一种适用于低温长波红外探测器的微透镜阵列

专利摘要:
本实用新型提供了一种适用于低温长波红外探测器的微透镜阵列，属于半导体器件领域。包括增透膜、微透镜阵列和底面，该微透镜阵列填充因子为100％，红外探测器焦平面光能利用率80％以上。进而将该微透镜阵列应用于红外探测器前端，提高整体器件的灵敏度。
公开号:CN214336716U
申请号:CN202120801917.7U
申请日:2021-04-19
公开日:2021-10-01
发明作者:郑子龙；胡双媛；王如志；张铭；严辉
申请人:Beijing University of Technology；
IPC主号:H01L27-146

专利说明:
[n0001] 本实用新型属于半导体器件领域，涉及一种适用于低温长波光电探测器的微透镜阵列。
[n0002] 微透镜阵列是阵列光学器件中一类重要的光学元件，它是一系列孔径在几个微米至几百微米的微小型透镜按一定排列组成的阵列。
[n0003] 对于红外探测器，伴随着像元中心距的降低，光敏吸收区的占空比降低，信号明显减小，探测器灵敏度下降。此外由于载流子扩散引起的相邻像元间的串音现象增强，进而导致探测器整体探测性能下降。为解决上述问题，在芯片入光一侧集成与pn结的阵列规模和像元间距相匹配的微透镜阵列是一种简单有效的解决方法。
[n0004] 微透镜阵列的一个重要参数为微透镜阵列填充因子，也可以称为微透镜阵列有效占空比，指微透镜所占面积与整个阵列面积之比。当微透镜阵列与探测器集成后，微透镜阵列填充因子能够影响其光能利用率。微透镜阵列填充因子越大，其在探测器的光能利用率所起作用越大。
[n0005] 在当今半导体器件越来越小型化的趋势下，尺寸较小的红外探测器会使得器件的灵敏度降低。红外探测器的焦平面对光线反射会使得光能利用率下降。为了提高器件的灵敏度，则需要提高微透镜的填充因子。
[n0006] 红外探测器一般工作在约80K的低温环境中，而芯片材料，碲锌镉，光敏单元、互连胶水之间存在着较大的热膨胀系数差异。在不同温度时,其热膨胀系数差异对可调微透镜的光学性能影响十分明显。温度升高，微透镜阵列面型发生改变，焦距会大幅度变大，使得光敏区的光能利用率有较大的波动。使用碲锌镉作为微透镜阵列材料，在高低温变化过程中极易导致应力在光敏区的积累，开裂概率高。所以对于低温(约80K)使用的长波光电探测器，在设计和制作时必须要考虑温度的影响。
[n0007] 鉴于此，本实用新型提供了一种适用于低温长波红外探测器的微透镜阵列，该微透镜阵列填充因子为100％，红外探测器焦平面光能利用率80％以上。进而将该微透镜阵列应用于红外探测器前端，提高整体器件的灵敏度。
[n0008] 本实用新型的目的是提供一种适用于低温长波红外探测器的微透镜阵列，在80K的低温环境中能够正常工作。进而在将所述微透镜阵列应用于低温长波红外探测器后，该微透镜阵列能够增强红外探测器光敏区的光能利用率。
[n0009] 本实用新型的有益效果是：
[n0010] 本实用新型一种适用于低温长波红外探测器的微透镜阵列，底面形状设计正方形，因此填充因子100％，提高整体器件的灵敏度；
[n0011] 本实用新型一种适用于低温长波红外探测器的微透镜阵列，相邻矢量焦距和矢量高度相同，方便制备。使得红外探测器光敏区的光能利用率对比无微透镜阵列的红外探测器光敏区能够提高40％；
[n0012] 为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
[n0013] 一种适用于低温长波红外探测器的微透镜阵列，包括增透膜、微透镜阵列和底面；微透镜阵列为位于底面之上的微透镜阵列；所述的底面为正方形，微透镜阵列中的单个微透镜单元为底部为四边形且上部为向上凸起的微透镜，单个微透镜单元底部周期性紧密排列布满底面的上表面，微透镜阵列底部在底面上的占空比为100％；微透镜阵列的材料为碲锌镉。单个微透镜单元底部四边形为等边菱形或正方形，边长为15-25μm，优选19-21μm，单个微透镜的矢量高度为20-40μm优选30μm。
