一種基於衍射型微透鏡優化紅外焦平面探測器的設計方法
2023-05-02 09:47:26
一種基於衍射型微透鏡優化紅外焦平面探測器的設計方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於衍射型微透鏡優化紅外焦平面探測器的設計方法。該方法優化了可應用於銻化銦紅外焦平面陣列探測器的衍射型微透鏡的光學相位結構參數及最佳厚度，顯示八相位結構有最高的量子效率和最低的串音率，並可獲得該結構的最佳厚度。本發明的優點在於，可以通過數值方法設計出不同衍射型微透鏡結構的量子效率和串音特性，並結合透鏡厚度的變化對上述特性的影響，從而提高了產品的可靠性和性能，並大幅減少了開發費用。本發明對於改善紅外焦平面探測器性能和優化器件設計都有著十分重要的意義。
【專利說明】一種基於衍射型微透鏡優化紅外焦平面探測器的設計方法【技術領域】
[0001] 本發明涉及半導體紅外光探測器件性能的設計和測量，具體是指一種優化可應用於銻化銦紅外焦平面陣列探測器的衍射型微透鏡的相位結構參數及最佳厚度的設計方法。
【背景技術】
[0002]近年來，微透鏡陣列與紅外焦平面集成技術迅速發展，首先是為了滿足軍事目的，比如全球監視、全天候條件作戰等等，所以用於紅外系統的探測器要求探測靈敏度高、重量輕、體積小。在凝視成像系統中，焦平面陣列接收目標輻射的光子並轉換成電子或者載流子，並通過讀出電路將這些目標信號放大再轉移到信號處理電路；而在探測器領域利用微透鏡陣列與紅外焦平面陣列(IRFPA)相集成，可以改善紅外焦平面的性能。衍射型微透鏡陣列的設計可以利用衍射光學的理論，採用二元光學技術來製造，表面浮雕結構衍射光學器件就是一種應用。衍射微透鏡列陣利用其表面波長量級的三維浮雕結構對光波進行調製、變換，具有輕而薄、設計靈活等特點。作為功能元件，在波前傳感、光聚能、光整形等多種系統可得到廣泛應用。這種元件的光學特性主要由元件的表面分布決定。由於表面分布包含了元件的整體功能，表面分布一般在幾微米的數量級。因此它不會出現全息元件、折變光學和光折射的體效應，並且採用模壓的方法可以低廉地複製這種元件。
[0003]由於衍射型微透鏡與紅外焦平面陣列集成的光探測器的製造存在製作複雜、重複性差、周期長以及某些材料價格昂貴等問題，器件模擬技術就成為期間發展的一個重要工具。通過器件模擬技術，我們可以找到最佳性能器件對應的幾何設計參數，並且通過比較不同的設計參數對應的模擬結果，可以設計適用於不同要求，環境下的器件參數。數值模擬不僅減少了開發費用，也改善了產品的可靠性和性能，為器件的優化提供了一種切實可行、省時省力的方法。因此器件模擬技術已經成為光學探測器器件設計和製造過程的一個重要環節。
[0004]本發明通過對衍射型微透鏡的設計理論和設計方法的研究，在理論上推導相關設計公式，然後通過ISE-TCAD軟體對銻化銦紅外焦平面與衍射型微透鏡陣列集成之後的探測器進行光探測過程的數據模擬，對模擬結果進行理論分析，從而找出該探測器最佳性能對應的幾何結構設計。
【發明內容】
[0005]本發明提供了一種優化可應用於銻化銦紅外焦平面陣列探測器的衍射型微透鏡的光學相位結構參數及最佳厚度的設計方法，該方法通過數值模擬得到不同相位數和波帶數，即不同結構設計類型的衍射型微透鏡應用時探測器的量子效率和串音結果，並同時計算了透鏡厚度的變化對結果的影響，並發現在八相位結構、四相位結構、八相位兩波帶和無臺階結構這四種典型的結構中，八相位結構有最高的量子效率和最低的串音率，並獲取了該結構的最佳厚度。其步驟如下:
[0006]I).構建二維p+-on-n型銻化銦光伏探測器件模型，根據紅外焦平面探測器的光敏面長度為L，P區厚度為dp、硼摻雜濃度為Νρ，η區厚度為dn、砷摻雜濃度為Nn，同時P區和η區分別安裝電極以測量輸出電壓信號結構參數構建器件模型；
[0007]2).根據步驟I)中的結構參數設計不同結構的衍射型微透鏡結構的銻化銦光伏型探測器件；由於衍射型微透鏡的幾何結構完全可以用作為臺階結構定點位置的表面相位分布，以及作為整個透鏡本身的矽襯底的厚度決定，於是這裡考慮了相位數1、波帶數k，透鏡厚度h這三個關鍵參量；
