CN113465736B - 片上集成红外探测器 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种片上集成红外探测器，该片上集成红外探测器包括电磁超表面结构以及红外探测芯片，其中，电磁超表面结构用于接收红外入射光，获取红外入射光中至少一个预定波段的光强信号并发出；红外探测芯片位于电磁超表面结构的表面上，红外探测芯片用于接收光强信号，并将光强信号转换为电流信号并输出。本申请的片上集成红外探测器中，通过电磁超表面结构可以区分不同波长的光，具备了光谱识别能力，同时将电磁超表面结构与红外探测芯片集成在片上，保证了红外探测器的体积较小，重量较轻，便于集成化的应用，较好地解决了现有技术中的红外探测器体积较大的问题。
Description
技术领域
本申请涉及红外探测领域，具体而言，涉及一种片上集成红外探测器。
背景技术
现有技术中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的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，传统的红外光谱探测器中，需要先将探测光通过光栅或者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。这样的红外光谱探测器体积、重量、功耗大，不能满足小型化平台的集成应用需求。
因此，如何得到体积较小的红外探测器，是现有技术中亟需解决的问题。
在背景技术部分中公开的以上信息只是用来加强对本文所描述技术的背景技术的理解，因此，背景技术中可能包含某些信息，这些信息对于本领域技术人员来说并未形成在本国已知的现有技术。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种片上集成红外探测器，以解决现有技术中的红外探测器的体积较大的问题。
为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种片上集成红外探测器，包括电磁超表面结构以及红外探测芯片，其中，所述电磁超表面结构用于接收红外入射光，获取所述红外入射光中至少一个预定波段的光强信号并发出；所述红外探测芯片位于所述电磁超表面结构的表面上，所述红外探测芯片用于接收所述光强信号，并将所述光强信号转换为电流信号并输出。
可选地，所述电磁超表面结构包括第一介质层、第二介质层以及多个金属谐振子，其中，所述第一介质层具有第一折射率，所述第一介质层与所述红外探测芯片的衬底接触设置；所述第二介质层具有第二折射率，所述第二介质层位于所述第一介质层的远离所述衬底的表面上，所述第一折射率小于所述第二折射率；各所述金属谐振子周期性地设置在所述第二介质层的远离所述第一介质层的表面上。
可选地，所述第一介质层的厚度为所述预定波段的中心波长的四分之一，所述第二折射率介质层的厚度为所述预定波段的中心波长的二分之一。
可选地，所述第一介质层的材料包括二氧化硅，所述第二介质层的材料包括硅。
可选地，所述片上集成红外探测器还包括处理电路，所述处理电路与所述红外探测芯片电连接，所述处理电路用于接收所述电流信号，并对所述电流信号进行预定处理，得到光谱图。
可选地，所述片上集成红外探测器还包括金属接线柱，所述红外探测芯片以及所述处理电路通过所述金属接线柱连接。
可选地，所述处理电路包括电流-电压变换器、放大器以及信号处理器，其中，所述电流-电压变换器通过所述金属接线柱与所述红外探测芯片电连接，所述电流-电压变换器用于将所述电流信号转换为电压信号；所述放大器与所述电流-电压变换器电连接，所述放大器用于对所述电压信号进行放大；所述信号处理器用于对放大后的所述电压信号进行处理，得到所述光谱图。
可选地，所述金属接线柱为铟柱。
可选地，所述片上集成红外探测器采用异质集成方法得到。
可选地，所述红外探测芯片包括红外碲镉汞探测器芯片。
应用本申请的技术方案，所述的片上集成红外探测器，包括电磁超表面结构以及位于所述电磁超表面结构上的红外探测芯片，所述电磁超表面接收红外入射光，从所述红外入射光中筛选出至少一个预定波段的光强信号并发出，所述红外探测芯片接收所述光强信号，将所述光强信号转换为电流信号并输出。相比现有技术中的多光谱探测技术中采用传统分立式分光***进行分光后再进行探测，体积以及重量都较大的问题，本申请的所述片上集成红外探测器中，通过所述电磁超表面结构可以区分不同波长的光，具备了光谱识别能力，同时将所述电磁超表面结构与所述红外探测芯片集成在片上，保证了所述红外探测器的体积较小，重量较轻，便于集成化的应用，较好地解决了现有技术中的红外探测器体积较大的问题。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本申请的实施例的片上集成红外探测器的结构示意图；
