一種中紅外探測器及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于光電子探測器技術領域，具體涉及一種中紅外探測器及其制備方法。
【背景技術】
[0002]紅外光電探測器是一種接收光信號并使之轉換為電信號的一種設備，紅外探測器根據其敏感面是否需要制冷分為制冷性紅外探測器和非制冷紅外探測器。前者主要用于高端軍事領域，而后者由于省去了制冷裝置，且具備體積小、功耗低、環(huán)境適應性強、壽命長等優(yōu)點而更廣泛的應用。
[0003]20世紀30年代以來，在l-3um及3_5um光譜范圍內的非制冷光電探測器依然以低成本的硫化鉛和砸化鉛為主(中紅外光譜范圍內，鉛鹽探測器靈敏度、可靠性優(yōu)于碲化鎘探測器、銻砷銦探測器)。根據鉛鹽半導體的內光電效應制備出的本征光電導探測器廣泛應用于測溫、探測、制導、預警、天文觀測領域。
[0004]化學浴沉積法制備鉛鹽半導體薄膜是化學成膜的一種傳統技術應用，通常采用硫脲或砸脲與鉛鹽通過在堿性環(huán)境下化學沉積而生成(司俊杰，制備紅外探測器光敏薄膜的方法，中國，CN 101170149A 2008-4-30 ;陳鳳金等化學浴沉積PbSe多晶薄膜及其光電性能初探[J].紅外技術.2009)，利用這一方法制備的鉛鹽薄膜擁有相對較好的光電性能，在紅外探測領域應用廣泛。
[0005]目前國內對于鉛鹽探測器的性能報道甚少，大多仍停留在研發(fā)階段。而依照國外近三十年的發(fā)展來看，主要有兩種制備方式，一種就是如上所述的傳統低成本的化學浴法(Infrared detectors, 1984, Vol.443, Pages 60-94，San Diego, California)，經過多年的發(fā)展，目前諸如美國Calsensors等公司可以將此類鉛鹽探測器的探測率提高到室溫下I X 10lclcm.Hz1/2/W以上；另外一種就是西班牙詹姆馬丁等(Semicond.Sc1.Technol.11(1996) 1740-1744)用熱蒸發(fā)的方法制備的鉛鹽探測器，其探測率只有IXlO9Cm.Hz172/I

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種中紅外探測器及其制備方法，本發(fā)明制備方法得到的紅外探測器在提升了響應率、信噪比的同時又降低了制作成本。
[0007]為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案:
本發(fā)明提供一種中紅外探測器，包括襯底、鉛鹽薄膜和鈍化層，所述鉛鹽薄膜由如下原料制成:砸代硫酸鈉溶液、醋酸鉛溶液、氫氧化鉀水溶液和可溶性淀粉溶液；其中，砸代硫酸鈉溶液、醋酸鉛溶液、氫氧化鉀水溶液和可溶性淀粉溶液的質量體積百分比濃度之比為1: (0.8?3.5): (0.5?25): (0.0001?0.001);砸代硫酸鈉溶液、醋酸鉛溶液、氫氧化鉀水溶液和可溶性淀粉溶液的體積比為1: (0.5?2.0): (0.5?4): (0.01?0.1)。
[0008]所述砸代硫酸鈉溶液的質量體積百分比濃度為2?200g/L。
[0009]所述襯底為熔融石英、普通玻璃、超白玻璃、氟化鈣或表面氧化的硅片。
[0010]所述的中紅外探測器的制備方法，由如下步驟組成:
(1)襯底的清洗:按照標準清洗工藝清洗襯底，高純氮氣吹干后干燥儲存；
(2)沉積溶液的配置:于攪拌速度300?500rpm攪拌下，按照上述配方將醋酸鉛溶液投入氫氧化鉀水溶液中，攪拌至反應完全，以9?12mL/min的滴加速度依次滴加砸代硫酸鈉溶液和可溶性淀粉溶液，攪拌均勻后得到無色透明的沉積溶液；
