多功能集成式极紫外探测芯片

本发明属于半导体光电器件，具体涉及多功能集成式极紫外探测芯片。

背景技术：

1、极紫外波段通常指波长范围在约10 nm至121 nm之间的电磁辐射，在极紫外光刻、空间天文观测、等离子体诊断以及同步辐射光束线监测等前沿科技领域具有重要且不可替代的应用价值。在上述应用场景中，一个完整的极紫外光学探测系统往往需要同时承担多项探测任务。以极紫外光刻系统为例，不仅需要对13.5 nm光源的输出功率和剂量进行实时监测，还需要对经多层膜反射镜传输后的光束偏振状态进行分析，以评估光学系统的保偏性能和成像对比度，同时还可能需要对特定波长的窄带辐射进行光谱纯度检测，以排除其他波段杂散光的干扰。在空间太阳物理观测中，同样要求同时获取日冕极紫外辐射的偏振信息、不同波段的宽带通量以及特定特征谱线的精细光谱轮廓。偏振测量、宽带光谱监测和窄带光谱分析的多样化探测需求在传统极紫外光学系统中必须由完全独立的多个功能模块分别承担。

2、传统方案通常采用分立的偏振分析模块、滤光选通模块和窄带分光模块，各模块后方分别配置独立的探测器，这种分立式的系统架构带来了多方面的复杂性。由于各功能模块需要独立的光学对准和机械装调，每一路探测通道都需要精确的光路设计和校准，以及配置相应的读出电路、信号传输线和数据采集通道，这显著增加了系统的装调难度和时间成本。整个探测系统的体积、重量和功耗因多路并行的架构而成倍增加，这对于空间载荷、集成化光刻设备等对体积和重量有严苛约束的应用场景而言，构成了显著的工程瓶颈。以极紫外光刻系统中的光源监测为例，为实现对13.5 nm光源的偏振状态、宽带功率和光谱纯度等多维度信息的同时获取，传统方案需要在光路中依次或分束设置多个功能模块，并配置相应数量的独立探测器及其读出电路。这首先导致前端分束带来的固有光通量折损，而在极紫外波段，高效分束器制备极为困难，且分束本身必然使每一支路的光子数密度显著下降，对于微弱信号探测尤为不利。其次，功能层与探测器之间的多个光学界面产生显著的反射损耗和吸收损耗，而极紫外光子在所有固体材料中均具有极强的吸收特性，界面损耗效应较可见光波段更为严重，导致系统整体光学效率成倍衰减。更为关键的是，各支路之间光路长度与探测器响应特性的固有差异，使得偏振、宽谱和窄谱三类信息的获取缺乏严格的时空同步性，在太阳物理观测和聚变等离子体诊断等涉及快速演化过程的研究中，这种不同步性构成了测量的局限性。

3、因此，将偏振分辨、宽谱响应和窄谱高灵敏度探测这三类功能集成于单一探测器芯片之上，通过阵列化设计在同一器件内并实现多维极紫外信息的同步获取，成为简化极紫外光学探测系统架构、降低系统复杂性、提升系统集成度和可靠性的迫切需求。然而，现有技术中尚未见能够实现上述多功能集成的极紫外阵列探测器件的报道，这一技术空白亟待填补。

技术实现思路

1、针对以上现有技术中存在的问题，本发明提供多功能集成式极紫外探测芯片。将传统方案中分散于多个独立支路的偏振分析、宽带滤波和窄带选通三大功能，通过阵列化设计与分区功能层制备技术，首次集成于同一芯片之上。不同的探测阵元按阵列排布，分别承担三类探测任务，以功能层和探测器一体化的集成逻辑替代了传统的功能层和探测器分离串联的分离逻辑。这一架构根本上规避了前端分束带来的光通量损失，消除了功能层与探测器之间多级光学界面的累积损耗，使得入射极紫外光子能够在同一器件内完成功能调制与光电转换的全过程，显著提升了检测系统的光利用率。本发明的阵列架构使得偏振、宽谱和窄谱三类信息的获取在空间上共位于同一芯片、在时间上既可同步响应又可独立响应，各阵元共享相同的器件结构，其光电响应特性具有本征的一致性，从而确保了多维极紫外信息获取的严格时空同步。这一特性对于太阳耀斑动态演化、激光等离子体瞬态辐射以及极紫外光刻脉冲光源的时间分辨监测等应用场景具有关键价值，突破了现有技术中因多支路光程差异和探测器分立而导致的同步性缺失瓶颈。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

