CN101949836B

CN101949836B - 一种热辐射红外发射和探测集成器件

Info

Publication number: CN101949836B
Application number: CN 201010262500
Authority: CN
Inventors: 赖建军; 叶红
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2010-08-25
Filing date: 2010-08-25
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2030-08-25
Also published as: CN101949836A

Abstract

本发明公开了一种热辐射红外发射和探测集成器件，其结构为：带衬底绝缘层的硅衬底上开有至少一个热隔离空腔，热隔离空腔上悬浮有相邻并排设置的至少一个发射单元和至少一个探测单元，发射单元通过至少二条支撑臂与硅衬底相连，探测单元通过至少二条支撑臂与硅衬底相连。发射单元包括由下至上叠置的第一绝缘层、非金属导电层、第一介质层和第一表面导电层；探测单元包括由下至上叠置的第二绝缘层、金属导电层、隔离层、红外敏感层和光子晶体微结构层。该集成器件具有结构简单、高温稳定和波长可调的优点，并且可以获得比发射单元波长谱宽更窄的窄带吸收探测。本发明的集成器件可以用于红外气体传感器和红外光谱仪。

Description

一种热辐射红外发射和探测集成器件

技术领域

本发明属于辐射产生和探测技术，涉及热辐射产生的红外发射器件和红外辐射的探测器件，特别是采用微机电系统(MEMS)技术制作的具有高温窄带热红外发射单元和热辐射探测单元的集成器件。

背景技术

非色散红外(NDIR)气体传感器利用气体的红外特征吸收进行气体测量。其原理是基于Lambert Beer定律，即若对两个分子以上的气体照射红外光，则分子的动能发生变化，吸收特定波长光，这种特定波长光是由分子结构决定的，由该吸收频谱判别分子种类，由吸收的强弱可测得气体浓度。相比于其他种类的气体传感器如半导体气体传感器和电化学气体传感器，具有精度高、选择性强、寿命长、气体和器件非接触的优点，但是其缺点是成本高，普及应用受到限制。成本高的原因主要是红外气体传感器是由红外光发射源、窄带滤光片和红外光探测器等需要采用不同的技术制作封装的分离部件组装而成，而每个部件的成本都比较高。另外采用分离器件组装的方法也导致传感器的体积和重量较大，不能实现微小型化和阵列化，同时功耗高，可靠性低。

实现低功耗、低成本和阵列化的一个方法是采用微加工技术如MEMS技术，将光学结构、机械结构和电路制作在同一芯片上。对于窄带红外发射和探测器件，采用MEMS技术制作发射单元和探测单元时可以直接在发射表面和红外接收表面制作微结构，调制发射谱和吸收谱分布。美国喷气推进实验室(JPL)和Ion-Optics公司合作开发了一种MEMS红外光源和微测辐射热计集成CO₂气体探测芯片这种集成芯片的红外源为微桥型的薄膜硅细丝组成，硅细丝表面具有光子晶体结构，当硅丝加热时光子晶体对热辐射进行调制，得到窄谱红外热辐射，峰值辐射波长由光子晶体的结构尺寸决定，通过调整结构参数，就可以得到不同峰值的辐射波长，同时红外源还可以工作在探测状态。美国专利文献US7119337公开了这种集成发射探测芯片的制作和气体传感器应用实例。但是SenserChip的缺点在于硅薄膜发射源同时作为探测器使用，不能同时工作在最优的状态，为保证探测硅薄膜的红外探测性能，发射源只能工作在较低的温度(320℃左右)，此时硅材料具有最高的绝对值电阻温度系数(|TCR|～1％/℃)，高于此温度，|TCR|显著下降。采用这个较低的运行温度，导致发射源的辐射输出功率不高，为获得足够的辐射功率，需要采用较大的发射面积，导致芯片密度降低，从而增加成本。另外，虽然通过加热源表面制作光子晶体达到了窄带发射的目的，但是加工高深宽比二维光子晶体本身难度较大，且在高温下光子晶体结构会产生一定的形变，导致发射源中心波长漂移，而带宽加大。

美国专利申请US20070034978.A1提供了另一种具有光子带隙的多层结构来产生窄带红外发射或吸收的方法，其结构由底层半导体层、介质层和表面金属或类金属材料层组成，并在表面一层或往下的多层中制作周期微结构。由于发射特性受微结构图形的尺寸参数影响大，故该方法同样存在微结构加工精度和高温下表面微结构的形变引起的发射波长和谱宽的稳定性问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热辐射红外发射和探测集成器件，该集成器件具有结构简单、高温稳定和波长可调的优点，并且可以获得比发射单元波长谱宽更窄的窄带吸收探测。

