一種像素單元及其構(gòu)成的紅外成像探測(cè)器和制備工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于紅外探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及具有納結(jié)構(gòu)光敏元的背照明紅外探測(cè)像素單元、由該像素單元構(gòu)成的非致冷紅外成像探測(cè)器及其制備工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前基于微測(cè)輻射熱計(jì)原理的非致冷紅外成像探測(cè)器均采用前照明熱敏薄膜吸收探測(cè)方式。圖1為以前照明方式工作的微測(cè)輻射熱計(jì)探測(cè)器的像素垂直截面圖。含有光敏薄膜的紅外吸收層12通過(guò)兩側(cè)的支撐橋腿13懸浮于含有讀出電路(ROIC)的硅襯底21表面，支撐腿13表面同時(shí)還含有導(dǎo)電電極使得光敏單元的兩端分別與ROIC的電接觸點(diǎn)14連接，構(gòu)成電回路。紅外輻射入射到光敏單元上被吸收后轉(zhuǎn)化成熱使得敏感薄膜的電阻發(fā)生變化，該變化量被讀出電路檢出。大量像素單元組成二維陣列形成面陣探測(cè)器，可以實(shí)現(xiàn)凝視紅外成像。
[0003]圖1中的像素結(jié)構(gòu)中含有光敏薄膜的紅外吸收層不直接與硅襯底接觸而是懸浮于硅襯底之上，其目的是減小熱導(dǎo)，增強(qiáng)光吸收后的溫升，獲得更高的光響應(yīng)率。同時(shí)為了獲得快的響應(yīng)時(shí)間實(shí)現(xiàn)高幀頻探測(cè)，紅外吸收層12常采用厚度小于I微米的低熱質(zhì)量多層膜結(jié)構(gòu)，部分未被吸收的紅外光被襯底表面的金屬層11反射后返回紅外吸收層。通過(guò)控制紅外吸收層12與金屬層11的間距使之組成四分之一波長(zhǎng)諧振空腔，可以在諧振波長(zhǎng)附近獲得80%以上的吸收率。但是圖1的像素結(jié)構(gòu)由于支撐腿占用了一定的像素面積，故探測(cè)器的填充因子不高，紅外光的能量利用率低，同時(shí)紅外吸收層的熱質(zhì)量仍然較大，限制了響應(yīng)速度的進(jìn)一步提高。改進(jìn)的技術(shù)采用三層結(jié)構(gòu)，如美國(guó)專利USP6144030中通過(guò)增加中間第二層用于放置支撐腿，上層紅外吸收層通過(guò)短而細(xì)的支撐柱與下方第二層的支撐腿連接，對(duì)于30 μ mX 30 μ m的像素單元，填充因子可高于85%。但是這種改進(jìn)的結(jié)構(gòu)制備工藝復(fù)雜，可靠性差，成本難以降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供了一種像素單元及其構(gòu)成的紅外成像探測(cè)器及其制備工藝，目的在于提高探測(cè)器的填充因子和器件響應(yīng)率，并且簡(jiǎn)化制備工藝，提高可靠性，并降低生產(chǎn)成本。
[0005]本發(fā)明提供的一種像素單元，其特征在于，它包括由下至上的依次設(shè)置的支撐層、鍵合層、介質(zhì)層、光敏單元層、讀出電路層以及微透鏡層，所述讀出電路層和光敏單元層位于硅襯底的同一面，所述微透鏡層位于硅襯底的另一面，所述光敏單元為由導(dǎo)電金屬或半導(dǎo)體材料制作的納結(jié)構(gòu)，并位于像素單元中心，所述光敏單元被讀出電路環(huán)繞，且與讀出電路互連，所述微透鏡用于將入射的紅外光會(huì)聚并聚焦至光敏單元，光敏單元用于吸收和探測(cè)紅外光。
[0006]所述納結(jié)構(gòu)可以為納米點(diǎn)、納米線、納米桿，或者星形、多邊形或分形圖形的納米結(jié)構(gòu)。
