[发明专利]无分立像元光学读出的量子阱红外焦平面芯片

说明书

本专利是关于一种无分立象元且采用光学方法直接进行红外信号读出的量子阱红外焦平面芯片设计。

在目前的量子型红外焦平面技术中，光敏元芯片都是由若干通过空间上电学与光学上分离的象元组成(如HgCdTe,InSb,PtSi,GaAs/AlGaAs多量子阱等红外焦平面器件)，焦平面的规模完全由象元数的多少决定，因此焦平面规模完全由当前红外光电子技术与微电子技术的水平决定。至今位于中波和长波红外窗口波段(如3-5μm和8-14μm)红外焦平面的技术水平仍未突破516×516元。而可见光或近红外波段的SiCCD焦平面规模已超过1024×1024元，且发展势头很强，中波或长波红外焦平面规模与硅CCD焦平面规模之间的差异主要是由于中、长波红外材料及器件工艺的相对不成熟所致。同时工业界在Si基器件上投入的强度远大于红外器件上的投入，且还将继续保持这种不均等的态势，因此任何一种有可能将红外焦平面功能转化成由SiCCD辅助实现的技术都是很有实用价值的。

现有的量子型红外焦平面芯片技术可分解成以下二个方面：

1．优质材料的制备：该材料必须有很好的光学和电学性能，最终器件的性能是光学与电学性能的综合表现，即光学性能必须保证入射的红外光应尽可能完全地被材料吸收并产生相应的光电子，接着材料的电学性能要保证电子有足够的平均自由程，从而可以在器件中迁移和输出一个电信号，完成将红外光转换成电信号的任务。

2．器件芯片结构的制备：这一过程需要完成可与读出电路耦合的、在电学上相互隔离的、具有良好光电响应的、空间上均匀分布的、各单元性能一致性好的众多单元列阵，其中要保证拥有成千上万个单元的列阵中各单元性能相一致是极为困难，给整个工艺的流程提出了非常严格的要求。

一旦上述芯片完成，照射在某一单元上红外光引起的面积分电学信号可以通过该单元体现。所以对照射在芯片上红外图像而言，单元器件的尺寸决定了象元的大小，而元数的多少决定了空间分辨率。

本发明的目的是提供一种无分立像元光学读出的量子阱红外焦平面芯片。它独立于上述传统原理，将红外光信号转换成可见或近红外光信号，从而可直接用硅CCD器件进行探测，且可以使整个工艺过程被大大地简化。

本发明的目的通过如下技术方案达到：所说的量子阱芯片利用外延手段生长出带有n型掺杂和p型掺杂的量子阱结构材料，其两个量子阱中的载流子均可由红外光激发到连续态并在外场作用下导致电子与空穴相互靠拢，最后复合发光。在量子阱芯片上形成下、下电极，靠近n型量子阱的电极上所加的偏压相对加在靠近p型量子阱的偏压是正的，将高灵敏度的SiCCD器件与透镜及量子阱芯片在组件上一体化，将量子阱芯片在低于80K的低温下工作，以避免可见与近红外波段的杂散光进入及降低由热激发导致的可见光发光本底。而用SiCCD器件记录量子阱芯片将红外光图象转换成的可见光图象直接光学读出。

为了便于说明，我们给出了阐述本发明的示意图如下：

图1为本发明中新型量子阱红外焦平面芯片的焦平面功能实施示意图。

图2为GaAs/AlGaAs多量子阱新型红外焦平面芯片光电响应及光学输出的原理示意图。

图3为本发明中量子阱芯片材料结构示意图。

图4为本发明中量子阱芯片电极结构示意图。

图5为本发明中减薄衬底形成光栅示意图。

图6为本发明中芯片置于制冷杜瓦中示意图。

下面我们结合附图对本发明作详细的阐述。

由红外光4辅助产生的光电子仅在入射光方向上传输与复合，在垂直于入射方向上的扩散而引起的受红外光辅助增加的可见光5发光在焦平面上的位置与红外光照射点在焦平面上位置的差别最大极限是载流子平均自由程和由光栅引起的光学串音，只要芯片厚度足够薄(如已报道的小于10μm)，则这一差异将小于15μm。所以红外光辅助的可见光5发光在芯片上的图案与照射在芯片上的红外光4自身形成的图案将在误差小于15μm的精度上重合。因此由SiCCD器件3观察到的芯片上红外光辅助的可见光发光图案就表征了在芯片上红外光的热像图案。实现了对红外热像图案的光学直接读出。

1．芯片的具体制备如下：

为了能将原理阐述更清晰，下面以GaAs/AlGaAs量子阱材料为例。