CN106404184A - 非制冷红外探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种非制冷红外探测器，包括桥面、桥腿、锚柱及衬底，还包括至少一层辅助红外吸收层，各所述辅助红外吸收层在所述桥面的上表面上层叠布置。本发明通过在桥面顶部额外增加辅助红外吸收层，其与桥面的红外吸收层配合，可有效提高探测器的红外热辐射吸收能力，从而提高探测器的温度响应率并降低NETD。各辅助红外吸收层可采用钛或氮化钛，或钛层、氮化钛层与非金属材料层构成的多层结构式的红外吸收层，或钛、氮化钛与非金属材料组合构成的组合材料，可有效提高红外吸收率。
Description
技术领域
本发明涉及一种非制冷红外探测器及一种非制冷红外探测器的制备方法，尤其涉及一种可提高红外吸收率的非制冷红外探测器。
背景技术
现有的非制冷红外探测器的红外吸收能力普遍都不够强，从而影响红外探测器的探测能力及应用范围，尤其是在一些要求观测温度细微变化的场合，比如精确测温使用等，低分辨的探测器无法区分微小的温度差异，导致使用受到限制，鉴于此原因，高分辨率探测器由于有较高的响应率和较低的NETD可以满足这样的应用，所以其研究也变得迫在眉睫。
发明内容
本发明实施例涉及一种非制冷红外探测器及一种非制冷红外探测器的制备方法，至少可解决现有技术的部分缺陷。
本发明实施例涉及一种非制冷红外探测器，包括桥面、桥腿、锚柱及衬底，还包括至少一层辅助红外吸收层，各所述辅助红外吸收层在所述桥面的上表面上层叠布置。
作为实施例之一，各所述辅助红外吸收层均包括钛层和氮化钛层的至少一种。
作为实施例之一，各所述辅助红外吸收层还包括二氧化硅层、氮氧化硅层、氮化硅层、碳化硅层中的至少一种；各材料层依次层叠构成一多层结构式的辅助红外吸收层。
作为实施例之一，所述辅助红外吸收层为两层，其中一层由厚度在的钛层构成，另一层由厚度在的氮化硅层构成。
作为实施例之一，各所述辅助红外吸收层的材料均为非化学计量比的组合材料，组合材料中包括钛与氮化钛的至少一种，还包括二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、碳化硅中的至少一种。
作为实施例之一，所述桥腿的一端与所述桥面连接，另一端通过所述锚柱支承在所述衬底上；所述衬底为读出集成电路衬底，所述衬底上表面上设置有红外辐射反射层。
作为实施例之一，所述桥面包括由下至上依次设置的热敏感层和桥面红外吸收层；或包括由下至上依次设置的下层桥面红外吸收层、热敏感层和上层桥面红外吸收层；或包括由下至上依次设置的下层桥面红外吸收层、下层隔离层、热敏感层、上层隔离层及上层桥面红外吸收层。
作为实施例之一，各所述桥面红外吸收层的材料均为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。
作为实施例之一，所述热敏感层的材料为氢化非晶硅、非晶锗硅或氧化钒。
作为实施例之一，所述红外辐射反射层为高红外反射率金属反射层，金属选自铝、钛或钽。
本发明实施例涉及一种非制冷红外探测器的制备方法，包括如下步骤：
S1：在读出电路上沉积金属导电层和红外辐射反射层并图形化；
S2：沉积牺牲层，并图形化形成支撑孔和电学导通孔；
S3：沉积底层支撑材料、红外吸收材料和红外敏感材料，并图形化形成红外敏感吸收层和电极接口；
S4：沉积金属电极材料并图形化形成红外敏感材料与读出电路的电学连接；
S5：沉积顶层支撑材料和红外吸收材料并图形化；
S6：沉积辅助红外吸收层材料并图形化，形成有至少一层辅助红外吸收层；其中，各所述辅助红外吸收层均为钛层或氮化钛层；
或均包括钛层和/或氮化钛层，以及二氧化硅层、氮氧化硅层、氮化硅层、碳化硅层中的至少一种，各材料层依次层叠构成一多层结构式的辅助红外吸收层；
或均采用非化学计量比的组合材料，组合材料中包括钛和/或氮化钛，还包括二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、碳化硅中的至少一种。