[n0014] 所述增透膜是在微透镜阵列上面设有一层连续的金属化合物薄膜；所述增透膜材料可为硫化锌或者氟化钇。
[n0015] 每个微透镜单元中间部分在底面上的光投影形成光敏区，相邻两微透镜单元之间的连接区域在底面上的光投影形成非光敏区，一般认为光敏区之外的区域为非光敏区。
[n0016] 对于红外区来说，当底面光敏区部分材料的折射率大于等于2时，使用硫化锌作为增透膜材料。当底部光敏区部分材料的折射率小于2时，使用氟化钇作为增透膜材料。增透膜的厚度为0.1μm～0.8μm，增透膜的折射率随着膜厚的增加而增加。
[n0017] 本实用新型所诉微透镜阵列具有图形结构简单、不需多层微透镜叠加，易于实现集成，适用于低温条件下的长波红外探测器。
[n0018] 本实用新型所述的微透镜阵列，底面为正方形，因此占空比为100％。当长波8-10μm范围红外光垂直入射时，入射光发生汇聚。通过合理优化单个微透镜的底面边长，增透膜的材料与厚度，使原本落入非光敏区的光子由于微透镜的相位变化作用而偏折落入光敏区，增强了光敏区的光能利用率，从而改善红外探测器的灵敏度、信噪比、分辨率等性能。所述的微透镜阵列可以令红外探测器光敏区的吸收率提高约40％。
[n0019] 图1是本实用新型一种适用于低温长波红外探测器的微透镜阵列在整个器件中的位置示意图；
[n0020] 其中底面1、微透镜阵列2、增透膜3、光敏区4、非光敏区5、长波红外光6。
[n0021] 图2是本实用新型提出的微透镜阵列的整体结构侧视图；
[n0022] 图3是本实用新型提出的微透镜的横截面形状；
[n0023] 图4是本实用新型一种适用于低温长波光电探测器的微透镜阵列的光能透射率图；
[n0024] 图5是本实用新型一种适用于低温长波光电探测器的微透镜阵列及制备方法的透射率在长波范围分布图；
[n0025] 下面结合实施例对本实用新型进行详细说明。但本实用新型并不限于以下实施例。
[n0026] 实施例1
[n0027] 一种适用于低温长波红外探测器的微透镜阵列，在整个器件中的位置如图1，2，3所示，包括增透膜和微透镜。所述增透膜为一层连续的硫化锌薄膜，折射率为2.18，其厚度为100nm。微透镜的材料为碲锌镉。单个微透镜的矢量高度为30μm，底面边长为20μm，矢量焦距为14μm。
[n0028] 将本实用新型一种适用于低温长波红外探测器的微透镜阵列的制备方法得到的微透镜阵列进行测试，测试底面边长长度范围在15-25μm时微透镜的平均透射率。如图4，可以看到底面边长长度20μm时，透射率最好，平均透射率达到0.82Abs。
[n0029] 将本实用新型一种适用于低温长波光电探测器的微透镜阵列的制备方法得到的微透镜阵列进行测试。测试的光源为：黑体炉发出黑体辐射经过特定频率的斩波器调制生成呈高斯分布的8-10μm的入射光。测试内容是测试所制微透镜阵列对8-10μm范围光的平均透射情况。得到图5所示的曲线，从曲线可以看出在8-10μm范围的长波，本实用新型一种适用于低温长波红外探测器的微透镜阵列有良好的探测结果。
[n0030] 上述微透镜阵列经过FDTD Solutions仿真软件中进行模拟计算，在LW320芯片入光一侧制备本发明微透镜阵列，增透膜为一层连续的厚度为100nm的硫化锌薄膜，微透镜的材料为碲锌镉。单个微透镜的矢量高度为30μm，底面边长为20μm，矢量焦距为14μm。在垂直入射8-10μm长波范围红外光情况下，其信号均值为406mV。对比同样结构，没有微透镜阵列的LW320芯片，其信号均值为287mV。信号提升41％，获得了较好的信号增强效果。

