CN102226719B

CN102226719B - 红外吸收结构及基于该结构的非致冷红外探测器

Info

Publication number: CN102226719B
Application number: CN 201110087562
Authority: CN
Inventors: 赖建军
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2011-04-08
Filing date: 2011-04-08
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2031-04-08
Also published as: CN102226719A

Abstract

本发明公开了一种红外吸收结构和基于该结构的非致冷红外探测器。这种结构由依次叠置的底部高电导率红外反射层、第一绝缘层、红外敏感层、第二绝缘层和表面结构层组成，其中表面结构层为采用非金属导电材料制作的具有二维周期分布的圆形或方形岛点阵。基于该结构易于通过选择合适的表面导电特性来设计具有一定谱宽的高红外吸收结构，同时获得宽角度红外响应。基于这种红外吸收结构的红外探测器具有低热质量和热隔离空腔高度不限的特点，且对红外辐射入射角度不敏感，可广泛应用于红外生化传感器、红外光谱仪、非致冷红外热像仪等领域。

Description

红外吸收结构及基于该结构的非致冷红外探测器

技术领域

本发明属于热辐射红外探测技术，特别涉及具有低热质量和宽角度高红外吸收率的多层红外吸收结构及基于该结构的非致冷红外探测器。

背景技术

非致冷红外探测器利用目标物体的热红外辐射进行目标探测。其原理是红外探测器光敏区吸收外界入射的热红外辐射使光敏元自身的温度升高。温度升高的光敏元将自身这种温度的变化转变为其属性的某种物理的、化学的或者电学特性的变化并且通过外接检测系统从而形成探测。相比于致冷型红外探测器，非致冷红外探测器具备价格低、体积小、重量轻，可室温下工作等优点。

为了获得在宽波段范围内的红外高灵敏和快速红外响应，非致冷红外探测器如热释电、热电偶及测辐射热计等通常采用不超过1微米厚度的低热质量悬浮多层膜热隔离结构，通过两条或多条支撑腿与硅衬底上的读出电路互连，此热隔离结构可以采用体硅工艺或表面硅工艺制作。由于悬浮的多层膜结构较薄，其红外吸收能力有限，通常还需要在悬浮的膜层上添加额外的红外吸收层如轻质量的多孔黑金膜，同时通过悬浮结构与衬底表面的金属反射膜形成λ/4谐振空腔来增强悬浮多层膜结构的红外吸收率。美国专利7268349B2公开了一种红外吸收结构，该结构由反射层、支撑层、红外敏感层、保护层、介质层以及半透明层组成λ/4谐振结构，可获得较高的红外吸收率，同时具有低热质量的特点。美国专利申请2007003497则提出了另一种具有表面金属光子晶体的红外发射或吸收结构，该结构由半导体层、介质层和表面金属周期结构层组成，该结构可以产生窄谱红外发射或吸收，用于红外气体传感器。

但是上述红外吸收技术存在以下问题：(1)黑金膜虽具有宽谱高吸收特性，但是其厚度一般要达到几至几十微米，另外，它与其他膜层的结合力差，图形化工艺困难；(2)λ/4谐振空腔虽可以在某波段实现高吸收，但是谐振腔结构的腔长控制和均匀性难以保证，特别是在牺牲层释放后腔体易于变形，且对入射角度有较强的依赖性；(3)包含金属、介质以及红外吸收层的λ/4谐振腔结构的红外吸收特性仍然对入射角度有较强的依赖性；

(4)表面金属光子晶体红外吸收结构只在很窄的谱段具有高吸收特性，不适合宽谱成像探测器件应用。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种红外吸收结构，该结构在长波波段(8～12微米)具有高吸收率，且对红外辐射入射角度不敏感，具有宽角度吸收特性；本发明还提供了基于该结构的非致冷红外探测器，该探测器消除了因腔长畸变引起的红外响应均匀性差的问题。

