紅外探測(cè)器已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，近年來(lái)，對(duì)紅外探測(cè)器的探測(cè)、識(shí)別能力提出了更高的要求，迫切需要紅外探測(cè)器進(jìn)行創(chuàng)新發(fā)展。隨著微電子工藝的快速進(jìn)步，使多種功能的芯片集成在紅外探測(cè)器上成為可能，也為紅外探測(cè)器進(jìn)行創(chuàng)新提供了基礎(chǔ)。將偏振探測(cè)的功能集成到碲鎘汞紅外探測(cè)器中，是提高碲鎘汞紅外探測(cè)器的識(shí)別能力、拓展其用途的一個(gè)發(fā)展方向。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，華北光電技術(shù)研究所的研究人員在《激光與紅外》期刊上發(fā)表了題為“長(zhǎng)波碲鎘汞集成偏振探測(cè)器的設(shè)計(jì)”的最新論文，本文介紹了偏振探測(cè)功能在長(zhǎng)波碲鎘汞探測(cè)器上的集成設(shè)計(jì)、相應(yīng)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證結(jié)果以及成像試驗(yàn)情況，這些工作的介紹為集成紅外探測(cè)器的開發(fā)提供了良好的借鑒。

集成碲鎘汞長(zhǎng)波320×256偏振探測(cè)器的設(shè)計(jì)

碲鎘汞長(zhǎng)波320×256探測(cè)器是在碲鋅鎘襯底上外延碲鎘汞薄膜，形成碲鎘汞芯片，然后碲鎘汞芯片與讀出電路通過(guò)銦柱互連后形成混成芯片，芯片的中心間距為30μｍ，紅外輻射從碲鋅鎘襯底背面入射。集成碲鎘汞長(zhǎng)波320×256偏振探測(cè)器是在碲鎘汞混成芯片的背面設(shè)計(jì)偏振結(jié)構(gòu)，如圖1所示，偏振結(jié)構(gòu)采用金屬線光柵，根據(jù)斯托克斯矢量，設(shè)計(jì)了0°、45°、90°、135°四個(gè)偏振態(tài)，四個(gè)偏振態(tài)周期排列，與長(zhǎng)波320×256混成芯片的像元一一對(duì)應(yīng)。

圖1 集成碲鎘汞偏振芯片示意圖

集成碲鎘汞長(zhǎng)波320×256偏振探測(cè)器組件的測(cè)試及成像

對(duì)集成碲鎘汞長(zhǎng)波320×256偏振探測(cè)器的偏振結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)及驗(yàn)證后，按照文中設(shè)計(jì)對(duì)已經(jīng)制備的碲鎘汞長(zhǎng)波320×256混成芯片進(jìn)行襯底減薄，減薄后采用磁控濺射設(shè)備進(jìn)行偏振光柵金屬層的生長(zhǎng)，然后進(jìn)行光刻、刻蝕工藝，制備出具有0°、45°、90°、135°四個(gè)不同偏振態(tài)的偏振光柵，如圖2所示，在掃描電鏡下觀察，偏振光柵的形貌、尺寸接近設(shè)計(jì)值。

圖2 掃描電鏡下觀察的LW320×256碲鎘汞集成偏振光柵

將制備的集成碲鎘汞長(zhǎng)波320×256偏振探測(cè)器芯片（如圖3）封裝為微杜瓦組件，在紅外探測(cè)器組件偏振測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試中所用的紅外起偏偏振器消光比為7000:1、在長(zhǎng)波段的透過(guò)率＞75％。

圖3 集成碲鎘汞長(zhǎng)波320×256偏振探測(cè)器實(shí)物圖

由于紅外集成偏振探測(cè)器組件加入了偏振結(jié)構(gòu)，輻射能量減小了50％以上，使探測(cè)器芯片的響應(yīng)變?nèi)?，在組件測(cè)試過(guò)程中，為了保證一定的信號(hào)強(qiáng)度，采取了加長(zhǎng)積分時(shí)間的方式。經(jīng)過(guò)測(cè)試，得到偏振探測(cè)器0°、45°、90°、135°四個(gè)偏振態(tài)的響應(yīng)曲線，如圖4所示，從響應(yīng)的幅度看，四個(gè)偏振態(tài)的響應(yīng)幅度有三個(gè)方向一樣，另外一個(gè)方向稍小，而從計(jì)算結(jié)果看，四個(gè)偏振態(tài)的消光比均可以達(dá)到70以上，說(shuō)明制備工藝相對(duì)較好。

圖4 集成碲鎘汞長(zhǎng)波320×256偏振組件四個(gè)偏振態(tài)響應(yīng)曲線

對(duì)制備的集成碲鎘汞長(zhǎng)波320×256偏振探測(cè)器組件進(jìn)行了成像演示試驗(yàn)，試驗(yàn)截取的圖像如圖5所示，圖像中間是一只透明玻璃杯，圖像左側(cè)是一個(gè)長(zhǎng)吊帶的獎(jiǎng)牌，從圖像中可以看出，雖然使用的試驗(yàn)芯片性能較差、圖像未經(jīng)去噪聲、融合等處理，但玻璃杯的外形輪廓非常明顯，長(zhǎng)吊帶的獎(jiǎng)牌中吊帶和獎(jiǎng)牌的紋路也可以簡(jiǎn)單識(shí)別出來(lái)，顯示了集成碲鎘汞長(zhǎng)波320×256偏振探測(cè)器對(duì)物體輪廓良好的識(shí)別效果，也驗(yàn)證了本文所介紹的設(shè)計(jì)方向是可行的。

圖5 集成碲鎘汞長(zhǎng)波320×256偏振探測(cè)器組件成像圖

結(jié)論

將偏振探測(cè)的功能集成到碲鎘汞紅外探測(cè)器中，是提高碲鎘汞紅外探測(cè)器的識(shí)別能力、拓展其用途的一個(gè)發(fā)展方向，本文介紹的集成碲鎘汞長(zhǎng)波320×256偏振探測(cè)器的設(shè)計(jì)，是開發(fā)此類探測(cè)器的一個(gè)初步的研制結(jié)果，設(shè)計(jì)中，采用以金、鉻為主的多種金屬材料設(shè)計(jì)偏振光柵，偏振光柵在長(zhǎng)波段的透過(guò)率可以超過(guò)75％、消光比可以達(dá)到上千的數(shù)值，偏振性能設(shè)計(jì)值非常好，但在實(shí)際驗(yàn)證的過(guò)程中，由于設(shè)備、工藝的限制，可實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)值大打折扣，后續(xù)需要在光柵金屬材料選擇、設(shè)計(jì)值的工藝實(shí)現(xiàn)方面做更多、更細(xì)致的工作，找到集成碲鎘汞長(zhǎng)波320×256偏振探測(cè)器設(shè)計(jì)的更優(yōu)結(jié)果，為用戶提供性能優(yōu)良的集成碲鎘汞紅外偏振探測(cè)器組件。

審核編輯 ：李倩