权利要求:
Claims (6)
[0001] 1.一种适用于低温长波红外探测器的微透镜阵列，其特征在于，包括增透膜、微透镜阵列和底面；微透镜阵列为位于底面之上的微透镜阵列；所述的底面为正方形，微透镜阵列中的单个微透镜单元为底部为四边形且上部为向上凸起的微透镜，单个微透镜单元底部周期性紧密排列布满底面的上表面，微透镜阵列底部在底面上的占空比为100％；单个微透镜单元底部四边形为等边菱形或正方形，所述增透膜是在微透镜阵列上面设有一层连续的金属化合物薄膜。
[0002] 2.按照权利要求1所述的一种适用于低温长波红外探测器的微透镜阵列，其特征在于，微透镜阵列的材料为碲锌镉。
[0003] 3.按照权利要求1所述的一种适用于低温长波红外探测器的微透镜阵列，其特征在于，每个微透镜单元中间部分在底面上的光投影形成光敏区，相邻两微透镜单元之间的连接区域在底面上的光投影形成非光敏区；
所述增透膜材料可为硫化锌或者氟化钇；对于红外区来说，当底面光敏区部分材料的折射率大于等于2时，使用硫化锌作为增透膜材料，当底部光敏区部分材料的折射率小于2时，使用氟化钇作为增透膜材料。
[0004] 4.按照权利要求1所述的一种适用于低温长波红外探测器的微透镜阵列，其特征在于，增透膜的厚度为0.1μm～0.8μm。
[0005] 5.按照权利要求1所述的一种适用于低温长波红外探测器的微透镜阵列，其特征在于，单个微透镜边长为15-25μm，单个微透镜的矢量高度为20-40μm。
[0006] 6.按照权利要求1所述的一种适用于低温长波红外探测器的微透镜阵列，其特征在于，单个微透镜边长为19-21μm，单个微透镜的矢量高度为30μm。

类似技术:

---

公开号 | 公开日 | 专利标题

---

US9520525B1|2016-12-13|Method of making an optical detector

---

CN207250518U|2018-04-17|盖革模式雪崩光电二极管阵列、光电子器件和检测系统

---

US7977637B1|2011-07-12|Honeycomb infrared detector

---

US6147349A|2000-11-14|Method for fabricating a self-focusing detector pixel and an array fabricated in accordance with the method

---

WO2020119200A1|2020-06-18|单光子雪崩二极管及制作方法、探测器阵列、图像传感器

---

JP2012151452A|2012-08-09|裏面に設けられた金属テクスチャリングによって最適化された光検出器

---

CN106057957B|2017-07-28|具有周期性纳米结构的雪崩光电二极管

---

CN105527026A|2016-04-27|一种像素单元及其构成的红外成像探测器和制备工艺

---

US8946839B1|2015-02-03|Reduced volume infrared detector

---

WO2020098362A1|2020-05-22|光电探测器、光电探测器的制备方法、光电探测器阵列和光电探测终端

---

US20170040368A1|2017-02-09|Photodiode Placement For Cross Talk Suppression

---

KR100987057B1|2010-10-11|광검출 효율이 향상된 실리콘 광전자 증배관 및 이를포함하는 감마선 검출기

---

US9490292B1|2016-11-08|Dual-band detector array

---

CN214336716U|2021-10-01|一种适用于低温长波红外探测器的微透镜阵列

---

Sharifi et al.2013|Fabrication of high-operating temperature |, visible to MWIR, nCBn photon-trap detector arrays

---

JPH0774332A|1995-03-17|Ｃｃｄ型固体撮像装置

---

CN108428747B|2020-06-02|一种探测基板及其制备方法、x射线探测器

---

US5376558A|1994-12-27|Method of fabricating a semiconductor image pickup device

---

Piotrowski et al.2000|Uncooled photovoltaic Hg1-xCdxTe LWIR detectors

---

CN109698255B|2020-04-10|侧面接收光的硅增益光探测阵列器件的制作方法

---

CN203134797U|2013-08-14|一种无源电路耦合的环孔型碲镉汞芯片

---

CN105321975A|2016-02-10|图像传感器和图像探测器

---

GB2241605A|1991-09-04|Infrared photodiodes, arrays and their manufacture

---

RU2069028C1|1996-11-10|Способ изготовления гибридной фотодиодной матрицы на антимониде индия

---

WO2016167753A1|2016-10-20|Photodiode placement for cross talk suppression

同族专利:

---

公开号 | 公开日

---

引用文献:

---

公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题

---

法律状态:
2021-10-01| GR01| Patent grant|

---

2021-10-01| GR01| Patent grant|

优先权:

---

申请号 | 申请日 | 专利标题

---

CN202120801917.7U|CN214336716U|2021-04-19|2021-04-19|一种适用于低温长波红外探测器的微透镜阵列|CN202120801917.7U| CN214336716U|2021-04-19|2021-04-19|一种适用于低温长波红外探测器的微透镜阵列|