CN108630667B - 一种红外探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种红外探测器。红外探测器包括基体以及短波红外光敏芯片、中波红外光敏芯片、芯片支架,中波红外光敏芯片设置于基体上,短波红外光敏芯片通过芯片支架设置于中波红外光敏芯片的上方,且短波红外光敏芯片的感光区域与中波红外光敏芯片的感光区域在上下方向上重叠,使用时,待检测光束经过短波红外光敏芯片后待检测光束中的短波红外波段被短波红外光敏芯片吸收并产生短波探测信号,此时待检测光束中的中波红外波段透过短波红外光敏芯片后照射到中波红外光敏芯片上并被吸收,产生中波探测信号,该探测器不需要设置双色滤光片,结构简单,而且待测光束中的短波红外波段被短波红外光敏芯片吸收,避免对中波红外光敏芯片的探测造成影响。

Description

一种红外探测器
技术领域
本发明涉及一种红外探测器。
背景技术
红外探测器时红外技术的核心,它的发展水平直接制约着红外技术的应用。早期的红外探测器存在波长单一、量子效率低、工作温度低等问题,大大限制了红外探测器技术的应用方向。目前,红外探测器一般具有双色探测功能,现有的红外探测器包括短波红外光敏芯片和中波光敏芯片,这两个光敏芯片并列安装在探测器支架上,同时分别在这两个光敏芯片的上方设置双色滤光片,短波红外光敏芯片上方的双色滤光片将待检测光束中的中波红外波段过滤,使待检测光束中只有短波红外波段光束透过双色滤光片被短波红外光敏芯片探测,中波红外光敏芯片上方的双色滤光片将待检测光束中的短波红外波段过滤,使待检测光束中只有中波红外波段光束透过双色滤光片被中波红外光敏芯片探测,这种红外探测器需要设置两个双色滤光片,结构复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单的红外探测器。
为实现上述目的,本发明的红外探测器采用如下技术方案:红外探测器,包括基体以及短波红外光敏芯片、中波红外光敏芯片,还包括芯片支架,所述中波红外光敏芯片设置于基体上,所述短波红外光敏芯片通过芯片支架设置于所述中波红外光敏芯片的上方,且所述短波红外光敏芯片的感光区域与中波红外光敏芯片的感光区域在上下方向上重叠。
所述芯片支架的材质为陶瓷。
所述短波红外光敏芯片的上侧面和/或下侧面上覆盖有红外增透膜。
所述中波红外光敏芯片的上表面上覆盖有红外滤光膜。
还包括通过窗口支架设置于短波红外光敏芯片上方的滤光片。
所述滤光片的材质为石英。
所述窗口支架为圆环形的陶瓷支架,所述短波红外光敏芯片和中波红外光敏芯片均处于所述陶瓷支架的内部。
所述短波红外光敏芯片的感光材质为InAs/GaSb二类超晶格,所述中波红外光敏芯片的感光材质为InAlSb。
所述短波红外光敏芯片和中波红外光敏芯片均为长方形片状结构,各芯片的两个电极设置在芯片的两端或者一端,两个芯片呈十字交叉上下间隔设置。
处于上方的短波红外光敏芯片的两个电极设置于短波红外光敏芯片的两端,处于下方的中波红外光敏芯片的两个电极设置于中波光敏芯片的同一端。
本发明的有益效果是:本发明的红外探测器包括基体以及短波红外光敏芯片、中波红外光敏芯片,还包括芯片支架,中波红外光敏芯片设置于基体上,短波红外光敏芯片通过芯片支架设置于中波红外光敏芯片的上方,且短波红外光敏芯片的感光区域与中波红外光敏芯片的感光区域在上下方向上重叠,使用时,待检测光束经过短波红外光敏芯片后待检测光束中的短波红外波段被短波红外光敏芯片吸收并产生短波探测信号,此时待检测光束中的中波红外波段透过短波红外光敏芯片后照射到中波红外光敏芯片上并被吸收,产生中波探测信号,该探测器不需要设置双色滤光片,结构简单,而且待测光束中的短波红外波段被短波红外光敏芯片吸收,避免对中波红外光敏芯片的探测造成影响。
进一步地,所述芯片支架的材质为陶瓷,具有良好的绝缘性能而且成本较低。
进一步地,所述短波红外光敏芯片的上、下侧面上均覆盖有红外增透膜,利于红外波段透过。
进一步地,所述中波红外光敏芯片的上表面上覆盖有红外滤光膜,进一步净化待测光束中的红外波段。
进一步地,短波红外光敏芯片的上方设置有石英材质的滤光片,石英的红外透过率高。
进一步地,所述短波红外光敏芯片的感光材质为InAs/GaSb,所述中波红外光敏芯片的感光材质为InAlSb,这两种材料的感光性质高,使红外探测器探测效果好。
进一步地,所述短波红外光敏芯片和中波红外光敏芯片均为长方形片状结构,各芯片的两个电极设置在芯片的两端或者一端,两个芯片呈十字交叉上下间隔设置,这样设置便于两个芯片上的电极引出。
附图说明
