光电成像原理与技术-7-基于倒装互联的红外热成像器件2

张楠第7章基于倒装互联的红外热成像器件（7.2）光电成像原理与技术7.2红外焦平面成像器件的成像原理7.2.1红外焦平面成像器件的构成与分类红外焦平面阵列探测器由红外探测器和具有扫描功能的信号读出器组合而成的红外焦平面阵列，是凝视型红外热成像系统的核心。红外焦平面阵列包括光敏元件和信号处理两个部分，可采用不同的光子探测器、信号电荷读出器及多路传输。具有里程碑意义的几项技术：半导体精密光刻技术：使探测器技术由单元向多元线列探测器迅速发展，即后来称为第一代探测器。Si集成电路技术：Si读出电路与光敏元大面阵耦合，诞生了所谓第二代的大规模红外焦平面列阵（IRFPA）探测器，更进一步有Z平面和灵巧型智能探测器等新品种。先进的薄层材料生长技术：分子束外延（MBE）、金属有机化学气相淀积（MOCVD）和液相外延（LPE）等技术，可重复、精密控制生长大面积高度均匀材料，使制备大规模红外焦平面列阵成为可能，也是量子阱探测器出现的前提。制冷技术：高性能探测器的低温要求，驱动微型制冷机的开发，制冷技术又促进了探测器的研制和应用。红外焦平面阵列探测器红外焦平面阵列探测器－单片式CCD材料本身就对红外敏感，故集探测、转移功能于一体；红外探测器与CCD做在同一基底上，基底通常为Si，而探测器部分常用非本征材料，基本结构为金属－绝缘物－半导体。典型情况分：本征窄带半导体IR-CCD非本征半导体IR-CCD肖特基势垒IR－CCD红外焦平面阵列探测器－混合式主要特点：把探测器和CCD移位寄存器（或CMOS）分开，CCD（或CMOS）仍用普通硅制成，工艺相对成熟，而对几个重要的红外波段，都已经发展了性能优良的本征红外探测器。因此，将两者耦合起来组成混合焦平面技术，能获得高量子效率高性能的红外FPA。红外焦平面阵列探测器－混合式前照结构：探测器在前面受到照射，电信号就在这同一面上被抽出。－填充因子受到一定影响。背照结构：要求镶嵌探测器有薄的光敏层，在光敏层上吸收辐射，产生的光生载流子从背面扩散到前面，被P-N结检测到信号。－填充因子高，目前FPA大多基于这种结构。红外焦平面阵列探测器－Z平面技术根本特点：不同于单片式与混成式的二维FPA方式，所谓Z平面：是一块立体的FPA，这是将信号读出及处理功能的芯片（包括低噪声前放、滤波器和多路传输等）采用叠层的方式组装起来，形成信号处理模块，再把模块与探测器和输入／输出线等连接在一起。该技术可用于光导型、光伏型等各种探测器信号的读出／处理。Z平面焦平面阵列原理示意图7.2.2肖特基势垒焦平面成像器件肖特基势垒IR-CCD探测器肖特基势垒IR－CCD——单片式红外焦平面探测器的一种，是为解决大面积均匀性问题而设计出来的。特点：利用Si集成电路工艺，在Si衬底上制作肖特基势垒二极管面阵及信息处理部分，构成焦平面阵列。基本结构是由沉淀在Si上的金属（Pt或Pd）构成，在金属和硅半导体之间形成肖特基势垒。肖特基势垒光电探测器－工作原理金属淀积在半导体表面而形成的具有单向导电，整流作用的金属半导体接触－肖特基势垒；肖特基势垒光二极管结构肖特基势垒光电探测器－工作原理半导体中的费米能级高于金属中的费米能级，两者接触后，为使费米能级达到平衡，在接触面电子流向金属，电子电荷分布在金属层10-10m以内，半导体的表面层形成空间电荷区厚几个μm。结果，半导体附近能带弯曲，形成势垒，势垒阻挡金属与半导体内的电子交换，形成高阻层。正偏时（金属接阳极），势垒变窄，形成大正向电流。反偏时(金属接阴极），势垒变宽，故电流很小，所以肖特基势垒只能单向导电。肖特基势垒光电探测器－工作原理流经肖特基势垒的电子流密度主要经过四个过程半导体电子越过势垒进入金属－热发射；电子由量子力学隧道穿过势垒；－隧道电流；空间电荷区电子与空穴的复合；金属向半导体的少数载流子（空穴）注入。