劉世光,徐碧婷,徐長彬,張 軼

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

紅外探測器是將入射紅外光轉(zhuǎn)化為電信號的光電器件,主要分為制冷型和非制冷型。非制冷型紅外探測器工作在室溫,靈敏度低,主要用于民用。在軍事、宇航等領(lǐng)域的高靈敏度、高性能紅外探測主要采用工作溫度在77 K(液氮溫度)附近的制冷型紅外探測器。制冷型紅外探測器中碲鎘汞紅外探測器以其波長可調(diào)、量子效率高,靈敏度高成為高性能紅外探測器的主要發(fā)展方向[1]。

為了滿足未來戰(zhàn)爭越來越嚴苛的需求,紅外探測技術(shù)在軍事中的應(yīng)用正朝著高靈敏、高分辨率以及小型化方向發(fā)展。在保持整體性能的前提下,愈發(fā)強調(diào)系統(tǒng)的緊湊性能,逐漸形成了“SWaP”概念,即更小尺寸、更輕重量以及更低功耗。通過減小像元間距可以降低紅外探測器組件的尺寸、重量和功耗。同時像元間距減小意味著光敏元尺寸的減小,空間分辨率的提高,在固定光學(xué)孔徑內(nèi)涵蓋更多像素,實現(xiàn)更清晰成像,以及更遠的識別距離。目前10 μm小間距紅外器件在國外已經(jīng)實現(xiàn)了初步批量生產(chǎn),國內(nèi)在此方向正處于追趕狀態(tài)。

由于擴散長度的關(guān)系,相鄰像元間的吸收區(qū)需要保持一定的安全距離才能保證相互獨立,這對于大像元間距的器件上的影響不大,但是對10 μm小間距器件的占空比影響較大,導(dǎo)致有效吸收區(qū)域小,信號降低。不同像元間距的吸收區(qū)尺寸對比如圖1所示。

圖1 不同像元間距的吸收區(qū)尺寸對比

為解決上述問題,在芯片入光一側(cè)集成與pn結(jié)陣列規(guī)模和像元間距相匹配的微透鏡陣列是一種簡單有效的解決辦法[2-5]。使入射光通過微透鏡匯聚到像元中心處,不僅增加單個像元的接收光強,而且吸收區(qū)域靠近中心能有效降低相鄰像元間的串音影響[6]。不同結(jié)構(gòu)的入射光對比如圖2所示。

圖2 不同結(jié)構(gòu)的入射光對比

微透鏡從結(jié)構(gòu)上主要分為非原位集成微透鏡和原位集成微透鏡。非原位集成在探測器入光一側(cè)前固定微透鏡陣列,需要精確的水平以及垂直方向的精確對準,而且需要改變原有的封裝結(jié)構(gòu),增加微透鏡陣列的固定裝置。原位集成微透鏡則通過在入光一側(cè)的襯底材料上制備微透鏡陣列,不改變原有的封裝結(jié)構(gòu),難點在于工藝實現(xiàn)。

為獲得微透鏡結(jié)構(gòu),國內(nèi)外利用了眾多方法,如光刻熱熔法[7]、多次光刻套刻[8]、納米壓印[9]等。這其中光刻熱熔工藝的工藝重復(fù)性、穩(wěn)定性較好?；诖斯に?研究團隊已經(jīng)在長波30 μm以及50 μm器件上成功制備了微透鏡對比芯片,信號提升明顯[10]。本文將基于光刻熱熔法制備10 μm小間距原位集成微透鏡。

2 微透鏡光學(xué)原理分析與透鏡設(shè)計

由于研究團隊之前在長波較大間距器件上的微透鏡制備效果良好,將繼續(xù)沿用類似的設(shè)計思路[10]。將透鏡結(jié)構(gòu)近似為近軸情況的球面折射，如圖3所示。

設(shè)定刻蝕后的碲鋅鎘襯底表面O為基準面,R為球面半徑,H為微透鏡高度,L為微透鏡寬度,F近似為像方焦距。

圖3 透鏡成像光路圖

為達到最好的匯聚效果,p-n結(jié)應(yīng)位于像方焦點處,可知F+H應(yīng)等于碲鋅鎘厚度。根據(jù)幾何關(guān)系和球面折射成像公式:

(1)

(2)

其中,n為真空折射率1；n′為材料折射率；碲鋅鎘為2.68；L為透鏡底面寬度；光刻和刻蝕工藝可在10 μm中心距器件上實現(xiàn)約為8 μm。

所有滿足上述關(guān)系的剩余碲鋅鎘襯底厚度F+H和透鏡高度H可做出曲線,如圖4所示。

圖4 F+H隨H的變化曲線

為降低工藝波動對于最終微透鏡匯聚效果的影響,應(yīng)選取F+H隨H變化最為平緩的區(qū)域,即剩余碲鋅鎘厚度F+H應(yīng)在10 μm左右,H在3 μm左右。

同時為了進一步增大聚光效果,底面設(shè)計成方形,最終微透鏡應(yīng)為側(cè)壁弧形的類金字塔結(jié)構(gòu),如圖5所示。

圖5 微透鏡設(shè)計結(jié)構(gòu)(寬度8 μm,高度3 μm)

3 微透鏡制備流程:

微透鏡的制備主要分為兩步:首先,通過在減薄后的碲鋅鎘表面光刻和加熱獲得側(cè)壁弧形金字塔結(jié)構(gòu)的10 μm間距光刻膠三維形狀。如圖6所示,可以看到由于厚度連續(xù)變化,在光刻膠表面產(chǎn)生了牛頓環(huán)干涉現(xiàn)象。之后,通過ICP刻蝕工藝,將光刻膠圖形轉(zhuǎn)移到碲鋅鎘襯底上,如圖7所示。

圖6 光刻膠熱熔后的表面形貌

相比30 μm、50 μm的微透鏡[10],10 μm小間距微透鏡的對準精度要求要高很多,主要包括互連和光刻的對準,結(jié)合已有經(jīng)驗,并開展反復(fù)實驗,最終成功制備了符合要求的微透鏡陣列,如圖7所示。

4 測試結(jié)果

為了驗證微透鏡的信號增強效果,在中波640×512-10 μm像元間距器件的背面制備了微透鏡對比陣列,左側(cè)只做襯底減薄,右側(cè)減薄后制備微透鏡陣列。測試時,芯片采用液氮制冷,保證探測器在77 K溫度下工作,根據(jù)GB/T 17444-2013中的測試方法,面對20 ℃和35 ℃分別記錄輸出電平值,并做差獲得信號值,根據(jù)GB/T 17444-2013中的計算方法,可獲得每一側(cè)的噪聲等效溫差(NETD)。從信號灰度圖(圖8)上可以看出,兩側(cè)的信號對比非常明顯,右側(cè)微透鏡區(qū)域信號明顯高于左側(cè),兩側(cè)的數(shù)據(jù)對比見表1。

圖7 共聚焦顯微鏡測試10 μm間距微透鏡(高度2.93 μm)

圖8 10 μm中心距原位集成微透鏡陣列芯片的黑體測試信號灰度圖

表1 信號、噪聲及NETD對比數(shù)據(jù)

5 分析與總結(jié)

微透鏡通過匯聚作用使得入射到單個像元的紅外光子數(shù)增多,帶來信號和噪聲的同時增大,但是由于信號噪聲正比于入射光子數(shù)的1/2次方,而信號正比于光子數(shù),所以入射光子數(shù)的的增多將使得信噪比(SNR)提高,進而使得噪聲等效溫差(NETD)降低,如表1所示。

原始注入?yún)^(qū)尺寸約為7 μm,微透鏡底面尺寸約為8 μm,占空比提升約為31 %,表1中信號提升約為32 %,與占空比提升基本相同,微透鏡匯聚效果明顯,與理論值基本一致。

本文介紹了基于熱熔法制備的原位集成微透鏡工藝的原理、工藝流程,并在中波640×512器件上成功制備了10 μm小間距微透鏡對比陣列,可在不改變原有封裝結(jié)構(gòu)的前提下,有效實現(xiàn)了信號增大、NETD降低。對于高靈敏度紅外探測、超大規(guī)模紅外器件、紅外器件小型化等發(fā)展方向具有重要意義。