[实用新型]一种改善光谱平整度的红外探测器

说明书

技术领域

本专利涉及一种红外探测器的结构，特别涉及一种改善响应光谱平整度的红外探测器。 

背景技术

现代红外探测技术对国民经济社会发展具有重要意义。随着遥感仪器技术的不断发展，已从点目标探测、扫描成像、多光谱扫描成像发展到超光谱成像，红外探测器也由单波段单元器件、多元器件、多波段线列器件向单波段红外焦平面、多波段红外焦平面和灵巧型集成探测器组件方向发展。一方面，红外探测器在对地观测方面具有不可替代的作用。另一方面，红外焦平面芯片的器件中心距已由几百微米向几十甚至十几微米迈进。当器件结构尺寸与光子波长相近或在一个数量级之内时，光子的波动性开始对器件的性能产生重要影响。此时，经典的碲镉汞红外探测器光电响应理论已不再适合于设计这种小面积的长波红外探测器，器件的光电性能不仅与材料参数有关，器件的几何结构、周边环境对器件性能也有着重要影响，特别是器件的响应光谱的平整度依赖于探测器的结构及其工艺方法。 

在国外，美国和欧洲都成功发展了HgCdTe红外焦平面探测器。2004年，美国Rockwell公司研制成功512×512长波红外焦平面组件，芯片的面积是36μm×36μm，截止波长是9.6μm。法国Sofradir公司发展的384×288碲镉汞长波红外焦平面，单元面积是25μm×25μm，响应波段为7.7μm-9.0μm。德国资源环境卫星BIRD1采用了2×512碲镉汞线列焦平面芯片，响应波段是 8.5μm-9.3μm，单元面积是30μm×30μm。我国风云二号D星（2006年底发射）采用双元的碲镉汞红外探测器，长波波段是10.3μm-11.3μm和11.5μm-12.5μm，单元面积是82μm×82μm。近年来虽然AlGaAs/GaAs量子阱红外探测器也有了很大发展，阵列规模已高达640×480，但由于其较低的外量子效率，且一般所需的工作温度更低。以上这些红外焦平面都有一个共同特点，就是其单元尺寸和峰值响应波长都在一个数量级之内。可以预见，器件的单元尺寸还会越来越小。 

光电子器件在小尺寸时，产生了许多非线性现象[1-10]。2008年英国诺丁汉大学报道了新型热电子热辐射探测器(HEB)，工作频率是150－200GHz（对应波长是1.5-2mm），给出了光学耦合优化后的器件结构[9]。此外，英国研究小组发现在远红外波段（30-300μm）探测器中，当器件的尺寸在几百微米到1毫米左右时，器件的几何构型需要优化，以得到最优的光学耦合效率[10]。当碲镉汞红外探测器峰值响应波长变长且芯片面积变小之后，光子的波动性也变得突出，器件响应率和响应光谱的平整度表现出与响应波长相关的特征，同时芯片响应的不均匀性增加。而对于超光谱仪器而言，芯片响应光谱谱型的平整度和均匀性，在某种程度上，比芯片探测率的高低更重要。国外文献对这一现象也有少量报道：响应波长的增加将使得响应的平整度变差，通过在芯片光敏面表面生长一层增透膜和在衬底上增加一些小颗粒的结构，可以提高响应的平整度[11-12]。图1是美国NASA报道的碲镉汞长波红外光导器件，光敏面上有无增透膜的响应光谱[12]。由图1(a)可知，器件峰值响应波长大于10微米，在峰值附近，响应曲线变得弯曲；在器件光敏面上生长增透膜后，可以改善峰值附近响应的平整度（如图1(b)所示）；但是在其响应波段，随着波长的增加，响应的平整度还很不理想。究其原因，是没有考虑到红外光子的波动性，没有 意识到非光敏感区域也会对光敏感区域的光场分布产生较大的影响。 

本专利提出了一种较为简单且有效的器件结构，通过在光敏感区域周围，保留一部分与光敏感区域光学性质相同的材料，基本消除响应光谱谱形的非线形，提高了光谱的平整度。 

参考文献: 

(1)Michael J.Preiner,Ken T.Shimizu,Justin S.White,and Nicholas A.Melosh,Efficient optical coupling into metal-insulator-metal plasmon modes with subwavelength diffraction gratings,Appl.Phys.Lett.,2008,Vol.92:113109.