[0007]上述技術(shù)方案可以采用下述任一種或任幾種方式進(jìn)行改進(jìn):(一)所述光敏單元周圍設(shè)有隔離槽，用于將光敏單元與四周的硅襯底進(jìn)行熱隔離，同時(shí)使電極引線部分懸空減少通過(guò)引線熱傳導(dǎo)損失；(二)所述支撐層表面設(shè)有凹腔陣列，凹腔內(nèi)表面鍍有金屬反射膜，用于將光敏單元未被吸收但到達(dá)凹腔表面的光反射回光敏單元，以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)吸收；
(三)所述光敏單元四周開有錐形槽，使像素中心區(qū)域形成一個(gè)上寬下窄的錐形臺(tái)面，該錐形臺(tái)面的側(cè)面用于對(duì)微透鏡會(huì)聚的紅外光進(jìn)行反射并使其進(jìn)入到所述的光敏單元中；
(四)所述光敏單元兩端通過(guò)電極線與像素單元內(nèi)的讀出電路的電接觸點(diǎn)進(jìn)行電互連，所述光敏單元兩側(cè)設(shè)有天線，天線用于收集匯聚到錐形臺(tái)面的紅外諧振輻射，并在光敏單元附近激發(fā)增強(qiáng)的電磁場(chǎng)強(qiáng)，以提高光敏單元對(duì)諧振紅外輻射的吸收能力；(五)所述光敏單元為納米線，納米線兩側(cè)設(shè)有偶極天線，偶極天線的兩臂與納米線垂直，并覆蓋天線中間的饋入點(diǎn)；(六)所述天線為對(duì)數(shù)天線、螺旋形天線或蝶形天線。
[0008]本發(fā)明提供了由上述像素單元構(gòu)成的紅外成像探測(cè)器，該紅外成像探測(cè)器由呈二維陣列分布的像素單元構(gòu)成。
[0009]本發(fā)明提供的一種紅外成像探測(cè)器的制備工藝，其步驟包括:
[0010]第I步硅基有源片和無(wú)源支撐片的制備:
[0011]所述硅基有源片制備過(guò)程為:先在雙面拋光的硅襯底的一側(cè)表面制作讀出電路，然后在各像素單元的中心區(qū)域制作光敏單元，構(gòu)成光敏單元陣列；最后在各像素單元環(huán)繞光敏單元的硅材料部分，形成矩形或V型截面的熱隔離槽陣列；
[0012]所述無(wú)源支撐片制備過(guò)程為:以硅或玻璃片作為支撐層，在支撐層的一個(gè)表面上制作與光敏單元陣列對(duì)應(yīng)的凹形或V型空腔陣列，并在空腔內(nèi)表面鍍制金屬反射膜；
[0013]第2步分別在有源片和支撐片上有圖案的一側(cè)制作鍵合圖案；
[0014]第3步將有源片有圖形的一側(cè)和支撐片對(duì)準(zhǔn)后鍵合在一起；
[0015]第4步將鍵合片中有源硅襯底另一側(cè)的硅層減薄到10-50微米的厚度；
[0016]第5步在減薄面上與另一側(cè)光敏單元陣列對(duì)應(yīng)的位置制作微透鏡陣列，隨后在微透鏡陣列表面鍍制光學(xué)膜層；
[0017]第6步將鍵合片切片后封裝。
[0018]本發(fā)明提供的背照明納結(jié)構(gòu)探測(cè)器的結(jié)構(gòu)和和制備工藝具有這樣的有益效果:
(I)背面微透鏡有助于提高填充因子，進(jìn)而提高器件的響應(yīng)率；(2)納結(jié)構(gòu)光敏單元的熱質(zhì)量很小，可顯著提高探測(cè)器的響應(yīng)速度；(3)制備工藝簡(jiǎn)單，有利于降低成本。
【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1是傳統(tǒng)的非致冷探測(cè)器單個(gè)像素的垂直截面圖；
[0020]圖2是本發(fā)明的一種背照明非致冷紅外探測(cè)器單個(gè)像素的垂直截面圖；
[0021]圖3是以二維陣列形式密集排列構(gòu)成的探測(cè)器像素陣列的正面圖(不含無(wú)源支撐片);