本发明提供的一种热辐射红外发射和探测集成器件，其特征在于，带衬底绝缘层的硅衬底上开有至少一个热隔离空腔，热隔离空腔上悬浮有相邻并排设置的至少一个发射单元和至少一个探测单元，发射单元通过至少二条支撑臂与硅衬底相连，探测单元通过至少二条支撑臂与硅衬底相连；

发射单元包括由下至上叠置的第一绝缘层、非金属导电层、第一介质层和第一表面导电层；其中，非金属导电层的材料为TiN或ZrN，优选TiN，电阻率为100～800μΩ·cm，厚度为100～300nm；第一介质层为Si₃N₄、Si或Ge，优选Si、Ge高折射率材料，厚度为200～800nm；第一表面导电层厚度为10～100nm；

探测单元包括由下至上叠置的第二绝缘层、金属导电层、隔离层、红外敏感层和光子晶体微结构层；所述光子晶体微结构层以周期晶格形式排布在红外敏感层上，各个晶格为下至上叠置的第二介质层和第二表面导电层的二层结构，并且均为圆柱状。金属导电层的材料为Ag、Au、Ti、Al、Ni或P，隔离层为SiO₂或Si₃N₄，厚度为50～300nm；红外敏感层为热敏材料或热释电材料，厚度为50～300nm；第二介质层为SiO₂、Si₃N₄、硅、锗，厚度为200～800nm；第二表面导电层为Au、Pt、Ag、Ti、Al或Ni，厚度为50～300nm。

本发明是在同一衬底上相对独立的窄谱红外发射单元和探测单元的集成器件，可以分别优化发射和探测性能。发射单元采用以高温稳定非金属导电材料为基础的导电层/介质层/导电层(MDM)多层平板结构发射体代替传统的表面周期微结构发射体，减少因微结构加工精度和高温条件下微结构形变带来的发射波长漂移影响。这种多层平板结构的工作原理是通过在MDM激发表面等离极化激元(SPP)模式实现介质中的强窄谱发射或吸收，具有结构简单、高温稳定和波长可调的优点。而探测单元由于室温运行，不需要考虑高温的影响，故采用具有表面周期微结构的以金属导电层为基础的MDM结构，以获得比发射单元波长谱宽更窄的窄带吸收探测。具体而言，本发明的有益效果是：

(1)由于采用独立的发射和探测单元，发射单元的温度工作点和探测器的工作参数可以优化设置。发射源可以工作在更高的温度下从而采用较小面积的发射面积即可获得大的红外辐射输出；同时探测器可以采用高TCR的敏感材料，且探测器面积和电阻可以优化选取以获得最佳的辐射响应；

(2)发射单元采用多层平板结构和非金属导电陶瓷薄膜材料，相比传统的金属周期微结构制作工艺简单，还可以减轻高温下发射结构的热应力和热形变问题，维持发射中心波长的稳定。