图1为本发明的红外探测器的实施例的结构示意图;
图2为图1中的短波红外光敏芯片与中波红外光敏芯片的配合示意图;
图3为图2中的中波红外光敏芯片的结构示意图;
图4为图2中的短波红外光敏芯片的结构示意图;
附图中:1、基体;2、芯片支架;3、短波红外光敏芯片;4、红外增透膜;5、窗口支架;6、滤光片;7、中波红外光敏芯片;8、红外滤光膜;31、短波感光区域;32、第一重叠区;33、短波第一电极;34、短波第二电极;71、中波感光区域;72、第二重叠区;73、中波第一电极;74、中波第二电极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
本发明的红外探测器的具体实施例,如图1至图4所示,红外探测器包括基体1以及短波红外光敏芯片3和中波红外光敏芯片7,中波红外光敏芯片7通过低温胶黏贴在基体1上,中波红外光敏芯片7的上表面覆盖有一层红外滤光膜8,对待测光束进行过滤,以使红外波段透过,红外滤光膜8的前截止波长为3.0μm,后截止波长大于5.0μm,红外滤光膜8的主要作用是对照射到中波红外光敏芯片7上的待测光束中的短波红外波段进行过滤,因为短波红外波段不能被短波红外光敏芯片3完全吸收。短波红外光敏芯片3通过芯片支架2设置于中波红外光敏芯片7的上方,中波红外光敏芯片7的上、下侧面上均覆盖有红外增透膜4,,减少反射利于红外波段通过。石英材质的滤光片6通过窗口支架5设置于短波红外光敏芯片3的上方,石英材质的红外透过率高,后截止波长为4.8μm,滤光片6的作用在于对待测光束中的长波红外波段进行过滤,使待检测光束中只有中波红外波段和短波红外波段通过,而且能够起到对两个光敏芯片的保护作用。
短波红外光敏芯片3和中波红外光敏芯片7均为长方形片状结构,这两个芯片十字交叉上下间隔设置,短波红外光敏芯片3上的短波感光区域31为圆形且处于短波红外光敏芯片3的中心位置上,短波第一电极33与短波感光区域31导电连接,为保证两者之间的导电连接的可靠性,两者之间的连接位置处具有圆环形的第一重叠区32,短波第一电极33和短波第二电极34分别处于短波红外光敏芯片3的两端,这样设置便于两个电极的引出并与探测器上的导线连接。中波红外光敏芯片7的短波感光区域31也为圆形且处于中波红外光敏芯片7的中心位置上,中波第一电极73与中波感光区域71导电连接,为保证两者之间的导电连接的可靠性,两者之间的连接位置处具有圆环形的第二重叠区72,中波第一电极73和中波第二电极74设置与中波红外光敏芯片7的同一端,这样设置便于探测器上的导线与这两个电极连接。短波红外光敏芯片3和中波红外光敏芯片7上下间隔设置后各芯片上的感光区域上下重叠,这样使待测光束透过处于上方的短波红外光敏芯片3后能够照射到中波红外光敏芯片7上。而且短波红外光敏芯片3的感光区域的面积大于中波红外光敏芯片7的感光区域的面积,提高探测率。两个芯片之间的高度不大于0.5毫米,这样设置的原因是如果两个芯片高度差距太大,当光线斜入射进来时,有可能上面的芯片接收到光而下面的芯片没有接收到光或者接收的光较少,影响检测结果。
基体的材质为陶瓷,利于器件之间的绝缘,在其他实施例中,基体还可以采用宝石或者其他绝缘材料。芯片支架2为与短波红外光敏芯片3的形状适配的框形结构,其材质也采用陶瓷,利于绝缘,在其他实施中还可以采用宝石或者其他绝缘材料,中波红外光敏芯片7处于芯片支架2的内部,芯片支架2的上端贴合设置在短波红外光敏芯片3下侧面上,芯片支架2的下端贴合设置在基体上。窗口支架5为圆环形的陶瓷支架,陶瓷材质利于绝缘,在其他实施例中,还可以采用宝石或者其他绝缘材料。短波红外光敏芯片3和中波红外光敏芯片7均处于窗口支架的内部,陶瓷支架的高度高于短波红外光敏芯片3的上侧面以将滤光片6支撑在短波红外光敏芯片3和中波红外光敏芯片7的上方。
短波红外光敏芯片的感光材质为InAs/GaSb二类超晶格,InAs/GaSb即为砷化铟/锑化镓,InAs/GaSb二类超晶格人工能带材料,具有较大的禁带宽度调节范围(1μm-30μm),通过调整InAs或GaSb生长周期,可以改变响应波长范围。InAs/GaSb二类超晶格材料具有以下优越性:(1)带隙可调,可以覆盖1μm-30μm的近红外到远红外的几乎所有红外波段,容易制作双色和多色器件;(2)量子效率高,带间跃迁,可以吸收正入射,无需光栅耦合,通过调节应变及其能带结构,使重轻空穴分离大,降低了俄歇复合及有关的暗电流,电子有效质量大,隧穿电流小;(3)响应速度快;(4)由于成熟的III-V族材料生长技术,外延材料具有很高的均匀性,易于制备低成本、大面积、均匀性高的焦平面探测器;(5)在短波红外波段,InAs/GaSb比InAlSb具有更高的探测率,并可以透过中波红外,不影响中波红外探测器接收信号;(6)InAs/GaSb二类超晶格随着生长周期的改变禁带宽度发生改变,理论短波响应波段为1-2.7μm,比InGaAs短波探测波长范围更宽,有效的吸收更多的光子,提高探测效率。中波红外光敏芯片的材质为InAlSb,即锑化铟,制备工艺技术成熟。采用短波红外光敏芯片和中波红外光敏芯片叠层的设置,使该红外探测器能够探测2-3μm和3-5μm波段的红外信号。
