CN104568756A

CN104568756A - 中波红外光谱可识别探测器

Info

Publication number: CN104568756A
Application number: CN201510028916.2A
Authority: CN
Inventors: 王少伟; 梁礼晔; 陈建新; 白治中; 陆卫; 陈效双; 陈飞良; 刘星星; 冀若楠
Original assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Priority date: 2015-01-21
Filing date: 2015-01-21
Publication date: 2015-04-29

Abstract

本发明公开了一种中波红外光谱可识别探测器，由具备空间和光谱分光能力的中波红外窄带滤光片阵列与相应的中波红外探测器单片集成的分光与探测一体化探测器，被探测光通过不同波长窄带滤光片单元进入探测器相应像元，就可以实现不同探测器像元只对不同波长光响应的功能，同时获取波段内不同波长的光响应信号。它结构简单，能同时实现各个通道的信号探测，无需进行光谱扫描，大幅节省了探测时间；避免了由于独立滤光片的衬底厚度以及使用粘合剂粘合探测器与分光器件导致探测器与分光器件间接接触引起的信号串扰；探测器像元与滤光片阵列采用光刻套刻技术对准，对准精度提高，解决了传统分光与探测分立的配准难题。

Description

中波红外光谱可识别探测器

技术领域

本发明涉及中波红外探测器，具体指一种分光与探测一体化、具有光谱识别能力的中波红外波段探测器。

背景技术

中波红外是三个主要的红外“大气窗口”之一，很多与我们生活紧密相关的重要气体在中波红外大气窗口都有明显的特征吸收峰，通过分析检测这些特征吸收峰，人们可以确定某种气体的含量变化，以二氧化碳和甲烷为例：二氧化碳是大气中除水蒸气外浓度最高的一种温室气体，它的红外吸收带正好处于地气***长波辐射最强的波段，其浓度的增加将显著地减小地面向空间反射红外辐射能量,从而影响地气***的辐射平衡,造成全球气候的变化。因此，为了了解全球气候变化，常常需要实时监测二氧化碳浓度的变化；而甲烷是当今社会中广泛应用的一种气体，是瓦斯的主要成分，人们在利用它获取方便的同时，也被它的危险性所困扰。甲烷易燃易爆，它的***下限为5％,上限为15％。同时它也是一种温室气体，其红外吸收能力是二氧化碳的15～30倍，因此由于工业安全检测和环境的需要，在矿井等甲烷富集的地方人们通常需要对甲烷含量进行实时快速的监测。

除此之外，中波红外在航天、气象、遥感、安全监测等领域也有着广泛而重要的应用，在空间探测和高速武器平台中也越来越多地采用中波红外光谱仪器。而由于上述空间、野外、水下、现场应用环境复杂，对体积、重量、抗振性能和可靠性等方面都有特殊要求和严格的限制，实验室传统的大型精密光谱仪器无法满足上述特殊要求。

为了适应这些特殊环境的应用，必须实现光谱仪器的微小型化、便携化，提高光谱仪器的稳定性和可靠性，为此人们一直在寻找有效的解决途径。

现有的探测器阵列都是对特定光谱波段进行探测的，探测器本身对所响应波段内所有波长的光都有响应，没有光谱识别能力，无法区分不同波长的光。因此，在传统的中波红外光谱仪中，通常需要先将探测光通过光栅或棱镜进行分光后使不同波长的单色光到达探测器的不同像元上，经过定标来确定哪个像元对应哪个波长，从而形成光谱信号。虽然通过探测器与光栅和棱镜等分光方式结合的方法可以识别光谱，且能进行全谱扫描，分辨率高，但这两种光谱识别方式是通过光栅或棱镜的色散分光，分辨率越高，要求的总光程就越长，因此不可避免地需要增大光谱仪的体积；而且都涉及机械传动装置，不仅限制了信息读出的速度，还大大降低了仪器的抗振性能和可靠性。而中波红外波段更常见的是傅立叶变换光谱仪，它通过迈克尔逊干涉仪的动镜扫描，然后通过傅立叶变换来获取光谱信息，动镜扫描是非常精密的移动机械装置，光谱分辨率越高就要求动镜的移动扫描距离越长，因此需要相当大的体积，而且抗震性能差，只适合于实验室等固定场合的大型精密仪器使用。

