填充因子是锑化铟红外探测器性能的一个重要限制因素。如图1所示，p型层的表面积与探测器总面积的比值为探测器的填充因子，台面结构间的距离实现了阵列p-n结间的光学和电学隔离，但限制了探测器的有效填充因子。为了降低功耗和整体成本，红外探测器向小像元方向发展，有效填充因子也随之进一步降低。减小台面的刻蚀深度和间距可以增大探测器的有效填充因子，但会使像元间的隔离变差，串音增大。台面型锑化铟红外焦平面探测器的制作工艺简单，量子效率高，但是填充因子较低且会随着像元尺寸的减小而进一步降低。减小台面腐蚀深度可以提高探测器的填充因子，但会增大串音。
图1 台面型InSb红外焦平面探测器的结构示意图
据麦姆斯咨询报道，近期，华北光电技术研究所的科研团队在《红外》期刊上发表了以“锑化铟红外探测器的微透镜阵列设计及试验”为主题的文章。该文章第一作者为谭启广，主要从事红外探测器及其相关技术的研究工作。
本文设计了一种复合微透镜阵列，以提高InSb红外焦平面探测器的填充因子，减小串音。在减薄后的锑化铟红外焦平面探测器表面上制作了20×20的微透镜阵列，并对其电学性能进行了测试。
为了获得高质量的微透镜阵列，并使其与制冷型锑化铟红外焦平面探测器相适应，采用光刻-腐蚀方法制作微透镜阵列。由于探测器工作在液氮温度下，不同材料的微透镜阵列在制作完成后粘接到探测器表面时，会引入热失配、可靠性等问题。因此，选用锑化铟材料作为基底来制备微透镜阵列。在探测器减薄时预留一定厚度的锑化铟，光刻出掩膜图形后通过刻蚀将其转移到锑化铟材料上。微透镜阵列直接在探测器表面制作完成。光刻工艺的对准精度较高，与探测器匹配的偏差小。湿法腐蚀工艺简单，产生的图形表面粗糙度低，且光刻-腐蚀工艺成熟，图形的一致性及均匀性较好。为了得到高曲率半径的微透镜阵列，需要提高腐蚀的钻蚀程度，所以采用了相应的表面处理工艺。
为了实现光的汇聚，我们设计了图2（a）所示的折射型微透镜阵列。在锑化铟红外焦平面探测器台面间设计了网状的凹透镜阵列，以将入射到台面间的光发散到台面中心。这样便可实现对光的汇聚作用，提高红外探测器的几何填充因子，从而减小光损失。汇聚后的光信号吸收位置更接近探测器的像元轴心，可减小光生载流子横向扩散到相邻像元的概率，从而减小串音；而且在网状凹透镜阵列中心设计了基底形状为方形的凸透镜阵列。相较于圆形基底的凸透镜，该设计可以更大限度地提高微透镜阵列的填充率，以收集大角度的入射光，从而提升红外探测器的几何填充因子并进一步减小串音。
图2 原理示意图：（a）基于微透镜阵列的锑化铟焦平面探测器；（b）小光点测试装置
图2（a）所示的复合微透镜阵列的制作过程如下：（1）在锑化铟表面光刻掩膜图案。将其作为氧化预处理的掩蔽膜，保护锑化铟其他区域及读出电路，并影响氧等离子体的氧化过程。（2）进行氧化预处理。在光刻后的带有正性光刻胶的锑化铟材料表面用氧等离子体处理，以加剧湿法腐蚀的钻蚀程度。（3）在去胶清洗后的锑化铟材料表面制作方形的腐蚀掩膜图案。在减薄后的锑化铟探测器背面光刻时，通过读出电路上的对准标记对准，光刻出与探测器像元一一对应的掩膜图形。（4）用湿法腐蚀工艺制作出上述凹透镜阵列与凸透镜阵列复合的微透镜阵列。方形光刻胶掩蔽膜限制了凸透镜的基底形状，相较于圆形填充率更高；掩蔽膜的尺寸限制了凸透镜阵列及凹透镜阵列的尺寸。
