CN109671727B - 红外焦平面阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红外焦平面阵列，包括覆盖有钝化膜的外延片，外延片表面设置有多个凹陷的掺杂区，外延片表面外周分布有多个公共电极，钝化膜开设有多个接触孔以及与多个凹陷的掺杂区对应的多个凸点孔；钝化膜在水平方向上由第一钝化区与第二钝化区组成，第二钝化区为与凸点孔同圆心的圆环；第一钝化区表面覆盖有第一导流电极，接触孔内填充有与第一导流电极相连通的第二导流电极；第一导流电极与第二导流电极均由金属导电材料组成。本发明的目的在于解决红外焦平面阵列边缘的像元与中间像元供电电压不同所造成的焦平面阵列画面不均匀的技术问题。

Description

红外焦平面阵列

技术领域

本发明属于光电技术领域，更具体地，涉及一种红外焦平面阵列。

背景技术

红外探测器是能对外界红外光辐射产生响应的光传感器，由多个红外探测器单元组成的二维阵列称为红外焦平面阵列，它们是红外探测器的核心。红外探测器按其工作机理可分为光子探测器和热探测器两种，光子探测器在接收到红外辐射以后，可将光信号直接转换为电信号，光子探测器的特点是灵敏度高、响应速度快、具有较高的响应频率，一般需在低温下工作，探测波段较窄。

随着红外焦平面阵列技术的发展，焦平面阵列的面积越来越大，焦平面阵列的像素越来越小，且越来越密集。对于大型焦平面阵列来说，整个焦平面阵列的画面均匀性会影响到焦平面探测器件的性能，而焦平面阵列的画面均匀性又与焦平面阵列上每个像元的供电电压有关。焦平面阵列上，每个像元的电压是通过边缘的公共电极经由外延片向焦平面阵列边缘的像元传输加载的，而外延片中的材料是半导体，电阻较大，电压在由边缘往像元传输的过程中电势下降，且电势下降程度与途径的外延片长度呈正比，从而造成焦平面阵列边缘的像元与中间像元供电电压不同，pn结开启状况也不一致，最终焦平面阵列画面不均匀。

现有的工艺一般是通过增加外延片材料厚度或提高材料载流子浓度两种方法进行改进的，但增加材外延片料厚度会减少外量子效率，且较厚的材料会产生较大的应力，使得焦平面阵列容易破裂；而提高载流子浓度这种方法实现起来比较困难，同时会增加焦平面阵列的电学噪声。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种红外焦平面阵列，其目的在于解决红外焦平面阵列边缘的像元与中间像元供电电压不同所造成的焦平面阵列画面不均匀的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种红外焦平面阵列，包括覆盖有钝化膜的外延片，所述外延片表面设置有多个凹陷的掺杂区，所述外延片表面外周分布有多个公共电极，其特征在于，

所述钝化膜开设有多个接触孔以及与多个凹陷的掺杂区对应的多个凸点孔；

所述钝化膜在水平方向上由第一钝化区与第二钝化区组成，所述第二钝化区为与所述凸点孔同圆心的圆环；

所述第一钝化区表面覆盖有第一导流电极，所述接触孔内填充有与第一导流电极相连通的第二导流电极；所述第一导流电极与第二导流电极均由金属导电材料组成。

优选地，所述多个凸点孔呈矩阵式分布，且相邻的四个凸点孔之间等距离地设置有一个接触孔。

优选地，所述凸点孔的尺寸小于或等于所述掺杂区的尺寸。

优选地，所述金属导电材料为Au、Pt、Cu、Cr、Ti、Al、W、Sn、Au中的任意一种或多种形成的合金。

优选地，所述第一导流电极与第二导流电极的厚度均为5nm～100nm。

优选地，所述第一导流电极与第二导流电极均为双层结构，所述双层结构的下层材料为Sn；所述双层结构的上层材料为Au。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于提出了一种红外焦平面阵列，能够取得下列有益效果：