二十世纪八十年代发展起来的微型滤光片阵列技术给解决这个问题带来新的思路，如果将微型滤光片阵列与探测器阵列结合起来，则可以构成自带光谱识别能力的探测器，这将大大地简化光谱仪器的分光***，提高仪器的可靠性、稳定性和光学效率，同时极大地减小仪器的体积。传统的微型滤光片阵列是将加工好的不同波段滤光片，通过拼接粘合的方式粘到探测器的光敏面一侧，以代替光栅或棱镜进行分光，进而达到减小体积、提高稳定性的效果。这些方法在减小体积和提高可靠性等方面效果显著，但仍然存在着一些不足：

1、由于滤光片与探测器通过粘合剂粘合，滤光片与探测器相隔一定距离，若光以一定角度穿过滤光片照射到探测器上时会出现一定的串扰，影响对信号分析的准确度；

2、所用粘合剂粘合的方式虽然稳定性不错，但是在复杂的空间环境下存在变质脱落的隐患，可能使探测器失效，降低光谱可识别探测器的寿命；

3、粘合所用的对准方式为光学显微镜对准，滤光片阵列与探测器像素之间的对准精度不够高，难以完全对准，因此会牺牲掉部分像元。

集成滤光片是我们所提出比滤光片阵列更进一步的分光方式，它是将各个不同窄带透过通道的滤光片单片集成起来的一种新型分光方式，消除了滤光片阵列不同单元拼接的困难与无法进一步集成的问题，如果能将集成滤光片通过半导体工艺直接做到探测器上，就能解决滤光片阵列与探测器像素之间对准精度不够高的不足，消除光谱串扰，形成体积最小、重量最轻、可靠性最高的光谱可识别探测器。

发明内容

为了克服传统光栅/棱镜光谱仪体积大、可靠性不高，拼接滤光片/集成滤光片与探测器构成光谱探测组件的串扰与对准等不足，本发明提出了一种分光与探测一体化、本身就具备光谱识别能力的中波红外探测器。

如图1所示，中波红外光谱可识别探测器由中波红外探测器1、衬底2与窄带滤光片阵列3单片集成，同时具备分光与探测功能，使用时被探测光经过滤光片阵列后到达探测器光敏面时，不同通道滤光片对应的像元就只能对相应通道波长的光有响应和探测，因此本身具备了光谱识别能力，可直接作为微型光谱仪使用，无需额外的光栅或棱镜等分光器件，也消除了拼接滤光片/集成滤光片与探测器构成光谱探测组件的不足。中波红外光谱可识别探测器结构包括衬底减薄的面阵中波红外波段探测器1，以及直接生长在探测器衬底2上与探测器像元精确对准的不同光谱通道的窄带滤光片阵列3。

本发明所述的中波红外波段探测器1，可以碲镉汞、量子阱或者Ⅱ类超晶格，采用背照式或正入射式工作方式的红外探测器阵列。本发明中将以InAs/GaSb II类超晶格背照式探测器作为例予以说明，但不限于InAs/GaSb II类超晶格背照式探测器。

本发明所述的窄带滤光片阵列3是基于F-P干涉原理，上下为介质高反膜系，中间是不同厚度的谐振腔阵列302，在探测器上与之结合的是下反射膜系301，在下反射膜系上面通过组合刻蚀或组合镀膜的光学薄膜工艺和半导体工艺来获取不同的谐振腔厚度，在不同厚度的谐振腔阵列302上面是滤光片的上反射膜系303，每个厚度的谐振腔与上下高反膜系构成了一个带通峰位不同的微型窄带滤光片，并且滤光片单元与探测器上一定数量的像元对应，也可以一一对应，每个滤光片单元所对应的探测器像元就只能接收到透过该滤光片带通的光，因此，与不同滤光片单元对应的探测器像元就只能响应不同波长的光，从而形成了光谱可识别探测器，可以同时获取不同波长的光响应信号。

与现有技术相比，本发明所具有的优点在于：

结构最简单、最牢靠。由于分光器件与探测器单片集成，使探测器本身具备了光谱识别能力，无需额外的分光***，可大幅简化光谱仪器的结构和减小体积与重量；同时，由于不需要将分光器件与探测器粘合，极大地提高了光谱仪器的稳定性和可靠性，尤其适合于空间、野外和现场检测等微小型光谱仪器中的应用；