[0008]3).構建物理模型:本數值模擬中利用了時域有限差分進行光學模擬和有限元數值方法進行電學模擬；光學模擬的基本方程是麥克斯韋方程組，得到的光場分布通過與材料電導率相關的理論方程可計算轉換為載流子產生率分布；電學模擬的基本方程是泊松方程、電子與空穴的連續性方程、電子輸運方程，之前得到的載流子產生率作為光響應加入方程；表面複合也可加入方程，包括SRH複合、Auger複合和輻射複合，同時還要考慮到載流子的熱效應、高場飽和效應，用有限元方法離散化聯立迭代求解，勢壘的隧穿效應為獨立方程，與上述方程自洽求解；
[0009]4).調節物理參數，使模擬環境溫度為T，外加波長為λ的入射光垂直照射到中間的單元的器件，光功率恆為P，由於採用的是背入射，所以入射光先經過衍射型微透鏡會聚再到ρ-η結區，由數值模擬可以得到量子效率和串音；
[0010]5).改變微透鏡的厚度h，重複步驟4)，得到不同微透鏡的厚度下量子效率和串音隨入射光波長變化的曲線；
[0011]6).對於不同結構衍射型微透鏡，重複步驟3)?步驟5)，可分別得到不同的相位數k、波帶數I類型的衍射型微透鏡在各自的不同微透鏡的厚度下量子效率和串音隨入射光波長變化的曲線；
[0012]7).對上述結果進行綜合分析，得到性能最優的結構和參數。
[0013]本發明的優點是:可以通過數值模擬和解析理論研究不同衍射型微透鏡結構設計的量子效率和串音結果，並同時計算了透鏡厚度的變化對結果的影響，從而減少了開發費用，並改善了產品的可靠性和性能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為模擬的器件結構，利用矽襯底表面分布形成衍射型微透鏡結構的銻化銦紅外焦平面陣列探測器，其中I為矽襯底，2為η型吸收層，3為P型收集層，4為電極1，5為公共電極2，h為微透鏡厚度。
[0015]圖2為矽襯底衍射型透鏡的詳細結構示意圖，I為相位數，k為波帶數。
[0016]圖3為模擬的四種典型不同結構的量子效率隨微透鏡厚度的變化曲線。
[0017]圖4為模擬的四種典型不同結構的串音隨微透鏡厚度的變化曲線。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】作詳細說明:
[0019]本發明所模擬的器件為二維p+-on-n型銻化銦光伏探測器件，p區摻雜濃度為Np=IO17CnT3, dp為0.8微米，η區摻雜濃度為Nn=1015cm_3，dp為9.2微米，同時p區和η區分別安裝電極以測量輸出電壓信號，見圖1。同時環境溫度為Τ=77Κ，入射光波長為λ=5.5微米，光功率P=0.000lff/cm^2,厚度h從128微米到196微米間進行變化。
[0020]圖2表示的是衍射型微透鏡結構的示意圖。在建模中利用二維矩形構成臺階結構，再加以網格劃分，用於時域有限差分方法進行計算。其中根據光學原理，因為I與k參數的不同，而分為不同相位與波帶數的衍射型微透鏡。
[0021]圖3和圖4分別表示的是八相位結構、四相位結構、八相位兩波帶和無臺階結構這四種不同結構的量子效率和串音隨微透鏡厚度的變化曲線。
[0022]對於八相位結構，經過計算，在厚度165微米時，有最大的量子效率51.62%，該厚度的串音為5.07% ;而在厚度170微米時，有最小的串音4.96%。而解析理論計算的結果最佳聚焦厚度為193.5微米。期間差異的原因在於，首先最大的量子效率對應最大的光電流，即在擴散長度以內有最大的平均光生載流子產生率，而產生率又由光強所決定，八相位的結構就是為了將光會聚，更多的光子能夠被利用；其次光波在傳播過程中，伴隨著吸收(在矽中傳播時也有少量吸收)，當光波傳播到厚度為9.2微米的銻化銦η型區時(這個厚度由工藝決定，該值已經很小)，吸收取決於吸收長度Labs,此次計算中，Labs=2.89微米。在光剛進入η型區時，有最大的光生載流子濃度，然後隨著深入半導體材料的距離，濃度按指數衰減。雖然在離Ρ-η結區比較遠的地方有很多的少數載流子(η區為空穴)，但是這些載流子卻不能擴散到Ρ-η結區，即沒能產生電流，所以理論焦距d這個參考值比數值模擬的結果偏大。
