[發明專利]一種覆蓋可見光波段和紅外波段的光電探測器

有效

• 申請號: 202110222735.9
• 申請日: 2021-02-26
• 公開（公告）號: CN112992863B
• 公開（公告）日: 2023-06-20
• 發明（設計）人: 李婷;唐磊;楊靚;時光;何杰;崔雙韜;張先嬈;徐晚成;李海松;張曼;曹天驕;袁昕
• 申請（專利權）人: 西安微電子技術研究所
• 主分類號: H01L23/538
• 分類號: H01L23/538;H01L31/02;H01L25/065;H01L27/144
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 陳翠蘭

本發明提供了一種覆蓋可見光波段和紅外波段的光電探測器，包括光電探測器本體，所述光電探測器本體包括靠近光線由頂至底設置的第一晶圓、第二晶圓和第三晶圓；所述第一晶圓、第二晶圓和第三晶圓依次疊加設置；所述第一晶圓上裝配有若干個可見光像元和讀出電路；所述第二晶圓上裝配有若干個紅外讀出電路；所述第三晶圓上裝配有若干個紅外像元陣列；第一晶圓與第二晶圓硅片鍵合設置，所述第三晶圓通過第一晶圓與第二晶圓硅片鍵合后互聯設置，實現可見光波段圖像和紅外波段圖像的探測，該光電探測器結構簡單，操作方便，便于在復雜的光照條件下進行成像，滿足星體追蹤，目標識別，深空探測等多領域的應用需求。

技術領域

本發明涉及寬譜段圖像探測器研制技術領域，具體為一種覆蓋可見光波段和紅外波段的光電探測器。

背景技術

傳統的CMOS圖像傳感器由于Si材料本身的限制，僅能探測波長350nm～1100nm范圍入射光線，在光能量的激發下產生光生電子，并通過讀出電路，輸出代表光明暗信息的，實現可見光探測。傳統的紅外探測器，采用紅外敏感材料如碲鎘汞等制備像元，利用CMOS工藝完成紅外讀出電路的制造，像元和紅外讀出電路通過銦柱實現像素級互聯，紅外探測器覆蓋的波長范圍為1000nm～3um。在對地觀測，目標跟蹤，微光夜視，星體導航等應用領域，由于成像光線環境復雜，波長范圍通常覆蓋350nm～3um，無法通過單一的紅外探測器或者可見光探測器實現全波段探測。光電探測具有位置固定性，特定角度的觀測僅能容納一種探測器觀測。因此，覆蓋350nm～3um全波段的光電探測器，對獲取全面光電信息具有重要意義。

在前照式圖像傳感器中，光子通過微透鏡到達襯底的光電二極管之前，需要穿過后道介質層。介質層約有2-3μm厚。一方面，雖然二氧化硅介質層相對可見光而言是透明的，但還是會吸收一部分能量，使得穿透介質層抵達硅片表面光電二極管的光子數減少。另一方面，2-3μm厚的后道介質層，是由多種淀積方式的多層二氧化硅薄膜累積而成的，勢必會有一部分光子在不同層之間的界面處被反射。對于前照式CMOS可見光圖像傳感器，頂視圖如圖1所示，側視圖如圖2所示，縱向剖面圖如圖3所示，位于光電二極管上方的介質層對入射光子有較強的吸收和反射作用，造成透射率低于80％。又由于光電二極管中的轉化效率以及傳輸晶體管的傳輸效率的損失，前照式像元的量子效率較低。

背照式與前照式最大的不同點就在于：前照式的光信號需要穿過后道工藝的介質層才能抵達光電二極管表面，光信號不可避免的在介質層中受到反射以及損耗；而背照式的光信號從背面直接抵達光電二極管，只要工藝處理得當，除了被反射一小部分，光信號幾乎全部抵達二極管中。背照工藝的流程為首先完成載有CIS器件像元及讀出電路的晶圓制造，然后將CIS晶圓與載片通過氧化物—氧化物鍵合工藝進行鍵合。兩片晶圓鍵合后要求界面處無氣泡與空洞，缺陷數量小于50，晶圓翹曲度小于50μm，高度差小于4μm將CIS晶圓減薄至2μm～5μm。減薄后晶圓不平整度要求在0.2μm以下，在減薄后的晶圓上生長高K介質，通過刻蝕工藝形成像元間的金屬隔離結構，通過刻蝕工藝形成CIS器件的壓焊區(PAD)的開窗，通過金屬淀積工藝形成壓焊區。如圖4所示為硅片-硅片鍵合，如圖5所示為鍵合后晶圓，如圖6為晶圓減薄形成背照式圖像傳感器。圖7為背照式圖像傳感器縱向剖面圖，背照式圖像傳感器可以探測波長范圍350nm～1μm的圖像信息。

由于硅對波長1μm～3μm的紅外波不敏感，因此，紅外探測材料為碲鎘汞等。由于硅基讀出電路具有功耗和面積開銷較小的特點，因此紅外器件的讀出電路制造于硅晶片上。紅外像元和讀出電路的信號溝通采用銦柱互聯方式，圖8所示為紅外像元和讀出電路互聯示意圖；圖9所示紅外探測器側視圖。圖10紅外探測器縱向剖面圖，紅外探測器可探測波長范圍1μm～3μm的圖像信息。

發明內容

針對現有技術中圖像傳感器探測波段范圍窄存在無法滿足復雜光照環境成像的問題，本發明提供一種覆蓋可見光波段和紅外波段的光電探測器，結構簡單，操作方便，便于在復雜的光照條件下進行成像，滿足星體追蹤，目標識別，深空探測等多領域的應用需求。

本發明是通過以下技術方案來實現：