[发明专利]基于硅上液晶的短波长红外成像器件

说明书

技术领域

本发明涉及红外成像技术领域，涉及一种基于硅上液晶的短波长红外成像器件。

背景技术

由于很多物质在短波长红外波段（波长范围在1-2微米）具有独特的光谱特性,因此短波长红外探测器在众多领域受到了广泛了应用,如空间探测、军事、刑侦、显微成像、医学检测、太阳能电池面板检测等。短波长红外成像器件主要包括短波长红外探测模块和图像显示模块。

目前对于可见-近红外光信号探测及成像的主要器件为基于半导体硅及InGaAs体系的互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）元件与电荷耦合元件（Charge-coupled Device，CCD），现有的短波长红外成像器件一般采用阴极射线管（Cathode Ray Tube，CRT）显示技术进行图像显示，利用红外探测器的光敏元件将光信号转化为电信号，然后经过电信号放大转换成标准电视信号由监控器进行观察。该显示技术比较成熟，但是由于未与探测单元充分集成在一起，因此在小型化、集成化以及可靠性方面有待进一步提高。

基于硅基材料的CMOS元件具有工艺简单，外围电路简单，功耗低、易于集成，成本较低等优点。但由于硅基材料带隙较宽（Eg=1.1eV），对波长大于1.1微米的红外光吸收较弱，因此无法探测波长大于1.1微米的短波长红外光。

基于InGaAs体系的CCD，探测灵敏度高、分辨率高、且噪点少等优点。如目前商用化的微光夜视仪已经发展了三代，其中第三代微光夜视仪为III-V族（Ga-As）负电子亲和势光电阴极像增强型微光夜视仪，具有重量轻，图像清晰，功能全等特点，但由于其功耗大、制备工艺复杂、成本高等，在一般商业应用中微光夜视仪主要探测夜空辉光照射下的景物，其成像波长大部分位于短波长红外区域，是一种具有代表性的短波长红外成像器件。如目前已经商业化的第三代微光夜视仪，以III-V族元素化合物（如InGaAs化合物、Ga-As化合物等）作为微光管的光电阴极发射材料，利用III-V族元素具有负电子亲和势，对采集到的图像信号具有增强作用，从而使第三代微光夜视仪具有重量轻，图像清晰等优点。但是基于InGaAs体系的CCD阵列器件，与外围基于CMOS工艺的读取电路不兼容，导致外围电路复杂，提高了制备成本；其次，As元素有剧毒，对人体有害。

发明内容：

针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于硅上液晶的短波长红外成像器件。

一种基于硅上液晶的短波长红外成像器件，从下至上依次包括：单晶硅片，短波长红外探测器阵列、硅上液晶，所述单晶硅片兼做短波长红外探测器阵列和硅上液晶两者的衬底。

硅上液晶（Liguid Crystal on Sillicon，LCoS）是指直接将液晶做到硅片上，LCoS具有尺寸很小、可充分利用发展已很成熟的硅集成工艺、功耗低，分辨率高等优点。LCoS显示技术利用电寻址或光寻址等方式能够方便地实现大面积、高对比度、可靠的图像显示。

本发明的短波长红外成像器件利用LCoS原理，直接将硅上液晶（显示器）做到短波长红外探测器阵列（光电探测器）的上方，利用短波长红外探测器阵列获得的光电流信号驱动硅上液晶中液晶分子的取向，在短波长红外成像器件另一侧可见光的作用下，进行图像显示。将光电探测器和显示器集成于同一硅片上，有利于短波长红外成像器的小型化、且与现有短波长红外成像器比较，采用液晶显示，功耗低，分辨率高；可充分利用发展已很成熟的硅集成工艺，制备工艺简单、进一步降低制作成本低。

所述的短波长红外探测器阵列为基于硅基锗的光电探测器阵列。

锗与硅一样是IV族半导体材料，相对于硅具有更窄的带隙(间接带隙Eg=0.66eV，直接带隙Eg=0.8eV),使得锗在1-1.5微米波长范围内有更大的吸收系数，同时锗具有比硅更高的电子与空穴迁移率。再加上锗与硅在成分与晶格匹配方面的兼容，这些因素使得在短波长红外领域，基于硅基锗的光电探测器的各项性能指标已经能够达到甚至超过InGaAs体系的光电探测器。且与基于InGaAs体系的CCD阵列器件比较，与CMOS工艺兼容性好，降低了制备成本，不含剧毒元素As。采用分子束外延(MBE)的方法或金属有机化合物化学气相沉积（Chemical vapor deposition，MOCVD）的方法在硅衬底上生长锗外延薄膜和金属层，然后通过硅上锗薄膜及金属层进行图形化刻蚀，利用该锗外延薄膜和金属电极构筑适用于短波长红外光的光电探测器阵列。

所述的光电探测器为p-i-n光电探测器或金属-半导体-金属光电探测器。