一种耦合光学天线的成像探测芯片及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种耦合光学天线的成像探测芯片，包括平行设置的光学天线和光敏阵列，光学天线是由多个彼此间隔且电连接的天线元组成的阵列结构，光敏阵列是由多个彼此间隔且电连接的光敏元组成的阵列结构，光学天线和光敏阵列的阵列规模相同，光学天线的天线元、以及光敏阵列中对应位置处的光敏元在垂直方向上相互对齐，光学天线的天线元包括至少一个顶面彼此电连接的纳米尖锥。本发明专利技术的耦合光学天线的成像探测芯片具有成像光波收集效能高的优点，并通过集成光学天线与光敏阵列显著提高光电灵敏度，且适用于可见光和红外谱域。

An Imaging Detection Chip for Coupled Optical Antenna and Its Fabrication Method

The invention discloses an imaging detection chip of a coupled optical antenna, which comprises an optical antenna and a photosensitive array arranged in parallel. The optical antenna is an array structure composed of several antenna elements spaced and electrically connected with each other. The photosensitive array is an array structure composed of several photosensitive elements spaced and electrically connected with each other. The array size of the optical antenna and the photosensitive array is the same, and the optical antenna is an array structure. The antenna elements and the photosensitive elements at the corresponding positions in the photosensitive array are aligned vertically, and the antenna elements of the optical antenna include at least one nano-cone whose top surfaces are electrically connected with each other. The imaging detection chip of the coupled optical antenna of the present invention has the advantages of high collection efficiency of imaging light wave, and significantly improves photoelectric sensitivity through integrated optical antenna and photosensitive array, and is suitable for visible and infrared spectral domains.

