中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
填充因子是銻化銦紅外探測器性能的一個(gè)重要限制因素。如圖1所示，p型層的表面積與探測器總面積的比值為探測器的填充因子，臺面結構間的距離實(shí)現了陣列p-n結間的光學(xué)和電學(xué)隔離，但限制了探測器的有效填充因子。為了降低功耗和整體成本，紅外探測器向小像元方向發(fā)展，有效填充因子也隨之進(jìn)一步降低。減小臺面的刻蝕深度和間距可以增大探測器的有效填充因子，但會(huì )使像元間的隔離變差，串音增大。臺面型銻化銦紅外焦平面探測器的制作工藝簡(jiǎn)單，量子效率高，但是填充因子較低且會(huì )隨著(zhù)像元尺寸的減小而進(jìn)一步降低。減小臺面腐蝕深度可以提高探測器的填充因子，但會(huì )增大串音。
圖1 臺面型InSb紅外焦平面探測器的結構示意圖
近期，華北光電技術(shù)研究所的科研團隊在《紅外》期刊上發(fā)表了以“銻化銦紅外探測器的微透鏡陣列設計及試驗”為主題的文章。該文章第一作者為譚啟廣，主要從事紅外探測器及其相關(guān)技術(shù)的研究工作。
本文設計了一種復合微透鏡陣列，以提高InSb紅外焦平面探測器的填充因子，減小串音。在減薄后的銻化銦紅外焦平面探測器表面上制作了20×20的微透鏡陣列，并對其電學(xué)性能進(jìn)行了測試。
微透鏡陣列設計
為了獲得高質(zhì)量的微透鏡陣列，并使其與制冷型銻化銦紅外焦平面探測器相適應，采用光刻-腐蝕方法制作微透鏡陣列。由于探測器工作在液氮溫度下，不同材料的微透鏡陣列在制作完成后粘接到探測器表面時(shí)，會(huì )引入熱失配、可靠性等問(wèn)題。因此，選用銻化銦材料作為基底來(lái)制備微透鏡陣列。在探測器減薄時(shí)預留一定厚度的銻化銦，光刻出掩膜圖形后通過(guò)刻蝕將其轉移到銻化銦材料上。微透鏡陣列直接在探測器表面制作完成。光刻工藝的對準精度較高，與探測器匹配的偏差小。濕法腐蝕工藝簡(jiǎn)單，產(chǎn)生的圖形表面粗糙度低，且光刻-腐蝕工藝成熟，圖形的一致性及均勻性較好。為了得到高曲率半徑的微透鏡陣列，需要提高腐蝕的鉆蝕程度，所以采用了相應的表面處理工藝。
為了實(shí)現光的匯聚，我們設計了圖2（a）所示的折射型微透鏡陣列。在銻化銦紅外焦平面探測器臺面間設計了網(wǎng)狀的凹透鏡陣列，以將入射到臺面間的光發(fā)散到臺面中心。這樣便可實(shí)現對光的匯聚作用，提高紅外探測器的幾何填充因子，從而減小光損失。匯聚后的光信號吸收位置更接近探測器的像元軸心，可減小光生載流子橫向擴散到相鄰像元的概率，從而減小串音；而且在網(wǎng)狀凹透鏡陣列中心設計了基底形狀為方形的凸透鏡陣列。相較于圓形基底的凸透鏡，該設計可以更大限度地提高微透鏡陣列的填充率，以收集大角度的入射光，從而提升紅外探測器的幾何填充因子并進(jìn)一步減小串音。
圖2 原理示意圖：（a）基于微透鏡陣列的銻化銦焦平面探測器；（b）小光點(diǎn)測試裝置
圖2（a）所示的復合微透鏡陣列的制作過(guò)程如下：（1）在銻化銦表面光刻掩膜圖案。將其作為氧化預處理的掩蔽膜，保護銻化銦其他區域及讀出電路，并影響氧等離子體的氧化過(guò)程。（2）進(jìn)行氧化預處理。在光刻后的帶有正性光刻膠的銻化銦材料表面用氧等離子體處理，以加劇濕法腐蝕的鉆蝕程度。（3）在去膠清洗后的銻化銦材料表面制作方形的腐蝕掩膜圖案。在減薄后的銻化銦探測器背面光刻時(shí)，通過(guò)讀出電路上的對準標記對準，光刻出與探測器像元一一對應的掩膜圖形。（4）用濕法腐蝕工藝制作出上述凹透鏡陣列與凸透鏡陣列復合的微透鏡陣列。方形光刻膠掩蔽膜限制了凸透鏡的基底形狀，相較于圓形填充率更高；掩蔽膜的尺寸限制了凸透鏡陣列及凹透鏡陣列的尺寸。