对于理想的肖特基势垒二极管，通常以1过程为主，并可忽略少数载流子的注入影响。工作原理：辐射透过硅照在硅化物上产生热空穴；这些空穴能越过势垒进入到硅基底；从而在硅化物一边的电极上积累负电荷，形成信号；由于铝层的反射作用，硅化物对辐射的吸收增强，可使灵敏度提高一个数量级。肖特基势垒IR-CCD探测器肖特基势垒光电探测器－工作模式Eg>hυ>eφB，V<VB-击穿电压，金属中的激发电子穿过肖特基势垒，收集于半导体；hυ>Eg，V<VB-入射辐射产生电子空穴对，P-I-N光电二极管模式；hυ>Eg，V≈VB高于反偏压，雪崩光二极管工作模式。肖特基势垒光电探测器－应用特点可直接用Si集成电路工艺，制成FPA。基于热电子发射的原理，其均匀性比一般的红外探测器FPA（其载流子寿命、扩散长度，合金组分不均匀可能导致响应度的不均匀）强100倍；典型材料：PtSi阵列，工作波段3~5μm。（对入射光子能量要求比较高）7.2.3倒装互连成像技术倒装互连技术两种铟接触：（a）In柱碰焊技术，（b）环孔技术混合式背照明红外焦平面探测器的重要工艺背照结构：要求镶嵌探测器有薄的光敏层，在光敏层上吸收辐射，产生的光生载流子从背面扩散到前面，被P-N结检测到信号。－填充因子高，目前FPA大多基于这种结构。混合式背照明红外焦平面探测器的重要工艺背照结构：要求镶嵌探测器有薄的光敏层，在光敏层上吸收辐射，产生的光生载流子从背面扩散到前面，被P-N结检测到信号。－填充因子高，目前FPA大多基于这种结构。混合型红外焦平面探测器的主要工艺:

清洗→光敏元台面制备→Si基读出电路制备→电极制备→In柱生长→倒装互连→衬底减薄→封装测试。QWIP器件典型工艺制作流程:

清洗→光耦合→光敏元台面制备→电极制备→In柱生长→倒装互连→衬底减薄→封装测试。温度冲击后四角处铟柱形貌倒装互连工艺对成像质量的影响倒装互连工艺对成像质量的影响最初使用时像图多次使用后图像倒装互连是混合式红外焦平面探测器制备过程中的关键，合适的倒装互连结构是红外焦平面探测器响应均匀性和减少盲元出现的重要保证；特别在制冷型红外焦平面探测器中，使用过程中的反复温度冲击可能会导致铟柱断裂而形成盲元和加大非均匀性。——此现象在大规模阵列中尤其显著，也是大规模红外焦平面阵列必须攻克的关键工艺之一。7.2.4量子阱与量子点焦平面成像器件量子阱探测器量子阱红外探测器(QWIP)是随着分子束外延技术及量子阱超晶格材料的发展，利用GaAs/GaAlAs量子阱子带间红外光电效应制备的高灵敏红外探测器；它具有InSb、HgCdTe同样的性能，可实现大面积、均匀性高，且与目前的GaAs工艺兼容；通过改变量子阱宽度和势垒高度对带隙宽度进行人工剪裁，可方便地获得6～20μm光谱范围的响应，通过在GaAs势阱层内增加InGaAs材料，短波长可扩展到3μm。通过改善量子阱能带参量可以实现光谱响应大范围调节，在2~20μm的范围内均可工作；量子阱红外探测器当器件正偏时，电压增大，光电信号减少；零偏时，光电信号较大；反偏时，电压增大，光电信号增大量很少，达到饱和。故量子阱探测器具有明显的整流特性；能带与掺杂分布的不对称性，使得整个N型区有类似于P-N结的特性，故具有向长波延伸的条件。从1987年贝尔实验室研制出第一个GaAlAs/GaAs量子阱红外探测器以来，该技术得到了迅速发展，成为三十多年来红外探测器领域研究的新热点。量子阱红外探测器下图为GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器子带吸收的能带示意图，量子阱导带内基态电子(或空穴)在红外辐射作用下，向高能带跃迁，并在外电场作用下做定向运动，形成与入射光强成正比的光电流。量子阱的基本结构Levine等人利用该原理试制出了最初的量子阱红外探测器。该量子阱红外探测器是采用分子束外延法交替生长GaAs阱和AlGaAs势垒50个周期构成的超晶格结构。