[0022]圖4是本發(fā)明的一種帶有熱隔離空腔和球面反射鏡的背照明非致冷探測(cè)器單個(gè)像素的垂直截面圖；
[0023]圖5是本發(fā)明的一種有源片上帶有錐形臺(tái)面的背照明非致冷探測(cè)器單個(gè)像素的垂直截面圖；
[0024]圖6是本發(fā)明的一種有源片上帶有隔離環(huán)形槽的背照明非致冷探測(cè)器單個(gè)像素的垂直截面圖；
[0025]圖7是一種具有偶極天線耦合的亞波長(zhǎng)或納米線紅外光敏單元的正面俯視圖；
[0026]圖8是一種具有蝶形天線耦合的亞波長(zhǎng)或納米線紅外光敏單元的正面俯視圖；
[0027]圖9是一種具有螺旋形天線耦合的亞波長(zhǎng)或納米線紅外光敏單元的正面俯視圖；
[0028]圖10是本發(fā)明實(shí)例提供的一種納結(jié)構(gòu)非致冷紅外探測(cè)器的制作工藝流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步說(shuō)明。在此需要說(shuō)明的是，對(duì)于這些實(shí)施方式的說(shuō)明用于幫助理解本發(fā)明，但并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限定。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0030]圖2為一種紅外探測(cè)器單個(gè)像素的垂直截面圖。該像素主要由薄型硅基有源片200和無(wú)源支撐片210兩部分鍵合而成，因此從下往上鍵合后的像素單元結(jié)構(gòu)依次含有■?支撐層21、鍵合層22、光敏單元23、介質(zhì)層24、讀出電路(ROIC)層25以及硅微透鏡層26。
[0031]支撐層20的材料可以是娃、陶瓷或光學(xué)玻璃,優(yōu)選光學(xué)玻璃；鍵合層22的材料可以是有機(jī)或無(wú)機(jī)粘接膠、合金焊料等；介質(zhì)層24起到絕緣和鈍化作用，所用的材料為具有低熱導(dǎo)系數(shù)的介質(zhì)材料，優(yōu)選二氧化硅。光敏單元23為具有熱敏電阻特性的導(dǎo)電金屬如Pt、T1、Ni等，或者半導(dǎo)體如氧化釩(VOx)、非晶硅或S1-Ge等材料制作的納結(jié)構(gòu)。本發(fā)明所指的納結(jié)構(gòu)是指在平行于襯底表面的平面內(nèi)至少有一個(gè)方向的尺寸為納米量級(jí)的平面結(jié)構(gòu)，如簡(jiǎn)單的納米點(diǎn)、納米線、納米桿，也可包含復(fù)雜形狀的納米結(jié)構(gòu)圖形如星形、多邊形或分形圖形等。
[0032]圍繞像素中心一定范圍的圓形或方形區(qū)域?qū)儆诩t外光透射通道，讀出電路的分布應(yīng)避開這些區(qū)域，以免阻擋紅外光會(huì)聚到光敏單元23。讀出電路層位于硅基有源片200的一側(cè)表面上，其深度范圍一般在3-4微米以內(nèi)，微透鏡層26則處于娃基有源片200的另一側(cè)表面，其冠高一般為5微米以內(nèi)。由于探測(cè)器的像素尺寸較小(通常為方形，邊長(zhǎng)十幾至幾十微米)，為獲得衍射極限的聚焦斑點(diǎn)，宜采用快微透鏡，故硅襯底200需減薄到10-50微米的厚度，再在其上制作微透鏡并鍍制光學(xué)膜層如減反膜或?yàn)V光膜。
[0033]圖3為以納結(jié)構(gòu)探測(cè)器作為像素單元通過(guò)二維形式密集排列構(gòu)成像素陣列的正面視圖(從無(wú)源支撐片一側(cè)觀察，但不含無(wú)源支撐片)，其中納米線光敏單元23占據(jù)每個(gè)像素中心的很小面積，納米線的兩端通過(guò)金屬薄膜