[发明专利]一种基于超表面透镜的小像元红外焦平面探测器

说明书

本发明公开了一种基于超表面透镜的小像元红外焦平面探测器。基于超表面透镜的小像元红外焦平面探测器包括红外焦平面探测器和形成在衬底处的超表面透镜。该超表面透镜由许多亚波长尺度的小圆柱构成，小圆柱的位置和直径大小按照相位规律排布，该超表面可以调制入射光的波前，使其能够聚焦到探测器像元的吸收层上。相比传统的红外焦平面探测器，本发明能够实现亚波长量级的聚焦光斑，可以将像元尺寸减小至波长量级，有利于平面式焦平面器件往更小的像元，更高的像元密度发展。与此同时，能在器件的光响应不变或提高的情况下，降低器件的暗电流，提高信噪比，抑制像元之间的光电串扰。

技术领域

本发明涉及红外焦平面探测器和有聚焦效应的超表面微纳结构，特别涉及一种小像元，高像元密度的InP基雪崩光电二极管(APD)焦平面探测器，本发明适用于背入射式光电探测器。

背景技术

随着时代的发展，光电探测器的地位在逐渐提高，在航天，军工，到民用的自动驾驶和通讯等方面，光电探测器扮演着不可或缺的角色，尤其是红外焦平面探测器，正朝着大面阵、小像元，高密度的趋势发展。

暗电流、光响应、均一性、串扰等是评估焦平面探测器的几个重要指标，随着面阵越来越大，考虑到均一性和器件尺寸因素，单个像素的尺寸越来越小，如何在小像元尺寸下保证器件较高的光耦合效率、低串扰特性成为发展大面阵的关键点。随着像元尺寸的减小，有效填充因子将下降，光耦合损失将增加。目前，普遍使用的传统的平凸微透镜，依靠厚度差造成的相位差来实现聚焦，很难在保证较高光学耦合效率的前提下，进一步减小像间距、减小像元尺寸。超表面透镜，依靠亚波长微纳结构实现等效折射率的改变，以此实现入射光场的梯度相位调节，在探测器像元处实现近衍射极限的高效聚焦，从而在保证探测器光响应不变的前提下，将像元尺寸减小至波长量级。超表面透镜的小像元红外焦平面探测器，把超表面透镜直接集成在探测器上，能够减小探测系统的体积，同时，近衍射极限的聚焦光斑保证了波长量级的像元尺寸的实现。因此，基于超表面透镜的红外焦平面探测器一方面能够降低器件的暗电流，提高器件的信噪比；另一方面能够抑制光电串扰，为进一步减小像间距实现低串扰大规模的红外焦平面探测器阵列提供有效途径。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于超表面透镜的小像元红外焦平面探测器，可以在保证较高光响应的前提下将像元尺寸减小到波长量级，降低器件的暗电流和像元之间的串扰，保证焦平面器件的均匀性的前提下，进一步提高像元密度。并且该探测器可以探测非垂直角度入射的入射光。

本发明设计方案如下：

一种基于超表面透镜的小像元红外焦平面探测器，所述红外焦平面探测器包括N+金属电极2，N+型衬底3，器件外延层4，P+型掺杂区5，P+金属电极6，SiNx钝化层7，其特征在于，在红外焦平面探测器衬底上直接制备超表面透镜1。所述光电探测器像元是外延技术在衬底上外延出器件外延层结构4上，通过光刻、刻蚀、掺杂、金属沉积、薄膜沉积等工艺在外延层上制备出焦平面探测器。

所述超表面透镜在制备出红外焦平面探测器后，在衬底上经过光刻、刻蚀制备而成。

所述超表面透镜由圆柱形介质阵列组成，要求介质材料对入射光的吸收较小。单元圆柱的圆心的间距和高度恒定，其直径大小和所设计的相位相关，单元圆柱的直径大小与相位的关系可以通过光学数值计算得到，其特征是将入射到焦平面探测器表面的光聚焦到所述红外焦平面探测器像元的吸收层上。

所述超表面透镜的每个位置上的相位与波长的关系满足如下公式：

式中，λ_eff表示入射光的有效光波长，λ表示入射光的波长，n表示聚焦处介质的折射率，r表示透镜位置在水平方向上相对相对焦点的距离，表示该点的补偿相位，表示入射光波的波面到达透镜的初始相位，f表示所述超表面透镜的焦距。

本发明有如下积极效果和优点：