(3)鉛鹽薄膜基片的制備:首先將步驟(2)得到的沉積溶液移入沉積容器中，沉積容器置于溫度為50?100°C水浴中，接著將步驟(I)得到的襯底懸掛在沉積溶液的中部，于攪拌速度為30?50rpm下攪拌沉積2.5?3h得到鉛鹽薄膜基片；
(4)退火處理:將步驟(3)得到的鉛鹽薄膜基片置于退火爐中于溫度為300?500°C下退火處理30?90min ；
(5)鈍化保護:將步驟(4)退火后的鉛鹽薄膜基片進行鍍膜處理；
(6)將步驟(5)鈍化保護后的鉛鹽薄膜基片進行切割、封裝得到產品。
[0011]步驟(5)中鍍膜選用的試劑為硫化鋅、二氧化硅或氟化鈣。
[0012]步驟(5)中鍍膜選用鍍膜機為熱蒸發(fā)、磁控濺射或電子束蒸發(fā)。
[0013]步驟(6)封裝采用標準TO系列封裝工藝。
[0014]該技術方案中以醋酸鉛為鉛源，砸代硫酸鈉為砸源，氫氧化鉀為絡合劑，可溶性淀粉為緩沖劑制備鉛鹽薄膜；在不同的退火階段采取不同的氣體、不同的溫度對所制備鉛鹽薄膜進行敏化處理；采用鍍膜機按所需效果對敏化處理后的鉛鹽薄膜進行鍍膜鈍化保護處理；最后采用引線焊接、環(huán)氧樹脂密封等工藝對薄膜基片進行封裝。
[0015]與現有技術相比:本發(fā)明取得的有益效果:
1.砸源變更:采用穩(wěn)定且經濟的砸代硫酸鈉取代砸脲來生長鉛鹽薄膜，在維持甚至提升產品性能的同時也使得產品成本有所降低。
[0016]2.緩沖劑的選取:在化學浴沉積中采用可溶性淀粉溶液作為緩沖劑，增加了沉積溶液的粘稠度，抑制了鉛鹽的成核速度，從而控制了鉛鹽的沉積速度。
[0017]3.化學浴沉積裝置:膜生長采用的玻璃器皿在化學浴沉積時采用密封處理，沉積溶液在反應過程中總量一定，避免了定時補加沉積溶液或水這一因素對沉積薄膜性能及形貌所造成的影響，保證了不同批次樣品的平行性；襯底在反應過程中保持水平，襯底同一平面接觸沉積液離子濃度基本一致，而通過低速攪拌可以進一步提高薄膜的均勻性。
[0018]4.敏化工藝:本發(fā)明采用多種單一氣體在不同溫度下對鉛鹽薄膜進行敏化處理。
[0019]5.產品性能:本發(fā)明制備出的鉛鹽探測器芯片在鍍膜后探測率可達I?3 X 110Cm.Hz1/2/W 及以上。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明實施用化學浴沉積裝置示意圖；
圖2為本發(fā)明化學浴沉積制備薄膜掃描電鏡圖片；
圖3為本發(fā)明實施用退火敏化示意圖；
圖4為本發(fā)明鍍膜工藝流程圖；
圖5為本發(fā)明封裝示意圖1磁力攪拌器；2攪拌控制系統；3水浴裝置；4盛放的蒸餾水；5反應溶液；6襯底；7溫度計；8控溫系統；沉積所采用的密封容器。
【具體實施方式】
[0021]圖1為本發(fā)明化學浴沉積裝置，襯底固定在固定裝置6上，然后水平懸掛于沉積溶液5的中下部(襯底距離沉積溶液底部、頂部4cm左右);沉積過程中沉積溶液5置于水浴4內，密封設施密封沉積溶液5以保證沉積溶液總量穩(wěn)定；溫度控制器8接收溫度計7的反饋，并控制加熱器升溫并維持在沉積所需的溫度；通過調節(jié)攪拌控制器2，來改變攪拌子的轉速使得沉積溶液5濃度保持一致。
[0022]圖3為本發(fā)明制備紅外探測器的敏化裝置，調節(jié)溫度控制器，使退火爐以設定的速率升溫/降溫至設定溫度；調節(jié)時間控制器來調節(jié)鉛鹽薄膜基片的敏化時間；通過氣體流量調節(jié)敏化所需的空氣/氮氣/氧氣進氣流量。