3、本发明第一方面提供一种多功能集成式极紫外探测芯片，包括：

4、设置于极紫外探测器之上的多功能探测单元；

5、所述多功能探测单元包括以3×3阵列形式排布的九个探测阵元；

6、所述九个探测阵元划分为三个功能区：偏振探测区、宽谱极紫外探测区和窄谱极紫外探测区，每个功能区包含三个阵元；

7、所述偏振探测区的三个阵元上分别设置具有不同取向角度的纳米线光栅结构，用于同步获取入射极紫外光的偏振态信息；

8、所述宽谱极紫外探测区的三个阵元上分别设置具有不同光谱透过特性的滤光膜，用于同步获取入射极紫外光的宽谱通量信息；

9、所述窄谱极紫外探测区的三个阵元上分别设置具有不同中心波长的多层膜结构，用于同步获取入射极紫外光的窄带光谱信息；

10、所述九个探测阵元在同一时间基准下并行工作，实现对入射极紫外光的偏振特性、宽谱响应特性和窄谱光谱特性的同步探测。

11、进一步地，所述极紫外探测器的结构为pn结型或pin结型，制备极紫外探测器的半导体材料为硅（si）、碳化硅（sic）、氮化镓（gan）、氧化镓（ga2o3）、金刚石、氮化铝（aln）中的至少一种，所述半导体材料与透明电极构成肖特基异质结。

12、进一步地，所述偏振探测区中三个阵元的纳米线光栅的取向角度分别为0°、45°和90°，所述纳米线光栅的周期为10 nm至20 nm。

13、进一步地，所述宽谱极紫外探测区中三个阵元的滤光膜分别采用铝（al）膜、锆（zr）膜和钼（mo）膜，以覆盖不同波段的极紫外宽谱响应范围。

14、进一步地，所述窄谱极紫外探测区中三个阵元的多层膜分别采用mo/si多层膜、ni/si多层膜和si/c多层膜。

15、进一步地，所述九个探测阵元中各阵元为独立阳极电极、共享阴极电极。

16、进一步地，所述探测芯片在零偏压条件下工作，利用所述肖特基异质结的内建电场实现自供电光探测。

17、本发明第二方面提供一种上述的多功能集成式极紫外探测芯片的制备方法，包括以下步骤：

18、s1：提供半导体衬底；

19、s2：在所述衬底上通过掺杂不同元素形成p区和n区，或通过外延技术生长半导体外延层；

20、s3： 在所述半导体材料表面沉积透明电极；

21、s4：在所述半导体材料上形成阵元隔离结构，定义出3×3阵列排布的九个探测阵元；

22、s5：在所述衬底背面制备欧姆接触电极；

23、s6：在所述九个探测阵元上分区制备功能层：在偏振探测区的三个阵元上制备不同取向角度的纳米线光栅，在宽谱极紫外探测区的三个阵元上制备不同光谱透过特性的滤光膜，在窄谱极紫外探测区的三个阵元上制备不同中心波长的多层膜结构。

24、本发明第三方面提供一种极紫外探测系统，包括上述的多功能集成式极紫外探测芯片，以及与该芯片电连接的读出电路，用于在同一时间基准下同步获取入射极紫外光的偏振信息、宽谱通量信息和窄带光谱信息，从而简化极紫外测试光路的复杂度。

25、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

26、（1）本发明从根本上突破了传统极紫外探测系统中分立功能模块加独立探测器的分离式架构，首次将偏振分析、宽谱通量监测与窄带光谱分辨三种探测功能以3×3阵列的形式一体化集成于同一半导体芯片之上。这一集成化方案使得九个阵元能够在同一时间基准和同一空间基准下对入射极紫外光进行并行同步采样，从而彻底消除了传统方案因前端分束和多支路光程差异所导致的光通量损耗、时空同步性缺失以及多维信息空间对应关系模糊等固有缺陷。

27、（2）本发明功能层直接构建于探测阵元表面的一体化设计，省去了功能层与探测器之间的多级光学界面，显著提升了系统的光利用效率，尤其有利于微弱极紫外信号的探测。

28、（3）本发明以单一芯片替代了传统方案中由偏振器、滤光片、多层膜反射镜及多个独立探测器组成的复杂光路，大幅降低了极紫外测试系统的体积、重量与装调难度，为实现极紫外光学系统的小型化、轻量化与高性能化提供了关键的技术支撑。