【技术实现步骤摘要】
一种耦合光学天线的成像探测芯片及其制备方法
本专利技术属于光学成像探测
，更具体地，涉及一种耦合光学天线的成像探测芯片及其制备方法。
技术介绍
目前，光敏成像阵列作为光敏探测器，已经在各个领域得到了极为广泛的应用。常见的光敏成像阵列包括光子探测器和热探测器两种，而光子探测器又包括可见光探测器(常见是CMOS器件)和红外探测器(常见是FPAs)两种类型。可见光探测器主要用在民用领域，其可探测的最小光功率也已低至纳瓦级；红外探测器主要用在军用领域，其成本相对高昂；热探测器是基于微热吸收与光电信号生成这一热探测模式工作。然而，现有的光敏成像阵列存在一些不可忽视的技术问题：第一、现有的光敏成像阵列针对功率在皮瓦级功率的弱光学信号探测能力不足；第二、光子探测器无法同时探测可见光和红外光；第三、热探测器虽然能同时探测可见光和红外光，但其探测灵敏度比光子探测器低至少一个量级，且探测速度慢。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种耦合光学天线的成像探测芯片及其制备方法，其目的在于，解决现有光敏成像阵列中存在的上述技术问题，本专利技术的耦合光学天线的成像探测芯片具有成像光波收集效能高的优点，并通过集成光学天线与光敏阵列显著提高光电灵敏度，且适用于可见光和红外谱域。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种耦合光学天线的成像探测芯片，包括平行设置的光学天线和光敏阵列，光学天线是由多个彼此间隔且电连接的天线元组成的阵列结构，光敏阵列是由多个彼此间隔的光敏元组成的阵列结构，光学天线和光敏阵列的阵列规模相同，光学天线的天线元、以及光敏阵列中对应位置处的光敏元在垂直方向上相互对齐，光学天线的天线元包括至少一个顶面彼此电连接的纳米尖锥，该纳米尖锥采用锥形结构，其顶面为曲面结构，光学天线的一端与光敏阵列的一端分别通过金属连接线连接到外部控制信号。优选地，当所述光敏成像探测芯片被用于探测弱光学信号时，每个天线元中纳米尖锥的数量是大于1个，且这些纳米尖锥为均匀排列。优选地，该纳米尖锥的数量下限值必须使得光敏元能够产生有效的信号输出，纳米尖锥的数量上限值必须使得单个天线元中的所有纳米尖锥均匀排列后，该天线元的总体尺寸不能大于单个光敏元的尺寸。优选地，纳米尖锥顶面的横截面是圆形、椭圆形、三角形、或多边形。优选地，当纳米尖锥顶面的横截面是圆形时，其直径为30纳米到600纳米之间。优选地，纳米尖锥的尖端部分和光敏阵列顶面之间的距离是10纳米到60纳米之间。优选地，所述光敏成像探测芯片被封装在芯片外壳内部，芯片外壳靠近光学天线的一个侧面上设置有光窗，用于指示该侧设置有光学天线，芯片外壳上与光窗相邻的另一个侧面上设置有电子学接口，用于以插接的方式将所述光敏成像探测芯片接入不同的光路结构。优选地，当所述成像探测芯片用于探测可见光或红外光之一时，光敏阵列采用光子探测器，当所述成像探测芯片用于同时探测可见光和红外光时，光敏阵列采用热探测器。按照本专利技术的另一方面，提供了一种上述耦合光学天线的成像探测芯片的制备方法，包括：制作光学天线过程，其包括以下步骤：(1)依次采用丙酮、酒精和去离子水溶剂对硅基片进行超声清洗并烘干，在烘干后的硅基片的一侧端面上涂覆光刻胶并烘干；(2)使用聚焦电子束对硅基片上所涂敷的光刻胶进行光刻处理，对光刻处理后的硅基片进行显影处理，并用去离子水冲洗并烘干；(3)将经过显影处理的硅基片在真空环境下加热至120至150℃并保持10分钟以上，以形成圆形拱面、椭圆形拱面、三角形拱面、或多边形拱面的阵列化光刻胶结构；(4)用平行离子束倾斜刻蚀经过热处理的阵列化光刻胶结构，以得到纳米尖锥图形，并对其进行清洁处理。(5)依次采用丙酮、酒精和去离子水溶剂对石英或硒化锌基片进行超声清洗并烘干；(6)在经过清洁处理的石英或硒化锌基片的一侧端面上涂覆光刻胶并烘干；(7)将所制备的纳米尖锥图形覆盖和压制在石英或硒化锌基片上涂敷有光刻胶的端面上，从而完成纳米尖锥图形转印；(8)在石英或硒化锌基片印有纳米尖锥图形的一侧电镀金属，并对其进行进一步的清洁处理；(9)依次采用丙酮、酒精和去离子水溶剂对石英或硒化锌基片进行超声清洗并烘干；(10)将石英或硒化锌基片上镀有金属的一侧与另一片石英或硒化锌基片执行分子键合处理，并对处理后的基片进行显影处理，以去除与金属膜贴合的光刻胶及其支撑基片，从而得到光学天线，对该光学天线进行清洁处理；集成光学天线与光敏阵列的过程包括以下步骤：(1)分别从光学天线和光敏阵列的同一侧引出金属连接线；(2)将光学天线中的每个纳米尖锥与光敏阵列中对应位置的光敏元对准；(3)将光学天线中的天线元与光敏阵列中对应位置的光敏元对准；(4)用UV胶封住光学天线和光敏阵列的上下和左右两侧并烘干，并将从光学天线和光敏阵列引出的金属连接线分别接入芯片外壳内部的管脚上。优选地，对准过程中，纳米尖锥的尖端部分和光敏阵列顶面之间的距离被保持在10纳米到60纳米之间。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：1、由于本专利技术通过光学天线的共振性表面电磁激励收集表面波，从而能够实现皮瓦级弱光学信号的放大性收集，探测灵敏度高；2、当本专利技术的光敏阵列采用热探测器时，光学天线收集可见光和宽谱红外光，因此本专利技术的探测芯片可以同时探测可见光和宽谱红外光，从而实现了宽谱域探测；3、当本专利技术的光敏阵列采用光子型探测阵列时，光学天线收集可见光或红外光，本专利技术的探测芯片能够以快的响应速度探测可见光或红外光。4、本专利技术通过光学天线表面电磁波和表面电子密度波的耦合关联性，实现对其表面“巡游态”电子分布密度的电控调节，进而能够调节其表面电磁波的纳聚焦强度；5、本专利技术通过光学天线高增益收集倾斜成像波束，在基本保持光敏结构噪声水平这一前提下，基于光学天线的尖端部分处的光敏，能够高增益地提高可见光和红外光的探测灵敏度；6、本专利技术一方面可以通过调节外部控制信号的幅度，实现对光敏元输出的有效信号的调节，另一方面，可以通过改变外部控制信号的极性，实现改变光学天线的关闭和工作状态，因此本专利技术具有智能化特征；7、由于本专利技术采用可精密电驱控的光学天线，其具有极高的结构、电学以及电光参数的稳定性，因此本专利技术具有控制精度高的特点；8、由于本专利技术的主体为封装在芯片外壳内的光学天线及光敏阵列，通过设置的电子学接口，其在光路中接插方便，易与常规光学光电机械结构匹配耦合。附图说明图1是本专利技术耦合光学天线的成像探测芯片在光路中的配置示意图；图2是根据本专利技术一种实施方式的耦合光学天线的成像探测芯片的详细示意图；图3是根据本专利技术另一种实现方式的耦合光学天线的成像探测芯片的详细示意图；图4是本专利技术耦合光学天线的成像探测芯片中光学天线的示意图；图5是本专利技术光学天线中包括四个纳米尖锥的天线元的示意图；图6(a)至(e)是本专利技术光学天线中纳米尖锥所采用的不同结构的示意图；图7是本专利技术耦合光学天线的成像探测芯片的封装结构示意图。在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-光学天线，2-光敏阵列，4-光窗，5-电子学接口。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种耦合光学天线的成像探测芯片，包括平行设置的光学天线和光敏阵列，其特征在于，光学天线是由多个彼此间隔且电连接的天线元组成的阵列结构，光敏阵列是由多个彼此间隔的光敏元组成的阵列结构；光学天线和光敏阵列的阵列规模相同；光学天线的天线元、以及光敏阵列中对应位置处的光敏元在垂直方向上相互对齐；光学天线的天线元包括至少一个顶面彼此电连接的纳米尖锥，该纳米尖锥采用锥形结构，其顶面为曲面结构；光学天线的一端与光敏阵列的一端分别通过金属连接线连接到外部控制信号。