图2示出了根据本申请的实施例的片上集成红外探测器的侧视图；
图3示出了根据本申请的实施例的电磁超表面结构的侧视图；
图4示出了根据本申请的实施例的电磁超表面结构的俯视图；
图5示出了根据本申请的实施例的片上集成红外探测器中通光谱带随金属谐振子的周期变化示意图；
图6示出了根据本申请的实施例的片上集成红外探测器中通光谱带随金属谐振子的占空比变化示意图；
图7示出了根据本申请的实施例的片上集成红外探测器中通光谱带随第二介质层的厚度变化示意图；
图8示出了根据本申请的实施例的片上集成红外探测器中通光谱带随第一介质层的厚度变化示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
100、电磁超表面结构；101、第一介质层；102、第二介质层；103、金属谐振子；200、红外探测芯片；201、衬底；202、PN结区域；300、处理电路；301、输入输出引脚；400、金属接线柱；500、红外入射光。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
应该理解的是，当元件(诸如层、膜、区域、或衬底)描述为在另一元件“上”时，该元件可直接在该另一元件上，或者也可存在中间元件。而且，在说明书以及权利要求书中，当描述有元件“连接”至另一元件时，该元件可“直接连接”至该另一元件，或者通过第三元件“连接”至该另一元件。
正如背景技术所介绍的，现有技术中的红外探测器的体积较大，为了解决如上问题，本申请提出了一种片上集成红外探测器。
根据本申请的一种典型的实施例，如图1和图2所示，提供了一种片上集成红外探测器，包括电磁超表面结构100以及红外探测芯片200，其中，上述电磁超表面结构100用于接收红外入射光500，获取上述红外入射光中至少一个预定波段的光强信号并发出；上述红外探测芯片200位于上述电磁超表面结构100的表面上，上述红外探测芯片200用于接收上述光强信号，并将上述光强信号转换为电流信号并输出。
上述的片上集成红外探测器，包括电磁超表面结构以及位于上述电磁超表面结构上的红外探测芯片，上述电磁超表面接收红外入射光，从上述红外入射光中筛选出至少一个预定波段的光强信号并发出，上述红外探测芯片接收上述光强信号，将上述光强信号转换为电流信号并输出。相比现有技术中的多光谱探测技术中采用传统分立式分光***进行分光后再进行探测，体积以及重量都较大的问题，本申请的上述片上集成红外探测器中，通过上述电磁超表面结构可以区分不同波长的光，具备了光谱识别能力，同时将上述电磁超表面结构与上述红外探测芯片集成在片上，保证了上述红外探测器的体积较小，重量较轻，便于集成化的应用，较好地解决了现有技术中的红外探测器体积较大的问题。
在实际的应用过程中，上述片上集成红外探测器采用异质集成方法得到。即采用异质集成的方式实现上述电磁超表面结构与上述红外探测芯片的片上集成，得到上述片上集成红外探测器。这样在进一步地保证上述片上集成红外探测器的集成度较高的同时，保证了上述片上集成红外探测器的稳定性能较好。
本申请的一种具体的实施例中，如图3和图4所示，上述电磁超表面结构100包括第一介质层101、第二介质层102以及多个金属谐振子103，其中，上述第一介质层101具有第一折射率，上述第一介质层101与上述红外探测芯片200的衬底201接触设置；上述第二介质层102具有第二折射率，上述第二介质层102位于上述第一介质层101的远离上述衬底201的表面上，上述第一折射率小于上述第二折射率；各上述金属谐振子103周期性地设置在上述第二介质层102的远离上述第一介质层101的表面上，上述金属谐振子用于接收上述红外入射光。即上述红外探测芯片采用背照式工作，上述电磁超表面结构基于上述红外探测芯片的衬底进行加工制作。
在实际的应用过程中，可根据探测器实际工作波段的要求来选择上述金属谐振子的材料，本领域技术人员可以选择现有技术中任意可行的金属作为其组成材料，如金、铜以及银等，根据本申请的一种具体的实施例，上述金属谐振子的材料包括金。
具体的一种实施例中，上述金属谐振子的形状为方形结构，如图4所示。并且，上述金属谐振子的材料为金，以实现中波红外(3-5μm)波段的光谱滤光。
根据本申请另一种具体的实施例，上述第一介质层的厚度为上述预定波段的中心波长的四分之一，上述第二折射率介质层的厚度为上述预定波段的中心波长的二分之一。这样，通过设计不同厚度的上述第一介质层以及不同厚度的上述第二介质层，上述片上集成红外探测器可以实现对不同波段的光谱的识别，这样保证了上述片上集成红外探测器的灵活性较强。
在实际的应用过程中，对于上述第一介质层和上述第二介质层的材料，本领域技术人员可根据探测器实际工作波段的要求来进行灵活选择。本申请的一种具体的实施例中，上述第一介质层的材料包括二氧化硅，上述第二介质层的材料包括硅。