(3)非金属导电陶瓷薄膜材料可通过制备工艺条件控制薄膜的电学和光学性质，增加了针对发射波长调节的自由度。

附图说明

图1是MDM结构的色散关系和不同的模式示意图；

图2是具有发射和探测单元的两单元集成器件俯视图；

图3是两单元集成器件的截面图；

图4是采用TiN作为导电层材料的发射单元的发射谱曲线；

图5是采用Ag作为导电层材料的探测单元对不同入射角红外辐射的吸收率曲线。

具体实施方式

本发明的窄带热红外发射和红外吸收集成器件的基本光学多层结构采用MDM结构，其中M代表金属或非金属导电化合物等导电层，D代表绝缘或半导体介质层，可以是一种或多种介质材料的组合层。其基本原理是当结构中的热激发辐射或外界入射辐射耦合激发了MDM中的SPP模式时，SPP模式将被约束在介质层D中，增强发射或吸收。MDM结构中的SPP模式可分为三种，对应于如图1所示MDM色散关系中的Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ曲线，图1中的ω_p和k_p分别为M中的等离子体频率和波矢，ω_SP为激发的SPP模式的频率。值得关注的是图1中的第Ⅰ类和第Ⅱ类曲线所代表的模式。第Ⅱ类的曲线由于处于空气光线之上，故当表面金属足够薄时外光线可直接从空气侧耦合到这种模式中，如果在介质层中存在吸收物质，则将大大增强对能够激发该模式的入射辐射的吸收；介质中的这种模式也可直接辐射到空气，增强了该耦合辐射模式的发射强度。第Ⅰ类模式由于处于空气光线之下，需要借助表面光栅或其他方式提供动量，才能使外入射辐射耦合到该模式中，或让该模式从空气侧辐射出去。本发明的发射单元和探测单元分别采用第Ⅱ类和第Ⅰ类模式，这是考虑到第Ⅱ类模式不需要表面光栅结构，不存在高温对光栅结构的影响；探测单元采用第Ⅰ类模式则是因为研究发现具有表面光栅的MDM结构支持更窄的吸收峰产生。在集成器件中，对发射源的发射波长带宽一般要求Δλ/λ＜0.5，而探测元的吸收波长带宽则要求Δλ/λ＜0.15，即探测元要求更窄的吸收谱宽。考虑到高温热应力问题，并针对这两种不同的谱宽要求，本发明采用基于非金属导电陶瓷薄膜的多层平板MDM结构构建热发射单元，而对探测元则采用基于金属材料的带有表面微纳周期结构的MDM结构实现。

本发明的典型实施例是采用窄带红外发射和探测集成器件构成两单元集成器件。如图2、3所示，集成器件的结构为：带有衬底绝缘层4的硅衬底1上开有热隔离空腔2，空腔2上悬浮有发射单元10和探测单元20，发射单元10通过至少2条支撑臂31与衬底相连，探测单元20通过至少2条支撑臂32与衬底相连，支撑臂31、32均具有减少热导损失的作用，同时也是将外电源向发射单元或探测单元进行电能传输的通道。发射单元10与探测单元20相邻并排设置。

发射单元10包括由下至上叠置的第一绝缘层41、非金属导电层12、第一介质层13和第一表面导电层14。其中，非金属导电层12的材料为TiN或ZrN，优选TiN，电阻率为100～800μΩ·cm，厚度为100～500nm；第一介质层13为Si₃N₄、Si或Ge，优选高折射率材料Si、Ge，厚度为200～600nm；第一表面导电层14厚度为10～100nm；

探测单元20包括由下至上叠置的第二绝缘层42、金属导电层22、隔离层23、红外敏感层24和光子晶体微结构层30。

光子晶体微结构层30以正方形或六角形等周期晶格形式排布在红外敏感层24上，各个晶格为下至上叠置的第二介质层25和第二表面导电层26的二层结构，并且均为圆柱状，晶格周期为Λ，圆柱直径为a。

金属导电层22为Ag、Au、Al、Ni、Ti或Pt。隔离层23为SiO₂或Si₃N₄，厚度为50～300nm。红外敏感层24可以是热敏材料或热释电材料，优选具有负电阻温度系数的氧化钒热敏材料，厚度为50～300nm。第二介质层25为SiO₂、Si₃N₄、硅、锗，优选高折射率红外透明材料硅或锗，厚度为200～800nm。第二表面导电层26为Ag、Au、Al、Ni、Ti或Pt，厚度为50～300nm。

第一、第二绝缘层41、42可以与衬底绝缘层4同时形成，只需在开设热隔离空腔2时将其保留下来，也可以分开制备。

热隔离空腔2可以贯穿或不贯穿整个衬底，可以各个发射单元10和探测单元20共用一个热隔离空腔2，也可以每个发射单元10或探测单元20各设置一个热隔离空腔2，或者其中几个单元共用一个热隔离空腔2。

上述多层结构的制作采用常规光刻和薄膜沉积技术即可完成，如薄膜沉积可采用磁控溅射、电子束蒸发等工艺，高精度组分可控薄膜如TiN和氧化钒薄膜的沉积可采用离子束反应溅射沉积技术，通过控制Ar、N₂或O₂的分压比以及离子束能量和束流来调制薄膜的电特性和光学特性。表面微结构的制作则可采用剥离工艺(lift-off)。产生悬浮结构的技术可采用硅的干法腐蚀或湿法腐蚀等MEMS工艺，使得硅衬底上在有多层结构的区域下方形成空腔。