【技术特征摘要】
1.一种耦合光学天线的成像探测芯片，包括平行设置的光学天线和光敏阵列，其特征在于，光学天线是由多个彼此间隔且电连接的天线元组成的阵列结构，光敏阵列是由多个彼此间隔的光敏元组成的阵列结构；光学天线和光敏阵列的阵列规模相同；光学天线的天线元、以及光敏阵列中对应位置处的光敏元在垂直方向上相互对齐；光学天线的天线元包括至少一个顶面彼此电连接的纳米尖锥，该纳米尖锥采用锥形结构，其顶面为曲面结构；光学天线的一端与光敏阵列的一端分别通过金属连接线连接到外部控制信号。2.根据权利要求1所述的成像探测芯片，其特征在于，当所述光敏成像探测芯片被用于探测弱光学信号时，每个天线元中纳米尖锥的数量是大于1个，且这些纳米尖锥为均匀排列。3.根据权利要求2所述的成像探测芯片，其特征在于，纳米尖锥的数量下限值必须使得光敏元能够产生有效的信号输出；纳米尖锥的数量上限值必须使得单个天线元中的所有纳米尖锥均匀排列后，该天线元的总体尺寸不能大于单个光敏元的尺寸。4.根据权利要求1所述的成像探测芯片，其特征在于，纳米尖锥顶面的横截面是圆形、椭圆形、三角形、或多边形。5.根据权利要求4所述的成像探测芯片，其特征在于，当纳米尖锥顶面的横截面是圆形时，其直径为30纳米到600纳米之间。6.根据权利要求1所述的成像探测芯片，其特征在于，纳米尖锥的尖端部分和光敏阵列顶面之间的距离是10纳米到60纳米之间。7.根据权利要求1所述的成像探测芯片，其特征在于，所述光敏成像探测芯片被封装在芯片外壳内部；芯片外壳靠近光学天线的一个侧面上设置有光窗，用于指示该侧设置有光学天线；芯片外壳上与光窗相邻的另一个侧面上设置有电子学接口，用于以插接的方式将所述光敏成像探测芯片接入不同的光路结构。8.根据权利要求1所述的成像探测芯片，其特征在于，当所述成像探测芯片用于探测可见光或红外光之一时，光敏阵列采用光子探测器；当所述成像探测芯片用于同时探测可见光和红外光时，光敏阵列采用热探测器。9.一种根据权利要求1至8中任意...

【专利技术属性】
技术研发人员：张新宇，张汤安苏，
申请(专利权)人：南京奥谱依电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32