.在臺階儀上測量光刻膠球冠的高度，看是否達到預定的高度，否則從步驟C開始進行返工。
[0031]9.放入ICP刻蝕機中進行刻蝕，刻蝕參數(shù)為:BCL3:45sccm，壓強:10mtorr，溫度:5攝氏度，ICP功率:1500ff, RF功率:30ff,刻蝕時間:30min, He冷卻氣體壓強:1Torr ；
[0032]效果情況
[0033]如附圖4所示，用臺階儀獲得的紫外焦平面探測器微透鏡陣列的局部輪廓掃描圖，可見光刻膠已充分融化，表面粗糙度在可接受范圍內。對光敏元大小為15Χ15μπι2的紫外焦平面探測器，在集成微透鏡陣列和未集成微透鏡陣列兩種情況下的響應光譜進行對比，如圖5所示，可見集成微透鏡陣列的探測器響應率是未集成微透鏡陣列的探測器響應率的3.8倍，這說明微透鏡將落在光敏元以外的光線全部匯聚到光敏元上。相對于填充因子為87.1%的28X28 μπι2的光敏元，實現(xiàn)了在接受等量的紫外輻照的同時，具有15X 15 μ m2光敏元的紫外焦平面探測器的光敏元面積和結電容縮小為28.7%，優(yōu)值因子R0A提高至3.5倍，從而探測率提高至1.9倍。
【主權項】
1.一種集成微透鏡陣列的背照式紫外焦平面探測器，包括紫外光敏元陣列芯片(I)、讀出電路(2)、混成互連銦柱(3)、微透鏡陣列(4)，寶石片襯底(5)，其特征是:紫外光敏元陣列芯片(I)通過混成互連銦柱(3)和讀出電路(2)連接，微透鏡陣列(4)集成在紫外光敏元陣列芯片(I)的寶石片襯底(5)上的紫外輻照入射面上； 所述的紫外光敏元是Pn結二極管、p-1-n結二極管、肖特基結二極管、多量子阱二極管或雪崩二極管。2.根據(jù)權利要求1所述的一種集成微透鏡陣列的背照式紫外焦平面探測器，其特征是:所述的微透鏡陣列(4)是平凸透鏡，其外形是圓形、正方形、或六角形。
【專利摘要】本專利公開了一種集成微透鏡陣列的背照式紫外焦平面探測器。背照式紫外焦平面探測器由以下幾個部分組成：紫外光敏元陣列芯片、讀出電路、混成互連銦柱、微透鏡陣列。微透鏡陣列在紫外光敏元陣列芯片的寶石片襯底上采用光刻膠光刻、高溫成型、等離子體刻蝕等步驟加工形成。本專利的優(yōu)點是：集成微透鏡陣列之后，紫外光敏元的面積可以大幅度減少，從而使紫外光敏元具有高的零偏壓動態(tài)電阻R0和小的結電容，從而有利于減小讀出電路的噪聲以及提高紫外探測器的探測率。
【IPC分類】H01L27/144
【公開號】CN204680670
【申請?zhí)枴緾N201520371925
【發(fā)明人】劉向陽, 王玲, 張燕, 劉詩嘉, 許金通, 李向陽
【申請人】中國科學院上海技術物理研究所
【公開日】2015年9月30日
【申請日】2015年6月2日