本发明提供的一种红外吸收结构，其特征在于，它包括逆着红外辐射的入射方向依次叠置的底部红外反射层，第一绝缘层，红外敏感层和表面结构层，其中表面结构层是由可调电导率薄膜材料组成的具有圆形或方形形状的岛状阵列结构，这种阵列结构按照二维矩形或六角形周期分布排列。

基于上述红外吸收结构的一种非致冷红外探测器，其特征在于，非致冷红外探测器依次包括硅衬底、支撑薄膜和红外吸收结构，支撑薄膜位于硅衬底的表面，支撑薄膜上制作有红外吸收结构，同时制作与红外敏感层直接相连的电源偏置和信号读出薄膜电极，该电极沿着支撑臂表面与硅衬底上的电接触点或电极焊盘相连；在红外吸收结构下方的硅衬底表面腐蚀出空腔，空腔上的支撑薄膜作为红外吸收结构的支撑层。

基于上述红外吸收结构的另一种非致冷红外探测器，其特征在于，在硅衬底表面制作有悬空的支撑层，支撑层与硅衬底之间形成热隔离空腔，在支撑层上制作有红外吸收结构，同时制作与红外敏感层直接相连的电源偏置和信号读出薄膜电极，该电极沿着支撑臂表面与硅衬底上的电接触点或电极焊盘相连。

本发明提供的非制冷红外探测器件中，红外吸收结构吸收入射红外辐射能量引起温度升高，导致敏感薄膜的电学参数如电阻、电极化强度等的改变，此电学参数的改变在探测电路中产生电压或电流变化，从而实现红外辐射的探测。

本发明的红外吸收结构在较宽的红外波段内可实现高吸收率(大于80％以上)且对红外辐射的入射角度不敏感。其红外吸收原理是：入射红外辐射被表面结构层耦合进入红外敏感层，并在表面和底部的高导电反射层之间形成强局域的红外表面等离子体耦合谐振模，导致谐振模式的增强吸收。由于这种模式的局域特性，故基于这种原理的红外吸收对入射角度不是很敏感，表现出宽角度吸收特性。具体而言，本发明的有益效果是：

(1)相比金属表面等离子体谐振吸收原理，导电化合物材料或掺杂半导体材料可以在宽范围内调节自由载流子浓度和导电特性，并将表面等离子体频率延伸到红外波段，这种可调节性易于通过工艺参数的调整实现，即可灵活改变表面等离子体激发波长，从而改变吸收谱段；

(2)本发明的红外吸收结构可在较宽的角度范围实现较宽谱段范围内的高红外吸收，辐射能量利用率高；

(3)基于本发明的红外吸收结构的非致冷探测器可以摒弃传统的λ/4谐振空腔结构，消除了因腔长畸变引起的红外响应均匀性差的问题。

附图说明

图1是一种红外吸收结构图；

图2是具有不同载流子浓度的ITO材料的介电常数；

图3是另一种红外吸收结构图；

图4是表面导电点阵结构贯穿到红外敏感层表面的吸收结构截面图；

图5是表面点阵以方形或六角形方式排布在结构表面的俯视图形；

图6是采用金属和ITO作为表面结构层材料时吸收结构的红外反射谱分布曲线；

图7是不同入射角度红外辐射照射下红外吸收器件的反射率分布曲线；

图8是在硅衬底上采用体硅工艺制作悬浮红外吸收结构的非致冷红外探测器；

图9是在硅衬底表面采用表面工艺制作悬浮红外吸收结构的非致冷红外探测器。

具体实施方式

下面给出本发明的红外吸收结构和探测器的详细描述。

如图1所示，本发明提供的一个典型的红外吸收结构包括逆着红外辐射的入射方向依次叠置的底部红外反射层11，第一绝缘层12，红外敏感层13和表面结构层14。红外辐射光束10从表面结构层14入射进入红外吸收结构。

