中波红外光谱可识别探测器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及中波红外探测器，具体指一种分光与探测一体化、具有光谱识别能力的中波红外波段探测器。
【背景技术】
[0002]中波红外是三个主要的红外“大气窗口”之一，很多与我们生活紧密相关的重要气体在中波红外大气窗口都有明显的特征吸收峰，通过分析检测这些特征吸收峰，人们可以确定某种气体的含量变化，以二氧化碳和甲烷为例:二氧化碳是大气中除水蒸气外浓度最高的一种温室气体，它的红外吸收带正好处于地气系统长波辐射最强的波段，其浓度的增加将显著地减小地面向空间反射红外辐射能量，从而影响地气系统的辐射平衡，造成全球气候的变化。因此，为了了解全球气候变化，常常需要实时监测二氧化碳浓度的变化；而甲烷是当今社会中广泛应用的一种气体，是瓦斯的主要成分，人们在利用它获取方便的同时，也被它的危险性所困扰。甲烷易燃易爆，它的爆炸下限为5%，上限为15%。同时它也是一种温室气体，其红外吸收能力是二氧化碳的15?30倍，因此由于工业安全检测和环境的需要，在矿井等甲烷富集的地方人们通常需要对甲烷含量进行实时快速的监测。
[0003]除此之外，中波红外在航天、气象、遥感、安全监测等领域也有着广泛而重要的应用，在空间探测和高速武器平台中也越来越多地采用中波红外光谱仪器。而由于上述空间、野外、水下、现场应用环境复杂，对体积、重量、抗振性能和可靠性等方面都有特殊要求和严格的限制，实验室传统的大型精密光谱仪器无法满足上述特殊要求。
[0004]为了适应这些特殊环境的应用，必须实现光谱仪器的微小型化、便携化，提高光谱仪器的稳定性和可靠性，为此人们一直在寻找有效的解决途径。
[0005]现有的探测器阵列都是对特定光谱波段进行探测的，探测器本身对所响应波段内所有波长的光都有响应，没有光谱识别能力，无法区分不同波长的光。因此，在传统的中波红外光谱仪中，通常需要先将探测光通过光栅或棱镜进行分光后使不同波长的单色光到达探测器的不同像元上，经过定标来确定哪个像元对应哪个波长，从而形成光谱信号。虽然通过探测器与光栅和棱镜等分光方式结合的方法可以识别光谱，且能进行全谱扫描，分辨率高，但这两种光谱识别方式是通过光栅或棱镜的色散分光，分辨率越高，要求的总光程就越长，因此不可避免地需要增大光谱仪的体积；而且都涉及机械传动装置，不仅限制了信息读出的速度，还大大降低了仪器的抗振性能和可靠性。而中波红外波段更常见的是傅立叶变换光谱仪，它通过迈克尔逊干涉仪的动镜扫描，然后通过傅立叶变换来获取光谱信息，动镜扫描是非常精密的移动机械装置，光谱分辨率越高就要求动镜的移动扫描距离越长，因此需要相当大的体积，而且抗震性能差，只适合于实验室等固定场合的大型精密仪器使用。
[0006]二十世纪八十年代发展起来的微型滤光片阵列技术给解决这个问题带来新的思路，如果将微型滤光片阵列与探测器阵列结合起来，则可以构成自带光谱识别能力的探测器，这将大大地简化光谱仪器的分光系统，提高仪器的可靠性、稳定性和光学效率，同时极大地减小仪器的体积。传统的微型滤光片阵列是将加工好的不同波段滤光片，通过拼接粘合的方式粘到探测器的光敏面一侧，以代替光栅或棱镜进行分光，进而达到减小体积、提高稳定性的效果。这些方法在减小体积和提高可靠性等方面效果显著，但仍然存在着一些不足:
[0007]1、由于滤光片与探测器通过粘合剂粘合，滤光片与探测器相隔一定距离，若光以一定角度穿过滤光片照射到探测器上时会出现一定的串扰，影响对信号分析的准确度；
[0008]2、所用粘合剂粘合的方式虽然稳定性不错，但是在复杂的空间环境下存在变质脱落的隐患，可能使探测器失效，降低光谱可识别探测器的寿命；
[0009]3、粘合所用的对准方式为光学显微镜对准，滤光片阵列与探测器像素之间的对准精度不够高，难以完全对准，因此会牺牲掉部分像元。
[0010]集成滤光片是我们所提出比滤光片阵列更进一步的分光方式，它是将各个不同窄带透过通道的滤光片单片集成起来的一种新型分光方式，消除了滤光片阵列不同单元拼接的困难与无法进一步集成的问题，如果能将集成滤光片通过半导体工艺直接做到探测器上，就能解决滤光片阵列与探测器像素之间对准精度不够高的不足，消除光谱串扰，形成体积最小、重量最轻、可靠性最高的光谱可识别探测器。
