CN104591076A - 一种基于纳米结构的红外光源芯片 - Google Patents

Abstract

一种基于纳米结构的红外光源芯片，涉及红外技术领域。设有衬底、支撑层、电加热层、纳米结构辐射层、金属电极；所述纳米结构辐射层采用紧密排列的多孔纳米结构，纳米结构辐射层覆盖在电加热层表面，纳米结构辐射层用于辐射红外射线，电加热层设于支撑层上方，电加热层用于对纳米结构辐射层传递热量；所述支撑层、电加热层、纳米结构辐射层均悬浮在衬底上方并形成悬浮桥面结构；衬底呈框架结构并为支撑层、电加热层、纳米结构辐射层提供支撑。采用紧密排列的纳米深孔薄膜结构作为辐射层辐射红外射线，采用电化学阳极氧化的方法制备纳米结构辐射层，通过控制反应时间可以控制孔径大小以及孔的深度。

Description

一种基于纳米结构的红外光源芯片

技术领域

本发明涉及红外技术领域，特别是一种基于纳米结构的红外光源芯片。

背景技术

红外技术在大气环境监测、工业生产安全及控制、信息通信等方面有着重要的应用价值。同时，它还用于目标跟踪和识别，广泛应用于军事领域。红外光源是红外技术应用的重要元件。目前，红外光源主要有红外发光二极管、红外激光器和热辐射红外光源。传统的热辐射光源如白炽灯，其电光转换效率低、调制特性差；而红外二极管的输出功率很低，限制了应用范围；红外激光器能够发射高强度窄带红外激光，但其制造成本高昂。利用微机电系统(MEMS)技术制作的MEMS红外光源可实现快调制特性，具有电光转化效率高、体积小、能耗低等特点，因此被广泛地工程化应用。MEMS红外光源表面红外发射率是光源性能的一个重要指标，但目前工程化应用的红外光源表面发射率基本都是灰体辐射(辐射率小于1)，如何制备出耐高温和抗氧化的黑体辐射表面(辐射率接近于1)，同时与MEMS工艺兼容的材料成为改善MEMS红外光源的当务之急。

中国专利CN103500788A公开一种可集成的纳米结构红外光源，利用MEMS/CMOS工艺，对非晶硅表面进行纳米修饰加工，形成锥状纳米结构，再对锥状纳米结构进行TiN镀层加工；最后采用正面XeF2释放技术，对硅衬底进行深硅刻蚀，分离窄带红外光源与硅衬底的接触，减小热量在硅丝欧姆发热过程中的损耗，提高光源的工作功率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于纳米结构的红外光源芯片。

本发明设有衬底、支撑层、电加热层、纳米结构辐射层、金属电极；

所述纳米结构辐射层采用紧密排列的多孔纳米结构，纳米结构辐射层覆盖在电加热层表面，纳米结构辐射层用于辐射红外射线，电加热层设于支撑层上方，电加热层用于对纳米结构辐射层传递热量；所述支撑层、电加热层、纳米结构辐射层均悬浮在衬底上方并形成悬浮桥面结构；衬底呈框架结构并为支撑层、电加热层、纳米结构辐射层提供支撑。

所述衬底可采用硅基衬底，所述硅基衬底可采用硅方形框架衬底，可利用微电子体硅加工技术在硅片上制备出中空的方形框架结构。

所述支撑层可采用薄膜支撑层，所述薄膜可以是硅薄膜、氧化硅薄膜、氮化硅薄膜、氧化硅与氮化硅复合薄膜等中的一种；支撑层主要与电加热层相连接，对电加热层提供一定的支撑。

所述电加热层可采用半导体材料电加热层或金属电阻丝电加热层；所述电加热层制作在支撑层的上方，采用物理或化学的方法沉积一层半导体薄膜做为电加热层，并对半导体材料进行掺杂，使其具有电阻加热特性，在掺杂后的半导体薄层上制备一层氧化硅或氮化硅作为保护；若采用金属电阻丝电加热层结构，则不需要掺杂处理，可直接通电加热；电加热层表面结构为紧密直立排列的纳米结构，纳米结构可以是纳米孔或纳米棒结构，其深径比(纳米孔深度与直径比)可为1～500。半导体材料可采用硅、多晶硅或各种金属氧化物半导体材料；金属氧化物半导体材料如：氧化铝，二氧化钛、二氧化锡、三氧化铁、氧化锌、氧化钨、氧化镍、氧化铜等。金属电阻丝的材料可采用铜、铂、铝、钛、钨等金属。