能同时实现各个通道的光谱信号探测，无需进行光谱扫描，大幅节省了探测时间；

由于分光器件直接生长在探测器光敏面上，避免了由于集成滤光片贴在探测器窗口上时滤光片与探测器光敏面之间仍然存在一定距离时造成不同光谱通道间的串扰；

探测器像元与滤光片阵列采用光刻套刻技术，分光与探测之间的像元可完全匹配，解决了传统分光与探测分立的配准难题。

附图说明

图1所示为本发明32通道中波红外波段光谱可识别探测器的结构示意图，图(a)为中波红外光谱探测器截面图，图(b)为中波红外光谱探测器俯视图。

图2所示为InAs/GaSb II类超晶格探测器结构示意图。

图3所示为组合刻蚀或组合镀膜法所用的掩膜板示意图。

图4所示为中波红外波段针对二氧化碳4～4.6μm吸收带的32通道的光谱探测器各通道透射谱。

图5所示为中波红外波段针对甲烷气体在3.31μm吸收带的32通道光谱探测器各通道透射谱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明，如图1所示，本发明的结构为GaSb衬底1，生长于衬底1上的InAs/GaSb II类超晶格中波红外探测器2，在衬底背面通过组合刻蚀技术生长在中波红外探测器上的窄带滤光片阵列3。

其中中波红外探测器的选择不限于InAs/GaSb II类超晶格探测器，可以是响应范围处于中波红外波段的任意材料、任意结构的探测器。

所选滤光片结构为(LH)^s(xL)(HL)^s或(HL)^s(xH)(LH)^s，s是高、低折射率材料构成的反射板对数，上下高反膜系形成镜面对称，在保证小的材料光吸收损失的前提下高反射膜系数越多透射峰带宽越窄，光谱分辨率越高，S>1。L、H分别表示低、高折射率材料的光学厚度λ₀/(4n_L)、λ₀/(4n_H)，xL代表谐振腔的光学厚度为x倍λ₀/(4n_L)或λ₀/(4n_H)，通过组合刻蚀或组合镀膜将使得x值出现一系列阶梯式的变化，也即谐振腔厚度出现一系列阶梯变化，不同厚度谐振腔将与上下膜系形成一系列不同透射峰的微型窄带滤光片阵列。通过选择合适的中心波长λ₀，可以让滤光片阵列的透射波段处于中波红外内的任意一个波段。下面以针对CO₂特征吸收带和CH₄的3.31μm特征吸收带用组合刻蚀法制作提出2种中波红外光谱可识别探测器。

实施例一(针对CO₂特征吸收带的光谱可识别探测器)：

4.27μm是二氧化碳的一个主要特征峰，也处于中波红外波段(3～5um)大气窗口内，因此本实施例围绕CO₂在4.27μm特征吸收峰设计32通道的CO₂特征光谱可识别探测器。为了将CO₂特征吸收波段全部覆盖，本实施例将滤光片阵列各通道分布于4～4.6μm波段。滤光片膜系结构为(LH)⁵(xL)(HL)⁵，其中下层膜系为(LH)⁵，xL是滤光片阵列中谐振腔台阶的光学厚度，其取值决定了透射峰的位置，本实施例中所选取的分光光谱波段为4～4.6μm，对应的x值为1.87～2.17；上层结构为(HL)⁵，与下层膜系(LH)⁵呈镜面对称。H为厚度为262.3nm的锗膜层(n＝4.08)，L为厚度为578.4nm的一氧化硅膜层(n＝1.85)，λ₀为初始中心波长此处选取λ₀为4.27μm。

(1)InAs/GaSb II类超晶格背照式探测器(图2)的制作：

探测器采用背入射式的p-i-n结构

首先，采用固态源分子束外延技术生长InAs/GaSb II类超晶格材料。即在GaSb衬底上通过分子束外延，依次生长缓冲层、P型超晶格、i型超晶格、N型超晶格、N型接触层和欧姆接触层。

然后采用湿法腐蚀形成台面，溅射生长SiO₂作为钝化层，电感耦合等离子体刻蚀形成电极孔，电子束蒸发TiPtAu合金制备接触电极，电子束蒸发TiAu作为反射层，再在上面生长铟柱，至此完成前道工序。所得探测器的单一光敏元和公共电极结构如图2所示。得到的器件经后道工序，包括背面机械减薄、切割与CTIAⅣ型电路倒焊互连，最终形成InAs/GaSb II类超晶格中波红外探测器。