底部红外反射层11可以是具有高电导率σ或低电阻率ρ(ρ＝1/σ)的金属材料，也可以是高电导率的金属化合物，或者高掺杂的半导体材料，高电导率是指电阻率≤10mΩ·cm，高掺杂是指自由载流子浓度≥1×10¹⁹cm^-3。金属材料如金、银或铝等，金属化合物如铟锡金属氧化物(ITO)、氧化钒或者金属氮化物(如TiN_x、ZrN_x)、掺杂半导体材料如掺杂硅、锗或GaAs等。

第一绝缘层12为氮化硅或二氧化硅；红外敏感层13为对红外热辐射响应的敏感薄膜材料，如非晶硅、氧化钒和热电薄膜等。

表面结构层14采用的薄膜材料为在中红外波段支持表面等离子体的金属氧化物、金属氮化物或掺杂半导体等可调电导率材料，其中金属氧化物为铟锡金属氧化物(ITO)或氧化钒(VO_x)，金属氮化物为氮化钛(TiN_x)等，掺杂半导体如高掺杂硅、锗或砷化镓等，其中优选ITO、TiN_x和高掺杂硅。众所周知，金属的自由载流子密度在10²³cm^-3量级，其电阻率在几～几十μΩ·cm，几乎不具有可调性，而其等离子频率在紫外和可见光范围。与金属不同，上述导电材料如金属氧化物、金属氮化物和掺杂半导体材料的载流子浓度可以通过制备工艺调整化学计量比或掺杂在1～3个数量级(10¹⁸～10²¹cm^-3)范围内调节，电阻率亦可在0.1～10mΩ·cm或更宽的范围内变化，因此其表面等离子体频率可从紫外延伸至红外波段。图2显示了ITO材料的载流子浓度从10²¹cm^-3降到10¹⁹cm^-3时，等离子体频率ω_p(满足介电常数实部ε_r(ω_p)＝0条件)从高能(短波)移到低能(长波)区域，因此可以在中红外波段激发表面等离子体。

另一种变化的红外吸收结构如图3所示，它是在图1的结构基础上在红外敏感层13和表面结构层14之间添加一个绝缘层，即第二绝缘层15。该绝缘层15采用折射率高于3的红外材料如硅或锗等，采用高折射率材料可以大大减小红外吸收层的厚度至0.8μm以下，同时还有减少器件热质量的作用。为进一步降低器件热质量，表面结构层14还可以贯穿到绝缘层15，如图4所示。

上述结构中的表面结构层14具有按照矩形或六角形排列的岛状点阵结构，每个岛的形状为圆形或方形。图5(a)和5(b)所示的示意图分别给出了圆形岛点阵以方形或六角形方式排布在结构表面的俯视图形。这种分布对偏振的依赖度小，可以获得比较高的入射辐射耦合效率。

对于长波红外热成像探测应用，频谱范围一般选择在大气红外透射窗口，如长波8～12μm，相对红外光谱吸收探测应用具有较宽的谱段。基于金属表面等离子体耦合吸收原理的红外吸收结构一般具有较窄的吸收谱，适于窄谱红外探测应用，但是不适合上述较宽谱段吸收探测应用。根据基尔霍夫定律，红外吸收谱等于1-发射谱(由于底部为高电导率厚反射层，故透射率为0)，故可通过反射谱分布确定吸收谱。图6比较了分别采用金属和掺锡氧化铟(ITO)作为表面结构层材料的红外反射谱分布，ITO的载流子浓度变化范围为10¹⁹～10²¹cm^-3。此时红外吸收结构的表面结构为方形分布圆形岛点阵，周期为3.8μm，圆形岛直径为1.7μm。可见，当ITO中的载流子浓度较低时(如5×10¹⁹cm^-3)，基于ITO的红外吸收结构具有较宽的吸收谱，可以满足较宽谱段探测要求。

本发明的红外吸收结构还具有宽角度响应特性。图7为ITO中的载流子浓度为5×10¹⁹cm^-3时红外吸收结构在入射角分别为0°、30°和50°时的红外反射谱分布。虽然随着角度的增加，主吸收波长向短波方向有稍许移动，但是由于具有较宽的发射带宽，故仍可涵盖一定的应用波长范围。