(1)由于本发明提出了一种红外焦平面阵列，包括覆盖有钝化膜的外延片，钝化膜开设有多个接触孔以及与多个与掺杂区所在位置相对应的多个凸点孔；钝化膜由第一钝化区与第二钝化区组成，第二钝化区为与凸点孔同圆心的圆环；第一钝化区表面覆盖有第一导流电极；接触孔内填充有第二导流电极。通过第一钝化区的钝化膜使第一导流电极与外延片隔离开的同时保证第一导流电极分布于整个焦平面阵列且连为一体；而且通过分布在焦平面阵列边缘的第一导流电极可使导流电极与外延片表面外周的公共电极相连，从而使得所有像元的共同电学端(公共电极)是电学连通的，因此电流可以从公共电极经由第一导流电极传输到焦平面阵列边缘的像元周围的外延片上。通过接触孔内设置的第二导流电极使得所有掺杂区附近的外延片与导流电极也是电学连通的。

(2)由于本发明提出的红外焦平面阵列凸点孔呈矩阵式分布，且相邻的四个凸点孔之间等距离地设置有一个接触孔，这样使得靠焦平面中心位置处的每个像元的供电由四周的四个接触孔内的导流电极流入像元周围的外延片的。

(3)由于本发明的导流电极为金属材料，分布于整个焦平面阵列，且其金属材料的电阻率相比外延片的材料是几乎可以忽略。又因为第一导流电极与第二导流电极也是电学相连通的，本发明中导流电极的分布及其微小的电阻最终导致公共电极流入的电流的路径主要是从电阻小的导流电极流向像元，而不是直接从电阻大的外延片流向像元，实现了电流从公共电极到像元路径上的零压降，因此在每个像元具有相同的电势，从而每个像元的pn结有相同的开启电压，从而使像元具有相同的开启和工作状态，使焦平面阵列的电学分布更加均匀，最终在成像效果上使得画面更均匀。

(4)由于本发明所说的导流电极仅通过一次光刻、一次镀膜和一次剥离工艺即可制备出，其工艺流程简单，易于操作。

附图说明

图1是本发明的红外焦平面阵列的结构示意图；

图2是图1剖面示意图；

图3是导流电极结构的平面示意图；

图4是现有技术中红外焦平面阵列中的电流流动方向图；

图5是本发明改进后的红外焦平面阵列中的电流流动方向图；

图6是本发明的红外焦平面阵列与铟凸点的连接示意图。

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-外延片；2-掺杂区；3-公共电极；4-钝化膜；5-导流电极；6接触孔；7-凸点孔；8-铟凸点；9-像元。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明提出了一种红外焦平面阵列，包括覆盖有钝化膜4的外延片1，外延片1表面设置有多个凹陷的掺杂区2。外延片1是一种半导体材料，有较大的电阻；掺杂区2是经过离子注入形成的，它与外延片1中的载流子极性相反，厚度比外延片1的厚度小，掺杂区2与外延片1的本征区之间形成pn结；钝化膜4是直接与外延片1接触的，一般情况下覆盖整个外延片1表面，起到保护外延片1的作用。钝化膜4的材料要求能中和外延片1材料表面的悬挂键，并保护外延片1材料不与各种气体和溶剂反应生成表面电荷，造成暗电流大。钝化膜4的材料可以为CdTe、ZnS、S中的一种或多种。

外延片1表面外周分布有多个公共电极3。整个焦平面阵列的电流是由四周的公共电极3流入的，现有技术通常情况下电流是由公共电极3流入后，经过外延片1传输至掺杂区2所在位置，如图4所示。

钝化膜4开设有多个接触孔6以及与多个凹陷的掺杂区2对应的多个凸点孔7；凸点孔7用于放置与读出电路连接的铟凸点8，如图6所示。接触孔6的作用是使第二导流电极与外延片1电学接触。