【发明内容】
[0011]为了克服传统光栅/棱镜光谱仪体积大、可靠性不高，拼接滤光片/集成滤光片与探测器构成光谱探测组件的串扰与对准等不足，本发明提出了一种分光与探测一体化、本身就具备光谱识别能力的中波红外探测器。
[0012]如图1所示，中波红外光谱可识别探测器由中波红外探测器1、衬底2与窄带滤光片阵列3单片集成，同时具备分光与探测功能，使用时被探测光经过滤光片阵列后到达探测器光敏面时，不同通道滤光片对应的像元就只能对相应通道波长的光有响应和探测，因此本身具备了光谱识别能力，可直接作为微型光谱仪使用，无需额外的光栅或棱镜等分光器件，也消除了拼接滤光片/集成滤光片与探测器构成光谱探测组件的不足。中波红外光谱可识别探测器结构包括衬底减薄的面阵中波红外波段探测器1，以及直接生长在探测器衬底2上与探测器像元精确对准的不同光谱通道的窄带滤光片阵列3。
[0013]本发明所述的中波红外波段探测器1，可以碲镉汞、量子阱或者II类超晶格，采用背照式或正入射式工作方式的红外探测器阵列。本发明中将以InAs/GaSb II类超晶格背照式探测器作为例予以说明，但不限于InAs/GaSb II类超晶格背照式探测器。
[0014]本发明所述的窄带滤光片阵列3是基于F-P干涉原理，上下为介质高反膜系，中间是不同厚度的谐振腔阵列302，在探测器上与之结合的是下反射膜系301，在下反射膜系上面通过组合刻蚀或组合镀膜的光学薄膜工艺和半导体工艺来获取不同的谐振腔厚度，在不同厚度的谐振腔阵列302上面是滤光片的上反射膜系303，每个厚度的谐振腔与上下高反膜系构成了一个带通峰位不同的微型窄带滤光片，并且滤光片单元与探测器上一定数量的像元对应，也可以--对应，每个滤光片单元所对应的探测器像元就只能接收到透过该滤光片带通的光，因此，与不同滤光片单元对应的探测器像元就只能响应不同波长的光，从而形成了光谱可识别探测器，可以同时获取不同波长的光响应信号。
[0015]与现有技术相比，本发明所具有的优点在于:
[0016]结构最简单、最牢靠。由于分光器件与探测器单片集成，使探测器本身具备了光谱识别能力，无需额外的分光系统，可大幅简化光谱仪器的结构和减小体积与重量；同时，由于不需要将分光器件与探测器粘合，极大地提高了光谱仪器的稳定性和可靠性，尤其适合于空间、野外和现场检测等微小型光谱仪器中的应用；
[0017]能同时实现各个通道的光谱信号探测，无需进行光谱扫描，大幅节省了探测时间；
[0018]由于分光器件直接生长在探测器光敏面上，避免了由于集成滤光片贴在探测器窗口上时滤光片与探测器光敏面之间仍然存在一定距离时造成不同光谱通道间的串扰；
[0019]探测器像元与滤光片阵列采用光刻套刻技术，分光与探测之间的像元可完全匹配，解决了传统分光与探测分立的配准难题。
【附图说明】
[0020]图1所示为本发明32通道中波红外波段光谱可识别探测器的结构示意图，图(a)为中波红外光谱探测器截面图，图(b)为中波红外光谱探测器俯视图。
[0021]图2所不为InAs/GaSb II类超晶格探测器结构不意图。
[0022]图3所示为组合刻蚀或组合镀膜法所用的掩膜板示意图。
[0023]图4所示为中波红外波段针对二氧化碳4?4.6 μ m吸收带的32通道的光谱探测器各通道透射谱。
[0024]图5所示为中波红外波段针对甲烷气体在3.31 μ m吸收带的32通道光谱探测器各通道透射谱。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】进行详细说明，如图1所示，本发明的结构为GaSb衬底1，生长于衬底I上的InAs/GaSb II类超晶格中波红外探测器2，在衬底背面通过组合刻蚀技术生长在中波红外探测器上的窄带滤光片阵列3。
[0026]其中中波红外探测器的选择不限于InAs/GaSb II类超晶格探测器，可以是响应范围处于中波红外波段的任意材料、任意结构的探测器。
[0027]所选滤光片结构为(LH)s (xL) (HL)