[0023]圖4為本發(fā)明制備紅外探測器的鍍膜工藝，將鉛鹽薄膜基片放入鍍膜機腔體，用掩膜板掩膜并固定，利用鍍膜機對感光區(qū)域鍍上一層規(guī)定厚度的保護膜/增透膜以起到鈍化保護作用。
[0024]圖5為本發(fā)明制備紅外探測器的封裝示意圖，利用點膠、引線焊接、真空封裝等TO系列封裝工藝對制備的鉛鹽薄膜基片進行封裝。
[0025]下面結合實施例對本發(fā)明進一步的描述，但是并不限制本發(fā)明的內容。
[0026]本發(fā)明可供選擇的襯底包括但不限于:石英、普通玻璃、超白玻璃、氟化鈣、表面氧化的娃片等。
[0027]本發(fā)明采用水為蒸餾水，蒸餾水電阻率在15ΜΩ -CnT1以上。
[0028]本發(fā)明采用的試劑包括但不限于:砸代硫酸鈉、砸粉、亞硫酸鈉、醋酸鉛、氫氧化鉀、可溶性淀粉等，所選試劑純度均為分析純。
[0029]試劑配制
(I)根據砸化鉛需沉積的厚度配置2?200g/L的砸代硫酸鈉溶液。例子:10g/L的Na2SeSO3溶液制備方式如下:500mL含2.2g砸粉和和13.15g Na #03的蒸餾水溶液在90°C條件下回流加熱3小時。在這個過程中砸粉和亞硫酸鈉反應形成無色透明溶液，該溶液簡稱溶液I。
[0030](2)根據砸化鉛需沉積的厚度配置3.61?360g/L醋酸鉛溶液。例子:18g/L醋酸鉛溶液制備方式如下:9.5g醋酸鉛投加入500mL蒸餾水中，在60°C環(huán)境中攪拌2h，濾掉不溶物，即得，該溶液簡稱溶液2。
[0031](3)根據沉積溶液所需的pH值及沉積速度配置4?200g/L氫氧化鉀水溶液。例子:2g氫氧化鉀固體溶解在500mL蒸餾水中從而制備出4g/L氫氧化鉀溶液，該溶液簡稱溶液3。
[0032](4)根據沉積工藝配置0.1?10g/L的可溶性淀粉溶液。例子:0.1g可溶性淀粉在100mL、50°C蒸餾水中攪拌溶解配置lg/L的可溶性淀粉溶液，該溶液簡稱溶液4。
[0033]本發(fā)明制備方法中襯底的清洗工藝:具體是將襯底按照標準清洗工藝清洗干凈，高純氮氣吹干并在烘箱中儲存。例子:50_X25mm的石英襯底，用鉻酸溶液浸泡5 min，取出用蒸餾水清洗干凈，依次用乙醇、丙酮、蒸餾水超聲清洗5 min,高純氮氣烘干并在烘箱中儲存。
[0034]沉積溶液的配置:按照上述配方將一定體積的溶液2在轉速300?500rpm的攪拌下投加入溶液3中，攪拌至反應完全，以9?12mL/min的滴加速度依次滴加溶液I及溶液4，攪拌均勻后得到無色透明的沉積溶液。例子??①SOmL溶液3投加入盛有420mL電阻率15ΜΩ.CnT1的蒸餾水的玻璃容器中，攪拌下以9mL/min的滴加速度加入50mL溶液1，攪拌1min確保無白色絮狀物生成；②以9mL/min的滴加速度滴加5mL溶液4及50mL溶液1，滴加完成之后繼續(xù)攪拌1min得到無色透明的沉積溶液，該溶液簡稱溶液5。
[0035]鉛鹽薄膜基片的制備:首先將沉積溶液移入沉積容器中，沉積容器置于溫度為50?100°C水浴中，接著將清洗干凈的襯底懸掛在沉積溶液的中部，于轉速為30?50rpm下攪拌沉積2.5?3h得到鉛鹽薄膜基片；例子:①開啟磁力攪拌器，調節(jié)并控制水浴溫度至80°C ?’②將配制好的溶液5定量轉移至500mL玻璃沉積容器中，將清洗好的石英襯底水平放置于沉積溶液中密封盛放有溶液5的玻璃沉積容器；將沉積容器置于水浴中加熱并調節(jié)磁力攪拌器轉速50rpm，開始沉積過程；④3h后結束沉積并取出襯底。
[0036]敏化處理:將化學浴沉積制備出的鉛鹽