量子阱红外探测器量子阱探测器的基本工作模型束缚态－束缚态跃迁：量子阱中的两个子能带均为束缚态，在红外辐射的作用下，电子从基态被激发到第一激发态（光谱响应窄），处于受激态的电子在外加较大偏压电场的作用下，穿过薄势垒顶部产生隧道贯穿，并以热电子形式输运，形成光电流；量子阱红外探测器工作的基本模型束缚态－束缚态跃迁：量子阱中的两个子能带均为束缚态，在红外辐射的作用下，电子从基态被激发到第一激发态（光谱响应窄），处于受激态的电子在外加较大偏压电场的作用下，穿过薄势垒顶部产生隧道贯穿，并以热电子形式输运，形成光电流；束缚态－自由态跃迁：当势阱宽度进一步减小时，子能级的束缚态会在势阱中上升，形成高于势垒的自由态(或连续态)（光谱响应较宽），在红外辐射作用下，使电子直接从势阱进入自由态，在较小外加偏压作用下形成光电流；量子阱红外探测器工作的基本模型多量子阱跃迁：由两种不同半导体材料薄层交替生长形成多层结构（A/B/A/B…），两种跃迁方式均存在的多个量子阱探测器模型。量子阱红外探测器工作的基本模型如果势垒层足够厚，相邻势垒间的载流子波函数耦合很小，则多层结构形成分离的量子阱。在更密的隔离材料层中的每一层里，利用人工结构材料制造技术，n=1能级逐次升高；控制超晶格薄层的厚度可以改变响应波长可变空间超晶格能量滤波器(VSSEF)(b)量子阱宽度对能级的影响；(c)调整偏置电压后的能级图通过施加一定偏压，可使得这一设计的特殊材料层所有n=1的能级排列成一直线。此时，该材料层成为通过电子隧道电流的能量滤波器，隧道电流由具有特定能量的电子构成，并存在于这一能级输出电流中。右图相当于一个光电倍增器阵列，每个VSSEF级中，形成单一能量的电子电流。多量子阱红外探测器工作的基本模型QWIP

器件的暗电流特性是量子阱红外探测器的一个极为重要的特性参数，对器件噪声和工作温度都有很大的影响，进而直接影响器件的探测率。量子阱红外探测器的暗电流基态隧穿热辅助隧穿热激发QWIP器件的三种暗电流机制①低于30K温度下基态遂穿起主导作用②30K--45K温度下热辅助遂穿起主导作用③更高温度下热激发起主导作用量子阱探测器的工艺与特点由于p型掺杂QWIP器件的载流子迁移率低，故目前常用的QWIP焦平面器件为n型掺杂光导型器件。典型单色QWIP器件结构典型双色QWIP器件结构QWIP器件结构工艺根据量子力学的跃迁选择定则，入射的光子只有在电极化矢量不为零时才能被子带中的电子吸收，进而从量子阱基态跃迁到激发态，形成电导率的变化而被器件所探测；而从QWIP材料正面垂直入射的红外光沿电子跃迁方向的电极化矢量为零，所以，QWIP材料对垂直入射的红外光不吸收，必须进行光耦合操作。为什么要引入光耦合工艺四种常见的光耦合方式JPL研制的1024×1024元双色量子阱红外探测器，响应波段：4.4μm～5.1μm，7.8μm～8.8μm，代表了当前双色量子阱红外探测器的近期研制水平。量子阱红外探测器量子阱双色焦平面器件结构图NASA/JPL联合研制的640×512四色焦平面器件，响应波段为4～5.5μm，8.5～10μm，10～12μm，13～15.5μm，代表了当前多色量子阱红外探测器的最高研制水平。640×512四色红外焦平面探测器阵列及器件结构层状图量子阱红外探测器量子阱探测器的优势：均匀性和热稳定性好，具有功率低、生长和钝化工艺成熟，便于加工，适于制造长波光伏和大规模FPA探测器；其材料和工艺易于与信号读出电路耦合，量子阱探测器将是兆级像素、多色制冷FPA探测器的有力竞争者，但要达到实用化，还有很多理论和工艺问题需要探索和解决。量子阱探测器的不足：暗电流大，量子效率不高(低于30%)，难以获得很高的光电灵敏度；需要强有力的低温控制，在制冷方式的选择上受到限制。量子阱红外探测器的特点量子点探测器量子点与量子阱：量子阱