所述纳米结构辐射层可采用金属氧化物薄层，其表面为紧密排列纳米多孔或纳米棒的金属氧化物纳米结构，纳米结构辐射层的制作材料可采用钛(Ti)、钒(V)、铌(Nb)、钨(W)、钼(Mo)、钽(Ta)、锆(Zr)、铪(Hf)等过渡金属形成的金属氧化物半导体。制备方法可以为电化学阳极氧化、模板合成法或水热合成法等。在本发明中主要选用纳米深孔结构作为辐射层，当然也可以采用紧密排列的纳米棒结构，在这里以纳米深孔结构的制作作为说明。先采用物理或化学的方法在电加热层上方制作一层金属层，再通过电化学的方法在表面制备出紧密排列的深孔纳米结构的金属氧化物薄层。

所述电极可采用物理方法制作在电加热层的两端，电极可采用金电极、铂电极或铝电极等。

在本发明中，采用紧密排列的纳米深孔薄膜结构作为辐射层辐射红外射线，采用电化学阳极氧化的方法制备纳米结构辐射层，通过控制反应时间就可以控制孔径大小以及孔的深度。

附图说明

图1为本发明实施例的俯视结构示意图。

图2为图1的A-A剖面示意图。

具体实施方式

以下实施例以金属钛和多晶硅材料为例结合附图对本发明作进一步的说明。

参见图1和2，本发明实施例设有衬底1、支撑层2、电加热层3、纳米结构辐射层4、金属电极5。

所述纳米结构辐射层4采用紧密排列的多孔纳米结构，纳米结构辐射层4覆盖在电加热层3表面，纳米结构辐射层4用于辐射红外射线，电加热层3设于支撑层2上方，电加热层3用于对纳米结构辐射层4传递热量；所述支撑层2、电加热层3、纳米结构辐射层4均悬浮在衬底1上方并形成悬浮桥面结构；衬底1呈框架结构并为支撑层2、电加热层3、纳米结构辐射层4提供支撑。

所述衬底1可采用硅基衬底，所述硅基衬底可采用硅方形框架衬底，可利用微电子体硅加工技术在硅片上制备出中空的方形框架结构。

所述支撑层2可采用薄膜支撑层，所述薄膜可以是硅薄膜、氧化硅薄膜、氮化硅薄膜、氧化硅与氮化硅复合薄膜等中的一种；支撑层主要与电加热层相连接，对电加热层提供一定的支撑。

所述电加热层3可采用半导体材料电加热层或金属电阻丝电加热层；所述电加热层3制作在支撑层的上方，采用物理或化学的方法沉积一层半导体薄膜做为电加热层，并对半导体材料进行掺杂，使其具有电阻加热特性，在掺杂后的半导体薄层上制备一层氧化硅或氮化硅作为保护；若采用金属电阻丝结构则不需要掺杂处理，可直接通电加热。

所述纳米结构辐射层4可采用金属氧化物薄层，其表面为紧密排列纳米多孔或纳米棒的金属氧化物纳米结构，纳米结构辐射层4的制作材料可采用钛(Ti)、钒(V)、铌(Nb)、钨(W)、钼(Mo)、钽(Ta)、锆(Zr)、铪(Hf)等过渡金属。在本发明中主要选用纳米深孔结构作为辐射层，当然也可以采用紧密排列的纳米棒结构，在这里以纳米深孔结构的制作作为说明。先采用物理或化学的方法在电加热层3上方制作一层金属层，再通过电化学的方法在表面制备出紧密排列的深孔纳米结构的金属氧化物薄层。

所述电极5可采用物理方法制作在电加热层3的两端，电极可采用金电极、铂电极或铝电极等。

本发明选用金属钛(Ti)作为纳米结构辐射层的制作材料，并使用掺杂的多晶硅制作电加热层3。在本发明中，采用紧密排列的纳米深孔薄膜结构作为辐射层4辐射红外射线.采用电化学阳极氧化的方法制备纳米结构辐射层4，通过控制反应时间就可以控制孔径大小以及孔的深度。

以下给出具体实施方式如下：

1、将硅片按照标准清洗处理；

2、以清洗处理后的硅片制作支撑层2：在硅片上沉积一层氧化硅薄层，接着在其上面再沉积一层氮化硅，形成一层复合型的薄膜结构，其厚度在100nm至5μm之间。

3、制备电加热层3；

电加热层采用物理或化学的方法在支撑层的上面沉积一层多晶硅，多晶硅的厚度在100nm至3μm之间。接着采用扩散的方法掺杂，形成N型掺杂，提高多晶硅的导电性。接着再在掺杂后的多晶硅表面制作一层氧化硅进行保护。