本发明实施例至少具有如下有益效果：通过在桥面顶部额外增加辅助红外吸收层，其与桥面的红外吸收层配合，可有效提高探测器的红外热辐射吸收能力，从而提高探测器的温度响应率并降低NETD。通过采用钛或氮化钛，或钛层、氮化钛层与非金属材料层构成的多层结构式的红外吸收层，或钛、氮化钛与非金属材料组合构成的组合材料，可有效提高红外吸收率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的非制冷红外探测器的立体结构示意图；
图2为本发明实施例提供的非制冷红外探测器的剖视结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明 中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1和图2，本发明实施例涉及一种非制冷红外探测器，尤其涉及一种非制冷红外焦平面阵列探测器，包括桥面50、桥腿10、锚柱20及衬底40，现有技术中的非制冷红外探测器均适用于本实施例。该探测器进一步包括至少一层辅助红外吸收层60，各所述辅助红外吸收层60在所述桥面50的上表面上层叠布置。通过在桥面50顶部额外增加辅助红外吸收层60，其与桥面50的红外吸收层配合，可有效提高探测器的红外热辐射吸收能力，从而提高探测器的温度响应率并降低NETD。
其中，每层辅助红外吸收层60的结构可以为：
(1)材料为金属钛，构成一钛层式的红外吸收层；
(2)材料为氮化钛，构成一氮化钛层式的红外吸收层；
(3)包括一钛层和一氮化钛层，钛层与氮化钛层层叠在一起，构成一双层材料结构的红外吸收层；其中钛层与氮化钛层的上下位置不限，但优选为设置氮化钛层叠覆于钛层之上；
(4)包括钛层和/或氮化钛层，还包括二氧化硅层、氮氧化硅层、氮化硅层、碳化硅层中的至少一种，各材料层依次层叠构成一多层结构式的辅助红外吸收层60；各材料层之间的层序关系可多种组合，在便于制备的情况下达到最佳的红外吸收率为宜；
(5)材料为非化学计量比的组合材料，组合材料中包括钛与氮化钛的至少一种，还包括二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、碳化硅中的至少一种。
上述几种辅助红外吸收层60的结构均可有效提高探测器的红外吸收率，其中，以第(5)种方式的红外吸收率提升效果更为显著，其最高可提高30％的红外吸收率；采用金属材料与非金属材料组合的方式制备红外吸收层，还可以有效缓解应力，提高红外吸收膜层的稳定性。当然，也可采用材料为二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅或碳化硅等构成的单层结构式辅助红外吸收层60，但这种结构的红外吸收率提升作用不大，最高可提高10％的红外吸收率。
本实施例中，如图2，作为优选的结构之一，采用在桥面50的上表面上设置两层辅助红外吸收层60的结构，其中一层为钛层式的辅助红外吸收层60，另一层为氮化硅层式的辅助红外吸收层60，其中，钛层式的辅助红外吸收层60的厚度在氮化硅层式的辅助红外吸收层60的厚度在上述结构可提升探测器约30％的红外吸收率。当然，也可采取一层或两层上述第(5)种结构的辅助红外吸收层60，对探测器的红外吸收率提升效果更佳。
桥面50包括有至少一层桥面红外吸收层，且其中一层位于桥面50的顶端；上述桥面红 外吸收层材料一般采用氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。通过各桥面红外吸收层与上述辅助红外吸收层60配合工作，可获得较好的红外吸收能力，有效提高探测器的红外热辐射吸收能力。上述辅助红外吸收层60的设置在增加探测器红外吸收能力的同时，不影响桥面50的红外吸收层结构及加工工艺；该辅助红外吸收层60可帮助各桥面红外吸收层再次提高红外吸收效果，从而增强各桥面红外吸收层的红外热辐射吸收能力。
