[发明专利]一种覆盖可见光波段和红外波段的光电探测器

说明书

本发明提供了一种覆盖可见光波段和红外波段的光电探测器，包括光电探测器本体，所述光电探测器本体包括靠近光线由顶至底设置的第一晶圆、第二晶圆和第三晶圆；所述第一晶圆、第二晶圆和第三晶圆依次叠加设置；所述第一晶圆上装配有若干个可见光像元和读出电路；所述第二晶圆上装配有若干个红外读出电路；所述第三晶圆上装配有若干个红外像元阵列；第一晶圆与第二晶圆硅片键合设置，所述第三晶圆通过第一晶圆与第二晶圆硅片键合后互联设置，实现可见光波段图像和红外波段图像的探测，该光电探测器结构简单，操作方便，便于在复杂的光照条件下进行成像，满足星体追踪，目标识别，深空探测等多领域的应用需求。

技术领域

本发明涉及宽谱段图像探测器研制技术领域，具体为一种覆盖可见光波段和红外波段的光电探测器。

背景技术

传统的CMOS图像传感器由于Si材料本身的限制，仅能探测波长350nm～1100nm范围入射光线，在光能量的激发下产生光生电子，并通过读出电路，输出代表光明暗信息的，实现可见光探测。传统的红外探测器，采用红外敏感材料如碲镉汞等制备像元，利用CMOS工艺完成红外读出电路的制造，像元和红外读出电路通过铟柱实现像素级互联，红外探测器覆盖的波长范围为1000nm～3um。在对地观测，目标跟踪，微光夜视，星体导航等应用领域，由于成像光线环境复杂，波长范围通常覆盖350nm～3um，无法通过单一的红外探测器或者可见光探测器实现全波段探测。光电探测具有位置固定性，特定角度的观测仅能容纳一种探测器观测。因此，覆盖350nm～3um全波段的光电探测器，对获取全面光电信息具有重要意义。

在前照式图像传感器中，光子通过微透镜到达衬底的光电二极管之前，需要穿过后道介质层。介质层约有2-3μm厚。一方面，虽然二氧化硅介质层相对可见光而言是透明的，但还是会吸收一部分能量，使得穿透介质层抵达硅片表面光电二极管的光子数减少。另一方面，2-3μm厚的后道介质层，是由多种淀积方式的多层二氧化硅薄膜累积而成的，势必会有一部分光子在不同层之间的界面处被反射。对于前照式CMOS可见光图像传感器，顶视图如图1所示，侧视图如图2所示，纵向剖面图如图3所示，位于光电二极管上方的介质层对入射光子有较强的吸收和反射作用，造成透射率低于80％。又由于光电二极管中的转化效率以及传输晶体管的传输效率的损失，前照式像元的量子效率较低。

背照式与前照式最大的不同点就在于：前照式的光信号需要穿过后道工艺的介质层才能抵达光电二极管表面，光信号不可避免的在介质层中受到反射以及损耗；而背照式的光信号从背面直接抵达光电二极管，只要工艺处理得当，除了被反射一小部分，光信号几乎全部抵达二极管中。背照工艺的流程为首先完成载有CIS器件像元及读出电路的晶圆制造，然后将CIS晶圆与载片通过氧化物—氧化物键合工艺进行键合。两片晶圆键合后要求界面处无气泡与空洞，缺陷数量小于50，晶圆翘曲度小于50μm，高度差小于4μm将CIS晶圆减薄至2μm～5μm。减薄后晶圆不平整度要求在0.2μm以下，在减薄后的晶圆上生长高K介质，通过刻蚀工艺形成像元间的金属隔离结构，通过刻蚀工艺形成CIS器件的压焊区(PAD)的开窗，通过金属淀积工艺形成压焊区。如图4所示为硅片-硅片键合，如图5所示为键合后晶圆，如图6为晶圆减薄形成背照式图像传感器。图7为背照式图像传感器纵向剖面图，背照式图像传感器可以探测波长范围350nm～1μm的图像信息。

由于硅对波长1μm～3μm的红外波不敏感，因此，红外探测材料为碲镉汞等。由于硅基读出电路具有功耗和面积开销较小的特点，因此红外器件的读出电路制造于硅晶片上。红外像元和读出电路的信号沟通采用铟柱互联方式，图8所示为红外像元和读出电路互联示意图；图9所示红外探测器侧视图。图10红外探测器纵向剖面图，红外探测器可探测波长范围1μm～3μm的图像信息。

发明内容

针对现有技术中图像传感器探测波段范围窄存在无法满足复杂光照环境成像的问题，本发明提供一种覆盖可见光波段和红外波段的光电探测器，结构简单，操作方便，便于在复杂的光照条件下进行成像，满足星体追踪，目标识别，深空探测等多领域的应用需求。

本发明是通过以下技术方案来实现：