(2)在探测器上制作滤光片阵列，使其具备分光功能：

在已经减薄好的探测器背面，通过双面套刻来制作背面对准标记，使得在背面镀制集成滤光片时可与正面的探测器像元精确对准；然后，通过真空镀膜的方法镀制下反射膜系(LH)⁵和谐振腔xL，H为厚度为262.3nm的锗膜层(n＝4.08)，L为厚度为578.4nm的一氧化硅膜层(n＝1.85)，不同厚度谐振腔xL可以通过组合刻蚀法制作：先在探测器背面上镀2.17L(1253nm)的一氧化硅薄膜，然后打开腔体，取出探测器，通过5次套刻(如图3)，刻蚀厚度依次为：23.6nm,29nm,34.4nm,39.8nm,45.2nm，如此就可以获得总厚度在1081nm(1.87L)～1253nm(2.17L)的8×4谐振腔面阵，而且每个台阶厚度约为5.4nm。然后在此基础上进行上层膜系(HL)⁵的镀制，此时由于各处镀膜的沉积速率一样，所以尽管谐振腔厚度不同，上层膜系的厚度也完全相同，于是在探测器的背面就形成了只有谐振腔厚度不同，上下高反膜完全一样的集成窄带滤光片阵列，这个滤光片将使得探测器获得波长识别的能力，能够分辩出4～4.6μm中波红外波段内的光谱信息(如图4)。

所形成的光谱可识别探测器能直接作为微型光谱仪用，探测4～4.6μm波段的光谱信息，可作为探测二氧化碳浓度的微型光谱仪。

实施例二(针对CH₄的3.31μm特征吸收带的光谱可识别探测器)：

CH₄分子具有4个固有的振动,相应产生4个吸收峰。它们的波长分别为3.43、6.53、3.31、7.66μm。其中常用于检测甲烷含量的吸收带为3.31μm波段。为了将CH₄特征吸收波段全部覆盖，本实施例将滤光片阵列各通道分布于3.1～3.6μm波段，滤光片膜系结构为(LH)⁵(xL)(HL)⁵，其中xL代表滤光片阵列中不同谐振腔厚度。H为厚度为202.2nm的锗膜层(n＝4.08)，L为厚度为445.9nm的一氧化硅膜层(n＝1.85)，λ₀为初始中心波长选取为3.3μm。透射波段选取波长为3.1～3.6微米。

下面介绍针对CH₄的3.31μm特征吸收带的光谱可识别探测器的制作：

总体步骤与实施例一相同，先制作出InAs/GaSb II类超晶格中波红外探测器；然后在探测器的背面通过真空镀膜镀制下反射膜系(LH)⁵，谐振腔xL和上反射膜系(HL)⁵；

与CO₂光谱可识别探测器一样，首先，通过双面套刻在已经经过衬底减薄的探测器背面做好对准标记，再通过真空镀膜镀制下反射膜系(LH)⁵和谐振腔xL，x取值为1.88～2.17然后在探测器背面镀2.18L(972.2nm)的一氧化硅薄膜，通过双面套刻对准标记对准后进行组合刻蚀(如图5)，5次刻蚀厚度依次为：18.4nm,22.6nm,26.8nm,31nm,35.2nm；通过5次的组合刻蚀获得总厚度在838.4nm～972.2nm的8×4谐振腔面阵。每个台阶厚度约为4.2nm。最后在此基础上镀制上层膜系(HL)⁵，这样就制成了能够分辩出3.1～3.6μm中波红外波段光谱可识别探测器。其光谱通道如图5所示。

Claims

1.一种中波红外波段光谱可识别探测器，包括中波红外探测器(1)，衬底(2)，窄带滤光片阵列(3)，其特征在于：

所述的中波红外波段光谱可识别探测器结构为：在中波红外探测器(1)的减薄后的衬底(2)上集成窄带滤光片阵列(3)；

所述的窄带滤光片阵列(3)结构为：下反射膜系(301)上依次有与之结合牢固的厚度不等的谐振腔阵列(302)和上反射膜系(303)。

2.根据权利要求1所述的一种中波红外波段探测器，其特征在于：所述的中波红外探测器(1)是碲镉汞、量子阱或者Ⅱ类超晶格的采用背照式或正入射式工作方式的红外探测器阵列。

3.根据权利要求1所述的一种中波红外波段探测器，其特征在于：所述的窄带滤光片阵列(3)下反射膜系(301)与上反射膜系(303)为镜面对称，基本结构均为(LH)⁵，其中H为厚度为λ₀/4的高折射率材料薄膜，L为厚度为λ₀/4的低折射率材料薄膜，λ₀为初始中心波长。

4.根据权利要求1所述的一种中波红外波段探测器，其特征在于：所述的窄带滤光片阵列(3)的谐振腔阵列(302)厚度是不等的，谐振腔厚度是一系列阶梯变化，不同厚度谐振腔将与上下膜系共同形成一系列的不同透射峰的微型窄带滤光片阵列。