[发明专利]一种集成亚波长结构的聚合物和纳米材料的InGaAs探测器

说明书

本发明公开了一种集成亚波长结构的聚合物和纳米材料的InGaAs探测器，从上至下其结构依次为：亚波长结构的聚合物和纳米材料、InP缓冲层、InGaAs吸收层、InP帽层、SiO₂介质层、光敏芯片铟柱、读出电路铟柱、读出电路。本发明的优点为：第一，通过集成高折射率的亚波长材料，能够进一步提升传统可见拓展InGaAs器件的量子效率；第二，相比传统增透膜材料，基于亚波长结构的聚合物和纳米材料具有高度的材料和结构调控性，此外具备高生产效率和更低的生产成本；第三，该亚波长结构能够降低探测系统复杂度及尺寸，并与探测器实现工艺兼容。

技术领域

本发明是关于一种探测器，具体是指一种集成亚波长结构的聚合物和纳米材料的InGaAs探测器，它能够实现可见到短波红外光的宽光谱响应。

背景技术

经典的铟镓砷探测器为PIN型的InP/In_0.53Ga_0.47As/InP结构，其在0.9-1.7μm波段内拥有良好的性能，使其在民用、航空航天等领域有广泛的应用性。然而在夜暗环境里的自然光，如月光、大气辉光、星光等夜天光，主要集中在0.4-1.7μm波段。为了实现InGaAs焦平面探测器在微光夜视成像中的应用，需要将光谱响应范围向可见波段进行拓展。由于InP衬底的吸收作用，抑制探测器在可见光波段的探测。通过衬底减薄工艺，可以使InGaAs探测器在可见-近红外波段获得响应。目前，可见拓展InGaAs探测器在可见波段的量子效率还普遍较低。因此需要一种新型结构的InGaAs探测器，能够在可见波段获得高的量子效率，以实现在微光探测等领域中的高质量宽光谱成像。

发明内容

针对现有InGaAs探测器在可见波段的低量子效率，本发明提出一种集成亚波长结构的聚合物和纳米材料的InGaAs探测器。采用亚波长结构的聚合物和纳米材料作为高性能增透层，能够提升当前InGaAs探测器在可见波段的探测性能。基于密尔共振等机制，这种亚波长结构的聚合物和纳米材料具有高的折射率，能够实现探测器吸收增强，因而优于传统的薄膜增透层。相比常用的金属亚波长结构，亚波长结构的聚合物和纳米材料能避免金属的本征吸收。此外，本发明在工艺上具有高度的材料结构调控性，及高的生产效率和更低的生产成本等优势。

本发明中，探测器结构示意图如图1所示，该器件是亚波长结构的聚合物和纳米材料1、InP缓冲层2、InGaAs本征吸收层3、InP帽层4、SiO₂介质层5、光敏芯片铟柱6、读出电路铟柱7和读出电路8。其中，亚波长结构是由微纳尺度的结构单元组成的阵列。本发明中的结构单元设计不局限于纳米柱，通过微纳工艺可使其具有纳米孔、纳米环、纳米环孔等多种结构。图2为传统的PIN型InGaAs探测器，其中InP缓冲层2较厚。集成亚波长结构的聚合物和纳米材料1制备在经过衬底减薄工艺的InP缓冲层上。

本发明所涉及的关键工艺步骤如附图3所示，1)取样清洗，2)减薄缓冲层2，3)沉积聚合物和纳米材料的混合物，4)图形化加工，5)刻蚀亚波长结构。具体工艺流程步骤如下：

1取样清洗，依次采用丙酮、乙醇、去离子水浸泡并清洗样品5～10分钟。

2采用机械抛光机和化学腐蚀法对InP衬底材料进行减薄，机械抛光机转速也为50～80rpm，减薄厚度为100～200微米，使用盐酸磷酸混合溶液进一步刻蚀InP缓冲材料，使其厚度最终为10～1000nm。

3采用机械搅拌和超声波分散将纳米材料和聚合物混合均匀。控制匀胶机转速在1000～8000rpm，使聚合物和纳米材料的混合物在InP表面形成连续薄膜，其厚度为0.05～5μm。

4采用微纳图形加工技术对样品进行掩膜层，使其具有周期性的微纳结构，使其具有单元排列周期为0.05～10μm。

5使用氧离子体刻蚀或者湿法化学刻蚀，获得所设计的亚波长结构阵列，并除去掩膜层。

本发明的优点在于：