在制作過(guò)程中，表面處理工藝及光刻工藝步驟非常關(guān)鍵。表面處理過(guò)程加劇了銻化銦材料濕法腐蝕的鉆蝕程度，設計的復合微透鏡陣列結構得以成形，光刻工藝的對準精度和光刻膠對電路的保護保證了最終微透鏡陣列的良好光學(xué)效果以及探測器混成芯片的正常工作。
串音測試采用小光點(diǎn)串音的測試方法（裝置見(jiàn)圖2（b））。黑體輻射經(jīng)過(guò)光闌及透鏡組匯聚到探測器表面，形成單位像素大小的光斑；測量該像元及相鄰像元的信號，計算得到探測器的串音。圖中1個(gè)紅色像元為測試像元，4個(gè)黃色像元為相鄰像元，相鄰像元的串音為該像元的信號與測試像元信號的比值，測試像元的串音為四個(gè)相鄰像元串音的均值。
微透鏡陣列應用
用上述光刻及濕法腐蝕方法在銻化銦背面制作微透鏡陣列，并用光學(xué)顯微鏡對其形貌進(jìn)行了表征（結果見(jiàn)圖3）。從圖3（a）中可以看出，在100倍放大下，微透鏡大小較一致，且顏色變化情況接近。這表明陣列間的微透鏡尺寸及高度變化的一致性較好，制作的微透鏡陣列具有較好的均勻性。在1000倍放大的光學(xué)顯微鏡圖像中可以看到微透鏡陣列的形貌，包括底面呈正方形、表面近似馬鞍面的凸透鏡及其四邊填充的凹透鏡。兩種透鏡共同構成復合微透鏡陣列。從圖3中也可看出，腐蝕的銻化銦表面較光亮，表明該方法制備的微透鏡陣列的表面粗糙度較低。
圖3 微透鏡陣列顯微鏡圖：（a） 100倍放大；（b） 1000倍放大
為了檢驗微透鏡陣列的實(shí)際應用效果，我們在背面減薄后的銻化銦紅外焦平面探測器的混成芯片表面制作微透鏡陣列，并對器件的響應率和串音進(jìn)行了表征。在試驗過(guò)程中，我們只在部分區域制備了微透鏡陣列，以對比集成微透鏡陣列和未集成微透鏡陣列情況下探測器的性能差異。圖4所示為銻化銦焦平面探測器在集成微透鏡陣列后光響應差異的部分數據。
將混成芯片封裝到測試杜瓦中，進(jìn)行響應率測試（結果見(jiàn)圖4）。像元響應越高，灰度圖的顏色越深。在左側20×20像素區域表面制作了微透鏡陣列。右側20×20像素區域表面無(wú)微透鏡陣列，探測器無(wú)微透陣列區域的響應均值為210 mV，有微透鏡陣列區域的響應均值為172 mV。響應率測量結果表明，微透鏡陣列使探測器的響應率提高了22%。通過(guò)小光點(diǎn)測試測量了探測器的串音:無(wú)微透鏡陣列區域為4.91%，有微透鏡陣列區域為3.64%，微透鏡陣列使得探測器的串音降低1.27%（占比26%）。
圖4 銻化銦焦平面探測器的響應灰度圖
該微透鏡陣列的制作工藝簡(jiǎn)單，與探測器制作工藝相兼容。得到的微透鏡陣列的均勻性較好。直接在探測器背面用銻化銦材料制成，耦合精度高，不存在由于其他材料微透鏡陣列與探測器材料不同引起的熱失配、光吸收損失和低溫可靠性等問(wèn)題。
結束語(yǔ)
本文設計并制作了一種用于銻化銦紅外焦平面探測器的微透鏡陣列，以提高探測光的匯聚效果。測量結果顯示，制備有微透鏡陣列區域的銻化銦紅外探測器的光響應提高，串音降低。這種復合微透鏡陣列在探測器表面直接制備，不存在集成微透鏡陣列過(guò)程中引入的可靠性、對準偏差等問(wèn)題。通過(guò)表面處理加劇了銻化銦腐蝕中的鉆蝕，然后通過(guò)光刻腐蝕工藝制備，形成的微透鏡陣列較好地兼顧了填充率、表面粗糙度以及尺寸均勻性的要求。其制作工藝簡(jiǎn)單，適用于批量化生產(chǎn)。后續可以繼續增大微透鏡陣列的曲率及面陣規模，提高微透鏡陣列的匯聚效果，將其應用于更大面陣規模的銻化銦紅外探測器。