如图1，为一非制冷红外焦平面阵列探测器的具体实施例，包括桥面50、桥腿10、锚柱20及衬底40，所述桥腿10的一端与所述桥面50连接，另一端通过所述锚柱20支承在所述衬底40上；所述衬底40为读出集成电路衬底40，所述衬底40上表面上设置有红外辐射反射层41；桥面50悬空在衬底40的红外辐射反射层41正上方并与衬底40之间形成真空间隙层30。其中，上述真空间隙层30高度为2.2～2.5μm，构成一针对红外波长λ＝8～14μm长波段的光学真空谐振腔，具有对λ/4波段选择吸收的能力。在该桥面50上层叠布置有至少一层上述的辅助红外吸收层60；如图2，采用两层辅助红外吸收层60的结构，其中一层为钛层式的辅助红外吸收层60，另一层为氮化硅层式的辅助红外吸收层60，其中，钛层式的辅助红外吸收层60的厚度在氮化硅层式的辅助红外吸收层60的厚度在
上述桥面50的结构为：包括由下至上依次设置的热敏感层52和桥面红外吸收层；或包括由下至少依次设置的下层桥面红外吸收层51、热敏感层52和上层桥面红外吸收层53；或包括由下至上依次设置的下层桥面红外吸收层51、下层隔离层、热敏感层52、上层隔离层及上层桥面红外吸收层53。其中，各桥面红外吸收层的材料均为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅；本实施例中，选用氮化硅，是较为理想的一种红外吸收材料。如图2，本实施例中，采用包括由下至少依次设置的下层桥面红外吸收层51、热敏感层52和上层桥面红外吸收层53的桥面50结构，其中，上层桥面红外吸收层53的厚度在下层桥面红外吸收层51的厚度在可根据探测器的性能要求进行厚度的变化选择；一般要求两桥面红外吸收层的总体厚度达到以上，可使探测器在8～14μm的红外长波段的吸收率达到85％以上。上述桥面红外吸收层通常采用氮化硅以离子增强化学气相沉积工艺制备。
另外，上述热敏感层52材料为氧化钒(VOx)，其厚度在范围内均是可行的；其TCR一般在-2％～-3％℃之间。热敏感层52的电阻值在50～200KOhm范围内均是可行的。上述热敏感层52的材料也可以为氢化非晶硅或非晶锗硅等。上述热敏感层52采用氧化钒(VOx)以反应物理气相沉积(Reactive PVD)工艺制备。
桥腿10上的支撑层材料均为氮化硅，其厚度一般在之间，根据探测器的性能要求这些厚度是可变的。本实施例中，上述支撑层材料不限于氮化硅，也可以是氧化硅、氮氧化硅等。上述支撑层采用氮化硅以等离子增强化学气相沉积(PECVD)工艺制备。
桥腿10上的金属导电层11材料为钛，其一般在厚度范围内均是可行的，并根据探测器的性能要求，其厚度可调。本实施例中，该金属导电层11材料不限于钛，也可以是镍铬合金或氮化钛。本实施案例的钛通常由溅射工艺制备。
衬底40表面上的红外辐射反射层41的材料为铝、钛或者钽等金属，但也不限于上述述的几种金属，大部分金属都是良好的红外反射体；该红外辐射反射层41的厚度在范围内均是可行的。
另外，热敏感层52的边缘区域覆盖有金属层，材料选用钛，该金属层与导电锚柱20及桥腿10上的金属导电层11是连通的，这样该热敏感层52就通过锚柱20及桥腿10的金属导电层11与衬底40上的读出电路构成了电路回路，当桥面50吸收红外辐射能量，热敏感层52的电阻发生变化时，衬底40的读出电路能将该电阻变化转化为电压变化。在实际应用过程中，为增强锚柱20的支撑性和导电性，可在该锚柱20的表面额外覆盖一层厚度较厚的金属膜。
实施例二
本实施例提供一种非制冷红外探测器，在读出电路衬底上依次沉积有金属导电层、红外辐射反射层、牺牲层、敏感材料支撑层、桥面红外吸收层、敏感材料层、金属电极层和至少一层辅助红外吸收层，形成图1所示的红外探测器。上述辅助红外吸收层60的结构与上述实施例一中的辅助红外吸收层60的结构相同，此处不再赘述。
本发明实施例涉及上述非制冷红外探测器的制备方法，包括如下步骤：
S1：在读出电路上沉积金属导电层和红外辐射反射层并图形化；
S2：沉积牺牲层，并图形化形成支撑孔和电学导通孔；
S3：沉积底层支撑材料、红外吸收材料和红外敏感材料，并图形化形成红外敏感吸收层和电极接口；