本发明的一个带有上述红外吸收结构的非致冷红外探测器的基本结构如图8所示。非致冷红外探测器依次包括硅衬底20、支撑薄膜21和红外吸收结构22，支撑薄膜21位于硅衬底20的表面，支撑薄膜21上制作红外吸收结构22，同时制作与红外敏感层直接相连的电源偏置和信号读出薄膜电极，该电极沿着支撑臂表面与硅衬底上的电接触点或电极焊盘相连(图中未画出)；然后通过体硅工艺在红外吸收结构22下方的硅衬底上腐蚀出空腔23，空腔23上的支撑薄膜作为支撑层，支撑层和红外吸收结构22构成悬空红外吸收探测结构。支撑薄膜21由低应力SiN_x膜或SiN_x与SiO₂的组合低应力膜构成。

由于红外吸收结构在某些波段具有大于80％的吸收率，在该波段使用时，可以不需在红外吸收层表面制作黑金膜，这样将减少工艺的复杂性和热质量，提高器件运行的稳定性和响应频率。

图9所示为采用表面工艺制作的带有悬浮红外吸收结构的非致冷红外探测器示意图。该探测器的结构为：在硅衬底30表面制作有悬空的支撑层31，支撑层31与衬底30之间形成热隔离空腔33。支撑层31由低应力SiN_x膜或SiNx与SiO₂的组合低应力膜构成，在支撑层31上制作有红外吸收结构32，同时制作与红外敏感层直接相连的电源偏置和信号读出薄膜电极，该电极沿着支撑臂表面与硅衬底上的电接触点或电极焊盘相连(图中未画出)。由于使用了新的红外吸机制，不需要在硅衬底表面制作金属反射膜来形成四分之一波长谐振空腔就可以在设计红外波段上获得高吸收率，省却了反射膜制备工艺，也无需控制空腔高度及其均匀性，故降低了工艺难度。

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。

Claims

1.一种红外吸收结构，其特征在于，它包括逆着红外辐射的入射方向依次叠置的底部红外反射层，第一绝缘层，红外敏感层和表面结构层，其中表面结构层是由可调电导率薄膜材料组成的具有圆形或方形形状的岛状阵列结构，这种阵列结构按照二维矩形或六角形周期分布排列，该表面结构层采用的薄膜材料为在中红外波段支持表面等离子体的金属氧化物、金属氮化物或掺杂半导体材料；

所述底部红外反射层为具有高电导率σ或低电阻率ρ的金属材料，或者为高电导率的金属化合物，或者为高掺杂的半导体材料。

2.一种权利要求1所述的红外吸收结构，其特征在于，在红外敏感层和表面结构层之间添加第二绝缘层。

3.一种权利要求2所述的红外吸收结构，其特征在于，第二绝缘层该绝缘层采用折射率高于3的红外材料。

4.一种基于权利要求1所述的红外吸收结构的非致冷红外探测器，其特征在于，非致冷红外探测器依次包括硅衬底、支撑薄膜和红外吸收结构，支撑薄膜位于硅衬底的表面，支撑薄膜上制作有红外吸收结构，同时制作与红外敏感层直接相连的电源偏置和信号读出薄膜电极，该电极沿着支撑臂表面与硅衬底上的电接触点或电极焊盘相连；在红外吸收结构下方的硅衬底表面腐蚀出空腔，空腔上的支撑薄膜作为红外吸收结构的支撑层。

5.一种基于权利要求1所述的红外吸收结构的非致冷红外探测器，其特征在于，在硅衬底表面制作有悬空的支撑层，支撑层与硅衬底之间形成热隔离空腔，在支撑层上制作有红外吸收结构，同时制作与红外敏感层直接相连的电源偏置和信号读出薄膜电极，该电极沿着支撑臂表面与硅衬底上的电接触点或电极焊盘相连。