4、制备纳米结构辐射层4：

纳米结构辐射层4采用物理或化学的方法在电加热层3上沉积一层金属钛，金属层的厚度在100nm至5μm的范围内，其中沉积金属钛是直接按照所要制备的桥面形状尺寸进行沉积制作。这里采用阳极氧化的方法制备具有紧密排列的纳米深孔结构的辐射层4，在制备过程中采用乙二醇、氟化铵、水作为电解液。其中氟化铵的比例为0.1％～10％，腐蚀过程中的电压为30～100V，为直流恒定电压，并采用二次甚至三次氧化来达到表面纳米管形貌最优的结果，在制作过程中通过控制反应的时间就可以控制纳米深孔的深度以及纳米孔径的大小。制作完成后需使用大量的去离子水清洗，去除反应过程中所造成的其它物质残留。制备完成后并进行退火处理，退火温度为400～600℃，并保持2～5h。

5、制备金属电极5；

在上述步骤3中电加热层被一层绝缘的氧化硅保护，无法直接制作电极。采用湿法或干法刻蚀的办法首先打开覆盖在多晶硅层上的薄膜，直接采用溅射或蒸镀的方法在两端打开的多晶硅层上制作金属电极。金属电极的材料可以是金，铂或者铝。在这里采用铝，因为铝金属的价格便宜，有利于降低成本。金属电极制备完如图1和2中所示。这样做既方便，也简单，同时裸露的电极面积大，容易形成接触。

6、对于图1中的结构，需要沿着与金属电极长边垂直且靠近衬底内侧边缘的方向对电加热层的两侧进行刻蚀，穿过纳米结构表面辐射层4、电加热层3、支撑层2，形成桥面结构。

7、在基片的另一侧，采用干法刻蚀技术对其刻蚀，以支撑氧化硅层作为刻蚀停止层，形成背部空腔结构，使得支撑层2、电加热层3以及纳米结构辐射层4全都悬浮在框架上，形成桥面结构。

Claims (10)

1.一种基于纳米结构的红外光源芯片，其特征在于设有衬底、支撑层、电加热层、纳米结构辐射层、金属电极；

所述纳米结构辐射层采用紧密排列的多孔纳米结构，纳米结构辐射层覆盖在电加热层表面，纳米结构辐射层用于辐射红外射线，电加热层设于支撑层上方，电加热层用于对纳米结构辐射层传递热量；所述支撑层、电加热层、纳米结构辐射层均悬浮在衬底上方并形成悬浮桥面结构；衬底呈框架结构并为支撑层、电加热层、纳米结构辐射层提供支撑。

2.如权利要求1所述一种基于纳米结构的红外光源芯片，其特征在于所述衬底为硅基衬底，所述硅基衬底可采用硅方形框架衬底，可利用微电子体硅加工技术在硅片上制备出中空的方形框架结构。

3.如权利要求1所述一种基于纳米结构的红外光源芯片，其特征在于所述支撑层采用薄膜支撑层，所述薄膜是硅薄膜、氧化硅薄膜、氮化硅薄膜、氧化硅与氮化硅复合薄膜中的一种；支撑层与电加热层相连接，对电加热层提供支撑。

4.如权利要求1所述一种基于纳米结构的红外光源芯片，其特征在于所述电加热层采用半导体材料电加热层或金属电阻丝电加热层；若采用半导体材料电加热层，采用物理或化学的方法沉积一层半导体薄膜作为电加热层，并对半导体材料进行掺杂，使其具有电阻加热特性，在掺杂后的半导体薄层上制备一层氧化硅或氮化硅作为保护；若采用金属电阻丝电加热层，则不需要掺杂处理，可直接通电加热；电加热层表面结构为紧密直立排列的纳米结构，纳米结构为纳米孔或纳米棒结构。

5.如权利要求4所述一种基于纳米结构的红外光源芯片，其特征在于所述半导体材料采用硅、多晶硅或各种金属氧化物半导体材料；金属氧化物半导体材料选自氧化铝，二氧化钛、二氧化锡、三氧化铁、氧化锌、氧化钨、氧化镍、氧化铜中的一种。

6.如权利要求4所述一种基于纳米结构的红外光源芯片，其特征在于所述金属电阻丝的材料采用铜、铂、铝、钛或钨。

7.如权利要求1所述一种基于纳米结构的红外光源芯片，其特征在于所述纳米结构辐射层采用金属氧化物薄层，纳米结构辐射层表面为紧密排列纳米多孔或纳米棒的金属氧化物纳米结构。

8.如权利要求1所述一种基于纳米结构的红外光源芯片，其特征在于所述纳米结构辐射层的制作材料采用钛、钒、铌、钨、钼、钽、锆或铪过渡金属形成的金属氧化物半导体。

9.如权利要求1所述一种基于纳米结构的红外光源芯片，其特征在于所述金属电极采用物理方法制作在电加热层的两端。

10.如权利要求1所述一种基于纳米结构的红外光源芯片，其特征在于所述金属电极采用金电极、铂电极或铝电极。