集成碲镉汞长波320×256偏振探测器的设计

红外探测器已经得到了广泛的应用，近年来，对红外探测器的探测、识别能力提出了更高的要求，迫切需要红外探测器进行创新发展。随着微电子工艺的快速进步，使多种功能的芯片集成在红外探测器上成为可能，也为红外探测器进行创新提供了基础。将偏振探测的功能集成到碲镉汞红外探测器中，是提高碲镉汞红外探测器的识别能力、拓展其用途的一个发展方向。

据麦姆斯咨询报道，近日，华北光电技术研究所的研究人员在《激光与红外》期刊上发表了题为“长波碲镉汞集成偏振探测器的设计”的最新论文，本文介绍了偏振探测功能在长波碲镉汞探测器上的集成设计、相应的设计验证结果以及成像试验情况，这些工作的介绍为集成红外探测器的开发提供了良好的借鉴。

集成碲镉汞长波320×256偏振探测器的设计

碲镉汞长波320×256探测器是在碲锌镉衬底上外延碲镉汞薄膜，形成碲镉汞芯片，然后碲镉汞芯片与读出电路通过铟柱互连后形成混成芯片，芯片的中心间距为30μｍ，红外辐射从碲锌镉衬底背面入射。集成碲镉汞长波320×256偏振探测器是在碲镉汞混成芯片的背面设计偏振结构，如图1所示，偏振结构采用金属线光栅，根据斯托克斯矢量，设计了0°、45°、90°、135°四个偏振态，四个偏振态周期排列，与长波320×256混成芯片的像元一一对应。

图1 集成碲镉汞偏振芯片示意图

集成碲镉汞长波320×256偏振探测器组件的测试及成像

对集成碲镉汞长波320×256偏振探测器的偏振结构进行了设计及验证后，按照文中设计对已经制备的碲镉汞长波320×256混成芯片进行衬底减薄，减薄后采用磁控溅射设备进行偏振光栅金属层的生长，然后进行光刻、刻蚀工艺，制备出具有0°、45°、90°、135°四个不同偏振态的偏振光栅，如图2所示，在扫描电镜下观察，偏振光栅的形貌、尺寸接近设计值。

图2 扫描电镜下观察的LW320×256碲镉汞集成偏振光栅

将制备的集成碲镉汞长波320×256偏振探测器芯片（如图3）封装为微杜瓦组件，在红外探测器组件偏振测试平台上进行测试，测试中所用的红外起偏偏振器消光比为7000:1、在长波段的透过率＞75％。

图3 集成碲镉汞长波320×256偏振探测器实物图

由于红外集成偏振探测器组件加入了偏振结构，辐射能量减小了50％以上，使探测器芯片的响应变弱，在组件测试过程中，为了保证一定的信号强度，采取了加长积分时间的方式。经过测试，得到偏振探测器0°、45°、90°、135°四个偏振态的响应曲线，如图4所示，从响应的幅度看，四个偏振态的响应幅度有三个方向一样，另外一个方向稍小，而从计算结果看，四个偏振态的消光比均可以达到70以上，说明制备工艺相对较好。

图4 集成碲镉汞长波320×256偏振组件四个偏振态响应曲线

对制备的集成碲镉汞长波320×256偏振探测器组件进行了成像演示试验，试验截取的图像如图5所示，图像中间是一只透明玻璃杯，图像左侧是一个长吊带的奖牌，从图像中可以看出，虽然使用的试验芯片性能较差、图像未经去噪声、融合等处理，但玻璃杯的外形轮廓非常明显，长吊带的奖牌中吊带和奖牌的纹路也可以简单识别出来，显示了集成碲镉汞长波320×256偏振探测器对物体轮廓良好的识别效果，也验证了本文所介绍的设计方向是可行的。

图5 集成碲镉汞长波320×256偏振探测器组件成像图

结论

将偏振探测的功能集成到碲镉汞红外探测器中，是提高碲镉汞红外探测器的识别能力、拓展其用途的一个发展方向，本文介绍的集成碲镉汞长波320×256偏振探测器的设计，是开发此类探测器的一个初步的研制结果，设计中，采用以金、铬为主的多种金属材料设计偏振光栅，偏振光栅在长波段的透过率可以超过75％、消光比可以达到上千的数值，偏振性能设计值非常好，但在实际验证的过程中，由于设备、工艺的限制，可实现的设计值大打折扣，后续需要在光栅金属材料选择、设计值的工艺实现方面做更多、更细致的工作，找到集成碲镉汞长波320×256偏振探测器设计的更优结果，为用户提供性能优良的集成碲镉汞红外偏振探测器组件。

审核编辑 ：李倩