一种分光与探测一体化的短波红外光谱探测器制造技术

本发明专利技术公开了一种分光与探测一体化的短波红外光谱探测器，其结构自下而上由硅基读出电路、In柱互联层、InGaAs光敏芯片、衬底、集成微腔分光结构阵列组成。本发明专利技术中，集成微腔分光结构阵列是基于法布里珀罗(FP)光学微腔原理的多通道集成分光器件。每个分光结构与相应InGaAs光敏芯片像元一体化集成，使每个探测器像元同时具备选频分光和探测能力，构成分光与探测一体化的的短波红外光谱探测器。该探测芯片构成了最小化的短波红外光谱探测组件，具有分光与探测一体，光谱通道可以灵活设计、自由组合，稳定性高、工艺兼容等优点。工艺兼容等优点。工艺兼容等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种分光与探测一体化的短波红外光谱探测器


[0001]本专利技术涉及红外探测器领域。具体涉及一种分光与探测一体化的短波红外光谱探测器。特别涉及一种基于集成光学微腔的分光结构阵列与InGaAs焦平面探测器单片集成的短波红外光谱探测。

技术介绍

[0002]光谱学在遥感、物质分析、医疗检测等各个领域发挥着无可替代作用，已经渗透到我们生活生产的方方面面。在红外多光谱领域，分光元件使探测器具有光谱维度的探测能力。常用的色散型、干涉型分光器件如光栅、棱镜、迈克尔逊干涉仪等，通过机械装置与红外探测器组装成多光谱、高光谱探测器，需要通过机械扫描的方式来实现对目标不同波长信息的连续获取。这导致红外多光谱探测系统成本高昂且体积庞大，不适用于便携型应用场景。目前便携式高光谱探测系统所采用的分光器件多为拼接式滤光片阵列、数字式可调分光器，这种分光器件虽然实现了小型化，但依然与探测芯片分离式组装，在光谱探测时有诸多弊端，如入射光串扰、易引入杂散光、固定装置易老化等。
[0003]目前，将微纳型分光器件与红外探测器芯片一体化制备是重要的研究方向。新型微纳分光方式如光子晶体、超材料、量子点、钙钛矿等受到了广泛的关注，基于微纳加工的F
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P集成光学微腔也是其中之一。光子晶体、超材料滤波器在波长尺度上与光发生共振等，实现对自然光的分光，然而很难实现窄带光谱透射。其结构为基于单层膜的二维或一维周期性结构，且为亚波长结构，需要高精度的电子束光刻，工艺成本高、难度大。此外，量子点、钙钛矿滤波器基于不同材料组分、尺寸对不同波长光的吸收或反射，实现对自然光的分光，但其依然无法做到窄带透射。虽然其工艺成本较低，但材料的光学稳定性难以保障。而FP集成光学微腔集对不同波长在腔层干涉并透射，可以实现窄带透射。同时，FP型集成微腔基于半导体工艺制备，特征尺寸大于工作波长，工艺难度低、稳定性高。将像元尺寸的集成微腔分光结构直接集成在探测器焦平面上，可以在保持高的光谱数量同时，将光谱探测系统缩小到芯片级别，具有极高的稳定性和可靠性，对光谱探测技术的发展具有重要的意义。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提出了一种分光与探测一体化的短波红外光谱探测器。通过镀膜和微纳加工工艺，将像元尺寸的集成微腔分光结构阵列与探测器光敏芯片集成制备，解决了传统机械组装方式的光串扰、不稳定等问题。同时相对比其他类型的集成光谱探测方案，集成微腔分光结构阵列可以做到低成本、高稳定性、窄带探测。所集成分光结构的光谱可自由灵活设计与选择，结合微纳加工工艺，可设计出几十上百个光谱通道，形成分光与探测一体化的短波红外光谱探测器。相较于传统多光谱红外探测器，这种探测器的集成化程度更高、工作模式更稳定，在军事、航天、民用领域都有极大的应用价值和发展前景。
[0005]本专利技术提出的分光与探测一体化的短波红外光谱探测器，其基本结构示意图如图1所示，至下而上分别为：硅基读出电路1，In柱互联层2、InGaAs光敏芯片3、衬底4、集成微腔
分光结构阵列5，其特征在于：所述集成微腔分光结构阵列5和InGaAs光敏芯片3单片集成于衬底4的两侧，无需外部机械结构进行耦合。集成微腔分光结构阵列5的像元与InGaAs光敏芯片3的像元在空间纵向方向上对准。其对准关系可以是一一对应，也可以是一个分光微结构单元覆盖多个焦平面探测器像元。成像探测时，入射光先被集成微腔分光结构阵列5的不同分光微结构单元5
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1选频分光，再被对应位置InGaAs光敏芯片3像元探测并转换为电信号，最终电信号被In柱互联层2输出给硅基读出电路1。
[0006]所述的In柱互联层2作用为将InGaAs光敏芯片3每个像元的电信号通过In柱2
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1传输给硅基读出电路1。
[0007]所述的InGaAs光敏芯片3的厚度为2～200μm，用于将探测到的光信号转换为电信号；
[0008]所述衬底4厚度为10～1000μm，材料为InP，用于外延生长InGaAs光敏芯片3和制备集成微腔分光结构阵列5。
[0009]所述集成微腔分光结构阵列5的每个微腔分光结构单元5