本发明的红外探测器中的短波红外光敏芯片和中波红外光敏芯片的制备过程如下:
1、利用分子束外延(MBE)在GaSb衬底上生长响应波长为2-3μm的InAs/GaSb短波红外光敏材料,外延结构选用pin结构,有利于提高量子效率,减小器件的暗电流。
2、利用分子束外延(MBE)在InSb衬底上生长响应波长为3-5μm的中波光敏材料,外延结构选用pin结构。
3、利用较为成熟的Sb基材料红外探测器制备工艺,制备InAs/GaSb和InAlSb单元器件,短波器件的光敏元尺寸为Ф0.26mm,中波区间的光敏元尺寸为Ф0.20mm,用磁控溅射制备一层Ti/Au电极以形成良好的欧姆接触。
4、分别在InAlSb光敏芯片和InAs/GaSb光敏芯片用热蒸发的方法制备前截止滤光膜和红外增透膜。
5、将短波InAs/GaSb光敏芯片进行背减薄,衬底厚度约为10μm,以保证对中波红外有良好的透过率。
6、使用低温胶将InAlSb中波光敏芯片黏贴到陶瓷衬底上,用高度略高于InAlSb光敏芯片的芯片支架将InAs/GaSb短波光敏芯片置于InAlSb中波光敏芯片上方并使两个光敏芯片的感光区域在上下方向上重叠。最后用窗口支架将滤光片置于InAs/GaSb短波光敏芯片之上。
本发明的红外光敏芯片在使用时,待检测光束经过短波红外光敏芯片后待检测光束中的短波红外波段被短波红外光敏芯片吸收并产生短波探测信号,此时待检测光束中的中波红外波段透过短波红外光敏芯片后照射到中波红外光敏芯片上并被吸收,产生中波探测信号,该探测器不需要设置双色滤光片,结构简单,而且待测光束中的短波红外波段被短波红外光敏芯片吸收,避免对中波红外光敏芯片的探测造成影响。
在本发明的其他实施例中,短波红外光敏芯片的感光材质还可以采用InGaAs或者InAlSb等材料;中波红外光敏芯片的感光材质还可以采用InAs/GaSb二类超晶格或者InGaAs等材料;滤光片还可以采用经过精密加工的玻璃,此时需要在玻璃上设置能够对待检测光束中的长波红外波段进行过滤的滤光膜,或者滤光片还可以采用蓝宝石制成;短波红外光敏芯片和中波红外光敏芯片还可上下间隔且长度方向上并列设置;芯片支架还可以为圆环形或者其他形状;窗口支架的还可以为截面为方形的框形结构。

Claims (8)

1.红外探测器,包括基体以及短波红外光敏芯片、中波红外光敏芯片,其特征在于:还包括芯片支架,所述中波红外光敏芯片设置于基体上,所述短波红外光敏芯片通过芯片支架设置于所述中波红外光敏芯片的上方,且所述短波红外光敏芯片的感光区域与中波红外光敏芯片的感光区域在上下方向上重叠;所述短波红外光敏芯片和中波红外光敏芯片均为长方形片状结构,两个芯片呈十字交叉上下间隔设置;处于上方的短波红外光敏芯片的两个电极设置于短波红外光敏芯片的两端,处于下方的中波红外光敏芯片的两个电极设置于中波光敏芯片的同一端;所述短波红外光敏芯片的感光区域的面积大于中波红外光敏芯片的感光区域的面积。
2.根据权利要求1所述的红外探测器,其特征在于:所述芯片支架的材质为陶瓷。
3.根据权利要求1或2所述的红外探测器,其特征在于:所述短波红外光敏芯片的上侧面和/或下侧面上覆盖有红外增透膜。
4.根据权利要求1或2所述的红外探测器,其特征在于:所述中波红外光敏芯片的上表面上覆盖有红外滤光膜。
5.根据权利要求1或2所述的红外探测器,其特征在于:还包括通过窗口支架设置于短波红外光敏芯片上方的滤光片。
6.根据权利要求5所述的红外探测器,其特征在于:所述滤光片的材质为石英。
7.根据权利要求5所述的红外探测器,其特征在于:所述窗口支架为圆环形的陶瓷支架,所述短波红外光敏芯片和中波红外光敏芯片均处于所述陶瓷支架的内部。
8.根据权利要求1或2所述的红外探测器,其特征在于:所述短波红外光敏芯片的感光材质为InAs/GaSb二类超晶格,所述中波红外光敏芯片的感光材质为InAlSb。
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