CN100374832C - 室温铁电薄膜红外焦平面探测器的吸收层及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种室温铁电薄膜红外焦平面探测器的吸收层及制备方法，所说的吸收层是置在焦平面探测器的上电极层上的，或者是置在焦平面探测器的铁电薄膜上的钛与二氧化钛混合的多孔薄层。制备方法首先采用直流磁控溅射方法将金属Ti溅射铁电薄膜上或上电极层上，然后利用化学腐蚀的方法，将钛膜腐蚀成多孔态，目的是为了降低薄膜中自由电子密度，将其等离子吸收边调节到探测器应用的红外波长。薄膜多孔结构中高密度的表面态对入射进来的电磁波进一步吸收使之不同于通常金属。本发明的优点：与常规的金黑吸收层工艺相比，本吸收层制备工艺简单，可以通过光刻以及腐蚀或干法刻蚀等途径制备成分立灵敏元结构。
Description
技术领域
本发明涉及室温铁电薄膜红外焦平面探测器，具体是指探测器灵敏元表面的吸收层及制备方法。
背景技术
在室温铁电薄膜红外焦平面探测器的制备中，吸收层的制备工艺是一项关键技术。吸收层的作用是最大限度地吸收辐射到探测器灵敏元表面的红外光，将其转换成热并将热量传递给与其相邻的铁电薄膜，使其温度变化而形成热释电电流。因此不仅要求吸收层有尽可能高的吸收系数，还要求其热传导好。在已经成熟的铁电陶瓷材料红外探测器的设计制备中，采用简单的热蒸发制备的金黑是一种很好的吸收层材料，见“[R W Whatmore，Rep.Prog.Phys.49(1986)pp.1335-1386”。为了将金黑吸收层用于焦平面列阵中，Masaki Hirota等报道了一种将热蒸发的金黑层刻成图形的方法，但工艺过程复杂，见“Masaki Hirota andShinichi Morita，SPIE.Vol.3436，pp.623-634(1998)”。方块电阻与空间电磁波阻抗匹配的金属电极可以兼做对入射辐照波长无选择的吸收层，但吸收率不会高于50％，见“K.C.Liddiard，″Application of interferometric enhancement toself-absorbing thin film thermal IR detectors″，Infrared Phys.，vol.34，pp.379-387(1993)”。利用半透明电极与铁电薄膜介质层以及金属底电极形成共振腔结构，理论上对一特定波长吸收可达100％，但由于器件工艺的限制，从红外长波探测器光学吸收优化设计角度出发所需要的铁电薄膜厚度太厚，会与器件的其他性能指标发生矛盾，见林铁，博士论文，2005。因此在焦平面列阵光敏面上制备吸收层一直是铁电薄膜室温红外焦平面探测器制备技术的一项研究课题。文献报道镍铬(NiCr)可以作为焦平面探测器吸收层材料，但吸收率小于80％，见“S.Bauer，S.Bauer-Gogonea，W.Becker，R.Fitting，B.Ploss，and W.Ruppel，Sensors and Actuators A，vol.37-38，pp.497-501，1993.”。
发明内容
本发明的目的是提出一种可以克服上述已有技术存在的种种问题的室温铁电薄膜红外焦平面探测器的吸收层及吸收层制备方法。
本发明的目的是这样实现的，一种室温铁电薄膜红外焦平面探测器的吸收层，所述的室温铁电薄膜红外焦平面探测器，包括：衬底，在衬底上依次排列生长有隔热层、底电极、铁电薄膜和上电极。所述的吸收层是置在上电极层上的与上电极层牢固结合的钛与二氧化钛混合的多孔薄层。由于钛与二氧化钛混合的多孔薄层具有良好的导电性，因此该吸收层同时还可以作为上电极层。
所述的铁电薄膜是锆钛酸铅或钛酸锶钡。
一种室温铁电薄膜红外焦平面探测器吸收层的制备方法，具体步骤如下：
A.首先采用直流磁控溅射方法将金属Ti溅射在铁电薄膜上或上电极层上，厚度为400nm-1200nm；
B.然后按照器件图形要求采用常规的光刻方法，将光敏元以外的Ti膜腐蚀掉；
