可用于微光夜视领域的新型硅基近红外成像传感器芯片材料

Although Si-based image-sensor material has the advantages of mature manufacturing process, low cost, simple device structure, room-temperature work, and strong anti-environment ability compared with compound-semiconductor-based material, it is sensitive only in the visible region (<1.1μm), which seriously its applications in the infrared region. This project is aimed at improving Si-based sensor sensitivity and expanding its response to infrared region. Based on the fabrication process of new-type Si (black Si) material by traditional fs-laser, for the first time several light-absorption co-dopant ions and surface plasmon polariton excited in metal microstructure is utilized to fabricate black Si material with high-temperature stabilization and high sensitivity for the application in low-light night vision. By the successful investigation, this project could not only expand the market of Si-based image sensor from visible to infrared region in both military and civil fields, but also provide important technical supports for advance low-light night vision, airborne remote sensing, and laser guidance fields.

相比于非硅基成像传感器（例如InGaAs/HgCdTe材料），传统硅基成像传感器虽具有制造工艺成熟、成本低廉、器件结构简单、能室温下工作、抗环境能力强等众多非硅基成像传感器无法比拟的优点，但是它的感光区域主要集中于可见波段（<1.1μm），这严重限制了它在红外波段的应用。本项目以提高传统硅基成像传感器的灵敏度、展宽其在近红外波段的响应范围为目标，拟在已有的飞秒激光微加工制备新型硅基（黑硅）材料的基础上，首次提出利用多种吸光离子共掺杂和金属微结构中激发的表面等离子体激元，率先在国内研究出一种能够应用于微光夜视技术领域并具有高温稳定性的高灵敏黑硅近红外成像传感器芯片材料。该项目的成功研究不仅能大幅拓宽硅基成像传感器在军民两用领域的市场范围（即从原有的传统硅基可见成像传感器市场拓宽到近红外成像传感器市场），还能够为我国在先进微光夜视、航空航天侦察遥感、激光制导跟踪等领域的研究提供重要的技术支持。

相比于非硅基成像传感器（例如InGaAs/HgCdTe材料），传统硅基成像传感器虽具有制造工艺成熟、成本低廉、器件结构简单、能室温下工作、抗环境能力强等众多非硅基成像传感器无法比拟的优点，但是它的感光区域主要集中于可见波段（<1.1μm），这严重限制了它在红外波段的应用。本项目以提高传统硅基成像传感器的灵敏度、展宽其在近红外波段的响应范围为目标，对于新型硅基（黑硅）近红外成像传感器芯片材料的实现原理及制备工艺方法进行了研究，课题组完成了预期研究内容和目标。取得主要研究成果如下：开展了飞秒激光微纳加工技术制备黑硅光电材料的研究，研究了关键工艺参数对于黑硅掺杂、表面形貌等的影响，搭建了一套用于黑硅制备的飞秒激光加工平台，建立了一整套制备黑硅材料的方法；开展了黑硅材料近红外吸收特性机理的研究，进一步对于黑硅材料近红外吸收特性高温稳定性的问题进行探索，并研究了多种离子共掺杂对高温稳定性的影响，研制出了在500nm-2500nm波段内平均反射率为0.8%，吸收率为91.3%，并且具有800度高温稳定性的3英寸黑硅晶圆材料；开展了采用等离子激元局域特性的硅基近红外吸收拓展的研究，设计并制备了多种硅基微结构实现了硅基近红外吸收的拓展，并提出利用模式耦合激发获得高品质因数的多层槽状光栅结构设计方法；开展黑硅光电探测器制备工艺过程中的关键技术研究，成功试制了黑硅单管光电探测器，以及黑硅CMOS成像传感器的初样，通过探索黑硅探测器的制备工艺，研制出了NN+型黑硅探测器，其在400-1200nm波段内平均响应度为14.3 A/W，在1200-1500nm红外波段内的平均响应度为71mA/W，成功验证了黑硅芯片材料对近红外光的高灵敏探测。项目对于黑硅光电材料的近红外吸收的原理，关键制备工艺，器件制备技术进行了全面的探索，该研究展现了黑硅材料具有极佳的应用潜力。