钝化膜4在水平方向上由第一钝化区与第二钝化区组成，第二钝化区为与凸点孔7同圆心的圆环；第一钝化区表面覆盖有第一导流电极；接触孔6内填充有与第一导流电极相连通的第二导流电极；第一导流电极与第二导流电极由金属导电材料组成。设置第一钝化区是为了防止最后在凸点孔7处设置铟凸点8时，铟凸点8与邻近的接触孔6中的第二导流电极电学接触造成短路。图3是导流电极结构的平面示意图，图中的圆孔为第二钝化膜的外环。

上述第一导流电极与第二导流电极统称为导流电极5，如图1所示，相连四个接触孔6的中心点构成一个像元9。

因为钝化膜由第一钝化区与第二钝化区组成，通过第一钝化区的钝化膜4使第一导流电极与外延片1隔离开的同时保证第一导流电极分布于整个红外焦平面阵列且连为一体；而且通过分布在焦平面阵列边缘的第一导流电极可使导流电极5与外延片1表面外周的公共电极3相连，从而使得所有像元9的共同电学端(公共电极3)是电学连通的，因此电流可以从公共电极3经由第一导流电极传输到红外焦平面阵列边缘的像元9周围的外延片1上，如图5所示。通过接触孔6内设置的第二导流电极使得所有掺杂区2附近的外延片1与导流电极5也是电学连通的，即保证了整个红外焦平面是电学连通的。

多个凸点孔7呈矩阵式分布，且相邻四个凸点孔7之间等距离地设置有一个接触孔6，这样也使得每个凸点孔7由四个接触孔6包围，又由于四个接触孔6的中心点构成一个像元9，即每个像元9也由四个接触孔6包围，所以靠近红外焦平面阵列中心位置处的每个像元9的供电均由四周的四个接触孔6内的第二导流电极流入像元9周围的外延片1中，再流入掺杂区2(像元9)。

如图2所示，为图1经过某像元中心、并沿45°方向的截面示意图。图中，凸点孔7的尺寸小于或等于掺杂区2的尺寸，其目的是保证最后在凸点孔7处连接铟凸点8时，不会使铟凸点8与外延片1接触到从而造成短路，本发明的红外焦平面阵列与铟凸点的连接示意图如图6所示。

金属导电材料为Au、Pt、Cu、Cr、Ti、Al、W、Sn、Au中的任意一种或多种形成的合金，且金属导电材料的电阻率相比外延片1的材料HgCdTe是几乎可以忽略。又因为第一导流电极与第二导流电极的金属导电材料也是电学相连通的，最终导致公共电极3流入的电流的路径主要是从电阻小的导流电极5流向像元9，而不是直接从电阻大的外延片1流向像元9，因此在每个像元9具有相同的电势，从而每个像元的pn结有相同的开启电压，如图5所示。

第一导流电极与第二导流电极的厚度均为5nm～100nm，如果导流电极5的厚度厚了，虽然可以保证更低的电阻，但其成本高；如果导流电极5的厚度薄了，电阻大，无法满足供电电压分布需求。

第一导流电极与第二导流电极均为双层结构，双层结构的下层材料为Sn，因为Sn的粘附性和热稳定性好，可以比较好地粘附在钝化膜4上；双层结构的下层材料为Au，因为Au的导电性好，使得红外焦平面阵列的电压分布更均匀。

结合附图对本发明作进一步的描述。

实施例：

以下以像素为800×600，像素距离为15μm的HgCdTe材料(外延片的材料)红外焦平面阵列为例，进一步说明本发明。

在传统工艺中，每个像元的电流由位于阵列边缘的公共电极输入后，经过HgCdTe外延片半导体材料传输到像元上。通常情况下外延片材料的厚度为10-20μm，从红外焦平面阵列最边缘到焦平面阵列最中心电阻在数百欧姆以上，公共电极通电后，阵列中心区域的像元相比边缘的像元工作电压要低0.12V以上。由于像元在电学上一个含有pn结的结构，因此不同的工作电压下，像元的工作状态不同。这造成阵列中所有像元不处于一个相同的工作状态，最终整个红外焦平面阵列的电学均匀性很差。