在制作过程中，表面处理工艺及光刻工艺步骤非常关键。表面处理过程加剧了锑化铟材料湿法腐蚀的钻蚀程度，设计的复合微透镜阵列结构得以成形，光刻工艺的对准精度和光刻胶对电路的保护保证了最终微透镜阵列的良好光学效果以及探测器混成芯片的正常工作。
串音测试采用小光点串音的测试方法（装置见图2（b））。黑体辐射经过光阑及透镜组汇聚到探测器表面，形成单位像素大小的光斑；测量该像元及相邻像元的信号，计算得到探测器的串音。图中1个红色像元为测试像元，4个黄色像元为相邻像元，相邻像元的串音为该像元的信号与测试像元信号的比值，测试像元的串音为四个相邻像元串音的均值。
用上述光刻及湿法腐蚀方法在锑化铟背面制作微透镜阵列，并用光学显微镜对其形貌进行了表征（结果见图3）。从图3（a）中可以看出，在100倍放大下，微透镜大小较一致，且颜色变化情况接近。这表明阵列间的微透镜尺寸及高度变化的一致性较好，制作的微透镜阵列具有较好的均匀性。在1000倍放大的光学显微镜图像中可以看到微透镜阵列的形貌，包括底面呈正方形、表面近似马鞍面的凸透镜及其四边填充的凹透镜。两种透镜共同构成复合微透镜阵列。从图3中也可看出，腐蚀的锑化铟表面较光亮，表明该方法制备的微透镜阵列的表面粗糙度较低。
图3 微透镜阵列显微镜图：（a） 100倍放大；（b） 1000倍放大
为了检验微透镜阵列的实际应用效果，我们在背面减薄后的锑化铟红外焦平面探测器的混成芯片表面制作微透镜阵列，并对器件的响应率和串音进行了表征。在试验过程中，我们只在部分区域制备了微透镜阵列，以对比集成微透镜阵列和未集成微透镜阵列情况下探测器的性能差异。图4所示为锑化铟焦平面探测器在集成微透镜阵列后光响应差异的部分数据。
将混成芯片封装到测试杜瓦中，进行响应率测试（结果见图4）。像元响应越高，灰度图的颜色越深。在左侧20×20像素区域表面制作了微透镜阵列。右侧20×20像素区域表面无微透镜阵列，探测器无微透阵列区域的响应均值为210 mV，有微透镜阵列区域的响应均值为172 mV。响应率测量结果表明，微透镜阵列使探测器的响应率提高了22%。通过小光点测试测量了探测器的串音:无微透镜阵列区域为4.91%，有微透镜阵列区域为3.64%，微透镜阵列使得探测器的串音降低1.27%（占比26%）。
图4 锑化铟焦平面探测器的响应灰度图
该微透镜阵列的制作工艺简单，与探测器制作工艺相兼容。得到的微透镜阵列的均匀性较好。直接在探测器背面用锑化铟材料制成，耦合精度高，不存在由于其他材料微透镜阵列与探测器材料不同引起的热失配、光吸收损失和低温可靠性等问题。
本文设计并制作了一种用于锑化铟红外焦平面探测器的微透镜阵列，以提高探测光的汇聚效果。测量结果显示，制备有微透镜阵列区域的锑化铟红外探测器的光响应提高，串音降低。这种复合微透镜阵列在探测器表面直接制备，不存在集成微透镜阵列过程中引入的可靠性、对准偏差等问题。通过表面处理加剧了锑化铟腐蚀中的钻蚀，然后通过光刻腐蚀工艺制备，形成的微透镜阵列较好地兼顾了填充率、表面粗糙度以及尺寸均匀性的要求。其制作工艺简单，适用于批量化生产。后续可以继续增大微透镜阵列的曲率及面阵规模，提高微透镜阵列的汇聚效果，将其应用于更大面阵规模的锑化铟红外探测器。
DOI: 10.3969/j.issn.1672-8785.2023.09.004
《光谱成像市场和趋势-2022版》