C.最后用含量为15-18％、温度为45-55℃的双氧水对生长的Ti薄膜层进行腐蚀，形成呈多孔结构的钛与二氧化钛混合膜层。
本发明是利用化学腐蚀的方法，将钛膜腐蚀成多孔态，目的是为了降低薄膜中自由电子密度，将其等离子吸收边调节到探测器应用的红外波长。薄膜多孔结构中高密度的表面态对入射进来的电磁波进一步吸收使之不同于通常金属。
本发明的优点：与常规的金黑吸收层工艺相比，本吸收层制备工艺简单，可以通过光刻以及腐蚀或干法刻蚀等途径制备成分立灵敏元结构。本发明的吸收层热容量小。
附图说明
图1为室温铁电薄膜红外焦平面探测器的结构示意图，a图为上电极层和吸收层分开的一种结构；b图为吸收层同时作为上电极层的一种结构。
图2为生长在Pt电极层上的吸收层的红外反射谱。
具体实施方式
下面以室温锆钛酸铅铁电薄膜红外焦平面探测器为实施例，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：
见图1，探测器包括：Si衬底1，在衬底上依次排列生长有多孔二氧化硅隔热层2、镍酸镧底电极层3、锆钛酸铅铁电薄膜4和Pt上电极层5。所述的吸收层6是置在上电极层上的与上电极层牢固结合的钛与二氧化钛混合的多孔薄层。
吸收层6是采用直流磁控溅射方法将金属Ti溅射在Pt电极层上，其厚度为400nm，溅射功率为1.27W/cm2，溅射速率为11.1nm/min。
然后按照器件光敏图形要求光刻，使用稀释的双氧水或干法刻蚀将光敏元以外的钛膜腐蚀掉。
最后用含量为18％、温度为50℃的双氧水对生长的Ti薄膜层进行腐蚀，腐蚀时间1分钟，Ti薄膜层就形成呈多孔结构的钛与二氧化钛混合膜层，该薄膜的反射光谱如图2。在2000cm-1到8000cm-1范围内出现干涉现象，这是由于Pt层上的多孔结构的钛与二氧化钛混合膜层上下两表面产生的干涉所致。考虑到衬底Pt的高反射率，可以认为样品的吸收主要由钛与二氧化钛混合薄膜层吸收。这样可以计算出，在2000cm-1到8000cm-1范围内的钛与二氧化钛混合薄膜层吸收率为85％-95％。说明该薄膜有很好的吸收特性。
如果在Pt电极层上溅射1200nm厚的Ti薄膜层，腐蚀时间要8分钟，Ti薄膜层才能形成呈多孔结构的钛与二氧化钛混合膜层，其吸收特性与400nm厚的Ti薄膜层基本相同。
另外，由于混合薄膜具有良好的导电能力，也可以直接生长在铁电探测器的铁电薄膜层之上，同时作为探测器的上电极层和吸收层。生长方法同上，只是省略了Pt层制备，如图1b所示。
Claims (4)
1.一种室温铁电薄膜红外焦平面探测器的吸收层，所述的室温铁电薄膜红外焦平面探测器，包括：衬底(1)，在衬底上依次排列生长有隔热层(2)、底电极层(3)、铁电薄膜(4)和上电极层(5)；其特征在于：
所述的吸收层是置在上电极层(5)上的与上电极层牢固结合的钛与二氧化钛混合的多孔薄层(6)。
2.一种室温铁电薄膜红外焦平面探测器的吸收层，所述的室温铁电薄膜红外焦平面探测器，包括：衬底(1)，在衬底上依次排列生长有隔热层(2)、底电极层(3)、铁电薄膜(4)；其特征在于：
所述的吸收层是置在铁电薄膜(4)上的与铁电薄膜牢固结合的钛与二氧化钛混合的多孔薄层(6)。
3.一种室温铁电薄膜红外焦平面探测器吸收层的制备方法，其特征在于具体步骤如下：
A.首先采用直流磁控溅射方法将金属Ti溅射在铁电薄膜上或上电极层上，厚度为400nm-1200nm；
B.然后按照器件图形要求采用常规的光刻方法，将光敏元以外的Ti薄膜层腐蚀掉；
C.最后用含量为15-18％、温度为45-55℃的双氧水对生长的Ti薄膜层进行腐蚀，使其形成呈多孔结构的钛与二氧化钛混合膜层。
4.根据权利要求1或2的一种室温铁电薄膜红外焦平面探测器的吸收层，其特征在于：所说的铁电薄膜为锆钛酸铅或钛酸锶钡。
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