本实例中，通过增加金属导流电极5，可以解决上述电学均匀性差的问题。该导流电极5的制备工艺较为简单：先通过光刻工艺，将设计的如图3所示的导流电极5图形转移到阵列上，然后采用镀膜工艺，沉积SnAu多层膜，Sn、Au厚度分别为20nm、50nm，Sn容易粘附，热稳定形好，Au导电性好。然后将样品放入丙酮溶液中浸泡，剥离掉多余的金属，留下导流电极5结构。对于本实施例的15μm像素距离阵列，即像元9的尺寸为15μm时，掺杂区2的直径为8μm，第二钝化膜的外环直径为10μm～12μm。如上所述，这是因为为了避免铟凸点8与外延片1接触短路，所以掺杂区2的直径要小于第二钝化膜的外环直径，从图1可以看出，像元9尺寸是大于第二钝化膜的外环直径的。

另一方面，导流电极5与焦平面阵列边缘的公共电极3直接电学接触，同时通过钝化膜4的开设的接触孔6与外延片1材料接触。

正因为采用的电阻小的金属导流电极5，使得在两条并联的路径上，电流更多的会经过电阻小的路径，且电压损失最小。因此，阵列的每个像元9二极管的电流路径会由图4变为图5，即：电路会由位于面阵边缘的公共电极3流入后，经电阻小的导流电极5，而不是电阻大的外延片1，传导至像元区域，避免了经过外延片1时的电压损失问题，使阵列中心区域的像元9与阵列边缘靠近公共电极3的像元9有相同的电压，从而保证像元pn结有相同的开启状态，提高焦平面阵列的成像均匀性。

通过理论计算可知，本例中导流电极由阵列边缘到阵列中心位置的电阻小于0.1欧姆，而同样长度的HgCdTe外延材料，电阻在1000-100000欧姆之间，可见导流电极的电阻相比外延材料是可忽略的，因此导流电极每个位置电势几乎相同，从而每个像元有相同的工作电压，其工作状态完全一致，整个阵列的电学均匀性更好。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种红外焦平面阵列，包括覆盖有钝化膜(4)的外延片(1)，所述外延片(1)表面设置有多个凹陷的掺杂区(2)，所述外延片(1)表面外周分布有多个公共电极(3)，其特征在于，

所述钝化膜(4)开设有多个接触孔(6)以及与多个凹陷的掺杂区(2)对应的多个凸点孔(7)；

所述钝化膜(4)在水平方向上由第一钝化区与第二钝化区组成，所述第二钝化区为与所述凸点孔(7)同圆心的圆环；

所述第一钝化区表面覆盖有第一导流电极，所述接触孔(6)内填充有与所述第一导流电极相连通的第二导流电极；所述第一导流电极与第二导流电极均由金属导电材料组成。

2.如权利要求1所述的红外焦平面阵列，其特征在于，所述多个凸点孔(7)呈矩阵式分布，且相邻的四个凸点孔(7)之间等距离地设置有一个接触孔(6)。

3.如权利要求1所述的红外焦平面阵列，其特征在于，所述凸点孔(7)的尺寸小于或等于所述掺杂区(2)的尺寸。

4.如权利要求1所述的红外焦平面阵列，其特征在于，所述金属导电材料为Au、Pt、Cu、Cr、Ti、Al、W、Sn、Au中的任意一种或多种形成的合金。

5.如权利要求1所述的红外焦平面阵列，其特征在于，所述第一导流电极与第二导流电极的厚度均为5nm～100nm。

6.如权利要求1所述的红外焦平面阵列，其特征在于，所述第一导流电极与第二导流电极均为双层结构，所述双层结构的下层材料为Sn；所述双层结构的上层材料为Au。

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