窄带发射源的主发射波长为λ₀，带宽为Δλ₀，窄带探测元的主吸收波长为λ₁，带宽为Δλ₁，一般要求发射源和探测元的波长匹配，即探测元的吸收波长应落入发射源的带宽内，最好λ₁≈λ₀，且探测元的吸收锋带宽比发射源的发射带宽小，即Δλ₁＜Δλ₀。图4为采用电阻率为480μΩ·cm的TiN作为底部导电层和表面导电层材料的发射单元的典型发射谱曲线，中心发射波长为426μm，谱线宽度约为2μm，Δλ/λ＝0.48。另外，发射谱在发射角从0～50°的宽角度范围内都能保持发射峰位置的基本不变，只是在谱分布上有一定的展宽。在探测单元上也发现了这种规律。图5显示了采用Ag作为底层导电层和表面导电层材料时探测单元在不同入射角情况下的红外吸收率曲线。可见，本发明的发射和探测结构的峰值波长基本上与角度无关。

本实施例中不同单元尺寸参数下的器件性能见表1所示。

本发明的另外实施例还可以采用上述的发射单元和探测单元构成其他的多元集成结构，如在同一衬底上的一个热隔离空腔上并排放置一个发射单元和两个探测单元，或者在同一衬底上多个热隔离空腔上分别放置多个发射单元和多个探测单元，具体的位置根据实际应用需要设计而定。

在具有一个发射单元和两个探测单元的三单元集成器件中，基本光学结构与上述的两单元集成器件结构相同，只是改变探测单元的微结构周期Λ或圆柱直径a的尺寸，就可以产生不同的主吸收峰值波长，用于不同波长辐射的探测。一般，如果窄带发射单元的主发射波长为λ₀，带宽为Δλ₀，两个窄带探测单元的的主吸收波长分别为λ₁和λ₂，其带宽分别为Δλ₁和Δλ₂，则两个探测元的吸收峰值波长应落入发射波长的带宽内，即要求Δλ₁+Δλ₂＜Δλ₀，且λ₂-λ₁＜Δλ₀。三单元集成器件可用于采用探测和参考两通道的红外气体传感器中，其中一个窄谱探测单元的敏感波长作为某种气体的探测波长，另一个窄谱探测单元的敏感波长作为参比波长，这样可以消除环境温度和光源功率变化对测量的影响。

采用上述原理，可以集成更多的具有不同探测波长的探测元，构建在某一红外波段范围内的光谱线列探测器，用于红外光谱仪和光谱生化分析系统。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

表1

Claims

1.一种热辐射红外发射和探测集成器件，其特征在于，带衬底绝缘层(4)的硅衬底(1)上开有至少一个热隔离空腔(2)，热隔离空腔(2)上悬浮有相邻并排设置的至少一个发射单元(10)和至少一个探测单元(20)，发射单元(10)通过至少二条支撑臂(31)与硅衬底(1)相连，探测单元(20)通过另外的至少二条支撑臂(32)与硅衬底(1)相连；

发射单元(10)包括由下至上叠置的第一绝缘层(41)、非金属导电层(12)、第一介质层(13)和第一表面导电层(14)；其中，

非金属导电层(12)的材料为TiN或ZrN，电阻率为100～800μΩ·cm，厚度为100～300nm；第一介质层(13)为Si₃N₄、Si或Ge，厚度为200～800nm；第一表面导电层(14)厚度为10～100nm；

探测单元(20)包括由下至上叠置的第二绝缘层(42)、金属导电层(22)、隔离层(23)、红外敏感层(24)和光子晶体微结构层(30)；

所述光子晶体微结构层(30)以周期晶格形式排布在红外敏感层(24)上，各个晶格为下至上叠置的第二介质层(25)和第二表面导电层(26)的二层结构，并且均为圆柱状；

金属导电层(22)的材料为Ag、Au、Ti、Al、Ni或P，隔离层(23)为SiO₂或Si₃N₄，厚度为50～300nm；红外敏感层(24)为热敏材料或热释电材料，厚度为50～300nm；第二介质层(25)为SiO₂、Si₃N₄、硅、锗，厚度为200～800nm；第二表面导电层(26)为Au、Pt、Ag、Ti、Al或Ni，厚度为50～300nm。

2.根据权利要求1所述的热辐射红外发射和探测集成器件，其特征在于，第一介质层(13)和第二介质层(25)均为硅或锗。