本申请的更为具体的一种实施例中，上述第一介质层的材料为二氧化硅，上述第二介质层的材料为硅。
在红外波段，表面等离子体激元可以有效地在金属-介质的交界面被激发，通过设计金属结构的形状和尺寸，局域化的表面等离子激元会产生特定的频率响应，通过在上述红外探测芯片的衬底上周期性排布多个金属谐振子就可以构成超表面，实现对红外入射光的频谱调控。在中波红外波段，单层金属谐振子构成的超表面可以实现带阻滤波功能，若要实现带通滤波功能，即筛选出预定波段的光，需要形成金属谐振子与上述第一介质层以及上述第二介质层耦合的上述电磁超表面结构。上述第一介质层以及上述第二介质层可以选择性地透过谐振波长附近的电磁波，透射电磁波的频谱又可以由上述第二介质层上的上述金属谐振子进行调制，从而实现带通滤波的功能。
需要说明的是，通过改变上述金属谐振子、上述第一介质层以及上述第二介质层的结构参数，可以将上述电磁超表面结构设计为与上述红外探测芯片的像素对应的结构，也可以将上述电磁超表面结构设计为一个通光谱带对应多个像素的分区域探测结构。
本申请的另一种具体的实施例中，上述第一介质层为二氧化硅层，上述第二介质层为硅层，上述金属谐振子的材料为金，固定上述金属谐振子的厚度为60nm，上述第二介质层和上述第一介质层的厚度分别为600nm和400nm，得到如图5示出的通光谱带随上述金属谐振子的周期变化情况图和以及如图6示出的通光谱带随上述金属谐振子占空比变化情况图。固定上述金属谐振子的占空比为0.75时，控制上述金属谐振子的周期从1.2μm到2.2μm变化，由图5可以看到上述电磁超表面结构均可以实现带通滤波功能，透过峰位置从3μm移动到5μm，同时透过带宽略微扩大，峰值透过率超过80％。固定上述金属谐振子的周期为1.8μm，控制上述金属谐振子的占空比从0.6增加到0.9，由图6可以看到透射光谱发生红移，峰值透过率从90％下降到60％，透过带宽变小同时带外透射减小，频率选择性能提高。由上述仿真结果可得，周期性的上述金属谐振子的工作波段主要由其周期决定，上述金属谐振子的占空比则决定了透射谱的谱线形状。
上述第一介质层以及上述第二介质层的结构参数也会影响上述电磁超表面结构的光谱滤光特性，参见图7示出的通光谱带随上述第二介质层的厚度变化情况图和图8示出的通光谱带随上述第一介质层的厚度变化情况图。固定金属谐振子的周期为1.8μm，占空比为0.75，分析上述第一介质层和上述第二介质层的厚度对透射谱的影响。固定上述第一介质层的厚度为400nm，使得上述第二介质层的厚度从400nm增加至800nm，由图7可得，上述第二介质层的厚度改变过程中，透射谱发生红移，透射带宽基本保持不变。固定上述第二介质层的厚度为600nm，使得上述第一介质层的厚度从200nm增加至600nm，由图8可得，上述第一介质层的厚度变化过程中，透射谱的位置和形状几乎不变，峰值透射率在70％到90％之间变动。
因此，由上述内容可得，上述电磁超表面结构可以实现带通滤波的功能，其中心波长由上述金属谐振子的占空比大小、周期和上述第二介质层的厚度共同决定，而上述第一介质层的厚度可以改变上述电磁超表面结构的峰值透过率。这样，本领域技术人员可通过改变上述金属谐振子的周期和占空比，以及上述第一介质层和上述第二介质层的厚度来灵活改变通光光谱谱带中心波长及透过率，这样进一步地保证了上述片上集成红外探测器的灵活性高，便于扩展应用。
根据本申请的又一种具体的实施例，如图1和图2所示，上述片上集成红外探测器还包括处理电路300，上述处理电路300与上述红外探测芯片200电连接，上述处理电路300用于接收上述电流信号，并对上述电流信号进行预定处理，得到光谱图。
根据本申请的再一种具体的实施例，如图1和图2所示，上述片上集成红外探测器还包括金属接线柱400，上述红外探测芯片200以及上述处理电路300通过上述金属接线柱400连接。
具体地，本申请的上述片上集成红外探测器，通过上述金属接线柱，采用倒装焊的加工方式，将上述红外探测芯片与上述处理电路互连。
本申请的另一种具体的实施例中，上述处理电路包括电流-电压变换器、放大器以及信号处理器，其中，上述电流-电压变换器通过上述金属接线柱与上述红外探测芯片电连接，上述电流-电压变换器用于将上述电流信号转换为电压信号；上述放大器与上述电流-电压变换器电连接，上述放大器用于对上述电压信号进行放大；上述信号处理器用于对放大后的上述电压信号进行处理，得到上述光谱图。
在实际的应用过程中，如图1所示，上述处理电路还包括输入输出引脚301，通过上述输入输出引脚301实现与外部设备的信号传输。
根据本申请的另一种具体的实施例，上述金属接线柱为铟柱。当然，上述金属接线柱并不限于上述的铟柱，本领域技术人员还可以根据实际情况灵活选择上述金属接线柱的材料。