[0023]量子效率隨著厚度的變化整體上是先上升在下降，厚度增加的過程中(從128微米到165微米)，由於八相位結構把光會聚在ρ-η結區的效果越來越明顯,從一開始濃度較低的光生載流子溢滿整個Ρ-η結區到其剛好充滿ρ-η結區，再到濃度較高的載流子集中在Ρ-η結區的中間位置 ，這個過程中量子效率一直處於增加過程，當厚度在增加的時候(165微米到196微米)，ρ_η結區的光生載流子濃度開始降低，集中區域也稍微增大。同時，串音隨著厚度的變化也是先上升在下降，這個主要由八相位臺階結構的會聚作用決定，會聚效果越好，則串音較低。
[0024]對於八相位雙波帶結構，量子效率比八相位低，串音較八相位高很多。因為第二個波帶採用了近似處理，最後用八相位結構逼近，可能由於這些處理，第二個波帶會聚效果不好。值得一提的是，該結構中最大光生載流子濃度較八相位結構中的最大光生載流子濃度大。
[0025]從量子效率上來看，八相位結構和四相位結構比上無臺階結構都有很大的提升，而八相位結構比四相位結構稍微高一點。從數據上看，八相位結構的量子效率是無臺階結構量子效率的1.35倍左右，這個數值並不高，這是由於.η區銻化銦襯底吸收了大量的光子，由於厚度較大(工藝限制)，大部分沒有能夠擴散到Ρ-η結區而沒能生成光電流，所以微透鏡陣列即使有很好的會聚效果，但是實際上大部分光生載流子的浪費，導致量子效率的提高大打折扣；從串音上看，八相位結構就有很大的優勢，這從側面上說明了八相位結構比四相位結構有較好的會聚作用。
【權利要求】
1.一種基於衍射型微透鏡優化紅外焦平面探測器的方法，其特徵在於包括如下步驟: 1).構建二維P+-on-n型銻化銦光伏探測器件模型，根據紅外焦平面探測器的光敏面長度為L，p區厚度為dp、硼摻雜濃度為Np，n區厚度為dn、砷摻雜濃度為Nn，同時P區和η區分別安裝電極以測量輸出電壓信號結構參數構建器件模型； 2).根據步驟I)中的結構參數設計不同結構的衍射型微透鏡結構的銻化銦光伏型探測器件；由於衍射型微透鏡的幾何結構完全可以用作為臺階結構定點位置的表面相位分布，以及作為整個透鏡本身的矽襯底的厚度決定，於是這裡考慮了相位數1、波帶數k，透鏡厚度h這三個關鍵參量； 3).構建物理模型:本數值模擬中利用了時域有限差分進行光學模擬和有限元數值方法進行電學模擬；光學模擬的基本方程是麥克斯韋方程組，得到的光場分布通過與材料電導率相關的理論方程可計算轉換為載流子產生率分布；電學模擬的基本方程是泊松方程、電子與空穴的連續性方程、電子輸運方程，之前得到的載流子產生率作為光響應加入方程；表面複合也可加入方程，包括SRH複合、Auger複合和輻射複合，同時還要考慮到載流子的熱效應、高場飽和效應，用有限元方法離散化聯立迭代求解，勢壘的隧穿效應為獨立方程，與上述方程自洽求解； 4).調節物理參數，使模擬環境溫度為T，外加波長為λ的入射光垂直照射到中間的單元的器件，光功率恆為P，由於採用的是背入射，所以入射光先經過衍射型微透鏡會聚再到ρ-η結區，由數值模擬可以得到量子效率和串音； 5).改變微透鏡的厚度h，重複步驟4)，得到不同微透鏡的厚度下量子效率和串音隨入射光波長變化的曲線； 6).對於不同結構衍射型微透鏡，重複步驟3)?步驟5)，可分別得到不同的相位數k、波帶數I類型的衍射型微透鏡在各自的不同微透鏡的厚度下量子效率和串音隨入射光波長變化的曲線； 7).對上述結果進行綜合分析，得到性能最優的結構和參數。
【文檔編號】H01L31/18GK103970933SQ201410121090
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年3月28日 優先權日:2014年3月28日
【發明者】胡偉達, 梁健, 白傑, 葉振華, 陳效雙, 陸衛 申請人:中國科學院上海技術物理研究所