S4：沉积金属电极材料并图形化形成红外敏感材料与读出电路的电学连接；
S5：沉积顶层支撑材料和红外吸收材料并图形化；
S6：沉积辅助红外吸收层60材料并图形化，形成有至少一层辅助红外吸收层60；其中，各所述辅助红外吸收层60均为钛层或氮化钛层；
或均包括钛层和/或氮化钛层，以及二氧化硅层、氮氧化硅层、氮化硅层、碳化硅层中的至少一种，各材料层依次层叠构成一多层结构式的辅助红外吸收层60；
或均采用非化学计量比的组合材料，组合材料中包括钛和/或氮化钛，还包括二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、碳化硅中的至少一种。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原 则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种非制冷红外探测器，包括桥面、桥腿、锚柱及衬底，其特征在于：还包括至少一层辅助红外吸收层，各所述辅助红外吸收层在所述桥面的上表面上层叠布置。
2.如权利要求1所述的非制冷红外探测器，其特征在于：各所述辅助红外吸收层均包括钛层和氮化钛层的至少一种。
3.如权利要求2所述的非制冷红外探测器，其特征在于：各所述辅助红外吸收层还包括二氧化硅层、氮氧化硅层、氮化硅层、碳化硅层中的至少一种；各材料层依次层叠构成一多层结构式的辅助红外吸收层。
4.如权利要求2所述的非制冷红外探测器，其特征在于：所述辅助红外吸收层为两层，其中一层由厚度在的钛层构成，另一层由厚度在的氮化硅层构成。
5.如权利要求1所述的非制冷红外探测器，其特征在于：各所述辅助红外吸收层的材料均为非化学计量比的组合材料，组合材料中包括钛和/或氮化钛，还包括二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、碳化硅中的至少一种。
6.如权利要求2至5中任一项所述的非制冷红外探测器，其特征在于：所述桥腿的一端与所述桥面连接，另一端通过所述锚柱支承在所述衬底上；所述衬底为读出集成电路衬底，所述衬底上表面上设置有红外辐射反射层。
7.如权利要求6所述的非制冷红外探测器，其特征在于：所述桥面包括由下至上依次设置的热敏感层和桥面红外吸收层；
或包括由下至少依次设置的下层桥面红外吸收层、热敏感层和上层桥面红外吸收层；
或包括由下至上依次设置的下层桥面红外吸收层、下层隔离层、热敏感层、上层隔离层及上层桥面红外吸收层。
8.如权利要求7所述的非制冷红外探测器，其特征在于：各所述桥面红外吸收层的材料均为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。
9.如权利要求6所述的非制冷红外探测器，其特征在于：所述红外辐射反射层为高红外反射率金属反射层，金属选自铝、钛或钽。
10.一种非制冷红外探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：在读出电路上沉积金属导电层和红外辐射反射层并图形化；
S2：沉积牺牲层，并图形化形成支撑孔和电学导通孔；
S3：沉积底层支撑材料、红外吸收材料和红外敏感材料，并图形化形成红外敏感吸收层和电极接口；
S4：沉积金属电极材料并图形化形成红外敏感材料与读出电路的电学连接；
S5：沉积顶层支撑材料和红外吸收材料并图形化；
S6：沉积辅助红外吸收层材料并图形化，形成有至少一层辅助红外吸收层；其中，各所述辅助红外吸收层均为钛层或氮化钛层；
或均包括钛层和/或氮化钛层，以及二氧化硅层、氮氧化硅层、氮化硅层、碳化硅层中的至少一种，各材料层依次层叠构成一多层结构式的辅助红外吸收层；
或均采用非化学计量比的组合材料，组合材料中包括钛和/或氮化钛，还包括二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、碳化硅中的至少一种。
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