在实际的应用过程中，可以选择现有技术中任意类型的红外探测芯片，作为上述红外探测芯片，本申请的一种具体的实施例中，上述红外探测芯片包括红外碲镉汞探测器芯片。本申请的更为具体的一种实施例中，上述红外探测芯片为中波红外碲镉汞探测器芯片，上述中波红外碲镉汞探测器芯片的衬底为碲锌镉。
本申请上述的片上集成红外探测器，可采用成熟的硅光工艺进行加工，在确保工艺稳定性的同时可实现低成本的加工制作。
一种示例性的实施例中，如图2所示，上述红外探测芯片200包括多个PN结区域202，多个上述PN结区域202靠近上述金属接线柱400，宽谱带的红外入射光热射至上述片上集成红外探测器后，首先经上述电磁超表面结构100被分为几个不同波段的光强信号；不同波段的上述光强信号到达上述红外探测芯片200，被上述红外探测芯片200的对应区域的PN结区域202吸收，从而转换为对应的电流信号；上述电流信号通过上述金属接线柱400传输至上述处理电路300，经电流-电压转换、放大以及信号处理器的处理，得到包括多波段图像信息的光谱图。上述电磁超表面结构可采用硅光加工容易制作，和上述红外探测芯片进行片上异质集成，实现片上集成式的红外探测器，本领域技术人员可根据需求实现像素级及分区域的多光谱探测，具有超小体积重量、低成本、快速机动等优点。
从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：
本申请上述的片上集成红外探测器，包括电磁超表面结构以及位于上述电磁超表面结构上的红外探测芯片，上述电磁超表面接收红外入射光，从上述红外入射光中筛选出至少一个预定波段的光强信号并发出，上述红外探测芯片接收上述光强信号，将上述光强信号转换为电流信号并输出。相比现有技术中的多光谱探测技术中采用传统分立式分光***进行分光后再进行探测，体积以及重量都较大的问题，本申请的上述片上集成红外探测器中，通过上述电磁超表面结构可以区分不同波长的光，具备了光谱识别能力，同时将上述电磁超表面结构与上述红外探测芯片集成在片上，保证了上述红外探测器的体积较小，重量较轻，便于集成化的应用，较好地解决了现有技术中的红外探测器体积较大的问题。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种片上集成红外探测器，其特征在于，包括：
电磁超表面结构，用于接收红外入射光，获取所述红外入射光中至少一个预定波段的光强信号并发出；
红外探测芯片，位于所述电磁超表面结构的表面上，所述红外探测芯片用于接收所述光强信号，并将所述光强信号转换为电流信号并输出，
所述电磁超表面结构包括：
第一介质层，具有第一折射率，所述第一介质层与所述红外探测芯片的衬底接触设置；
第二介质层，具有第二折射率，所述第二介质层位于所述第一介质层的远离所述衬底的表面上，所述第一折射率小于所述第二折射率；
多个金属谐振子，各所述金属谐振子周期性地设置在所述第二介质层的远离所述第一介质层的表面上，
所述第一介质层的厚度为所述预定波段的中心波长的四分之一，所述第二折射率介质层的厚度为所述预定波段的中心波长的二分之一。
2.根据权利要求1所述的片上集成红外探测器，其特征在于，所述第一介质层的材料包括二氧化硅，所述第二介质层的材料包括硅。
3.根据权利要求1所述的片上集成红外探测器，其特征在于，所述片上集成红外探测器还包括：
处理电路，与所述红外探测芯片电连接，所述处理电路用于接收所述电流信号，并对所述电流信号进行预定处理，得到光谱图。
4.根据权利要求3所述的片上集成红外探测器，其特征在于，所述片上集成红外探测器还包括：
金属接线柱，所述红外探测芯片以及所述处理电路通过所述金属接线柱连接。
5.根据权利要求4所述的片上集成红外探测器，其特征在于，所述处理电路包括：
电流-电压变换器，通过所述金属接线柱与所述红外探测芯片电连接，所述电流-电压变换器用于将所述电流信号转换为电压信号；
放大器，与所述电流-电压变换器电连接，所述放大器用于对所述电压信号进行放大；
信号处理器，与所述放大器电连接，所述信号处理器用于对放大后的所述电压信号进行处理，得到所述光谱图。
6.根据权利要求4所述的片上集成红外探测器，其特征在于，所述金属接线柱为铟柱。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的片上集成红外探测器，其特征在于，所述片上集成红外探测器采用异质集成方法得到。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的片上集成红外探测器，其特征在于，所述红外探测芯片包括红外碲镉汞探测器芯片。
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