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1由微腔下层DBR5
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1、腔层5
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2、微腔上层DBR5
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3组成。每个微腔分光结构单元5
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1是基于法布里珀罗光学谐振腔原理设计，该种分光器件可根据需求定制。其物理原理是在一维光子晶体中引入缺陷态，根据引入缺陷态的不同，可调谐分光器件的透射光的中心波长。将N个不同透射中心波长的分光器件集成在同一基片上，在N个不同空间位置处分别透射N个通道的窄带红外光，达到集成分光的目的。
[0010]所述的集成微腔分光结构阵列5的像元排布方式可以自由设计。可以是一维排布，也可以是二维排布。可以是集成微腔分光结构阵列5的N个微腔分光结构单元5
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1覆盖整个InGaAs光敏芯片3，每个通道覆盖一个单元面积的感光像元；也可以将不同微腔分光结构单元5
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1组合为超像元阵列，根据需要灵活设计成1*2、2*2、2*3、3*3等为一组的超像元，同时，N个超像元阵列覆盖整个InGaAs光敏芯片3，形成成像和光谱同时探测的多光谱成像探测器。
[0011]所述微腔下层DBR5
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1和微腔上层DBR5
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3由高、低折射率材料交替生长的介质层组成，腔层5
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2为低折射率材料介质层。其材料包括但不限于：Si、Ge、Ta2O5、TiO2、Nb2O5、Bi2O3、CdS、CdTe、CeO2、CdSe、Gr2O3、金刚石、Dy2O3、Fe2O3、GaAs、HfO2、Ho2O3、InAs、InSb、In2O3、PbTe、PbCl2、PbF2、Se、Sb2O3、Sb2S3、SnO2、Si3N4、Te、ZnO、ZnSe、SiO、ZnS、SiO2、Al2O3、AlOxNy、AlF3、BiF3、BaF2、CaF2、CeF3、CsBr、CsI、Eu2O3、Gd2O3、LiF、LaF3、La2O3、MgF2、MgO、NaF、Na3Al3F6、Nd2O3、NdF3、Pr6O
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、Sc2O3、SrF2、SmF3、Sm2O3、ThF4、YbF3、Y2O3、ZrO2。
[0012]所述微腔下层DBR5
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1、微腔上层DBR5
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3是由m对DBR组成，膜层对数m的范围是2～30。
[0013]所述腔层5
‑1‑
2的厚度是0.1～10um。
[0014]所述的集成微腔分光结构阵列5的每个像元都有不同的窄带透射光谱，对应形成InGaAs光敏芯片3的每个光谱探测通道。
[0015]本专利技术的优点是：
[0016]1.将集成微腔分光结构阵列直接单片集成制备在焦平面探测器的衬底上，不改变传统红外探测器的结构，不增加传统红外探测器的体积，就能使其具备光谱识别本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种分光与探测一体化的短波红外光谱探测器，其特征在于，所述的短波红外光谱探测器结构自下而上分别为：硅基读出电路(1)，In柱互联层(2)、InGaAs光敏芯片(3)、衬底(4)、集成微腔分光结构阵列(5)；所述集成微腔分光结构阵列(5)和InGaAs光敏芯片(3)单片集成于衬底(4)的两侧，无需外部机械结构进行耦合；集成微腔分光结构阵列(5)的像元与InGaAs光敏芯片(3)的像元在空间纵向方向上对准，其对准关系是一一对应，或者是一个分光微结构单元覆盖多个焦平面探测器像元；集成微腔分光结构阵列(5)的每个像元都有不同的窄带透射光谱，对应形成InGaAs光敏芯片(3)的每个光谱探测通道。2.根据权利要求1所述的一种分光与探测一体化的短波红外光谱探测器，其特征在于，所述集成微腔分光结构阵列(5)的微腔分光结构单...

【专利技术属性】
技术研发人员：王少伟，玄志一，刘清权，陆卫，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：