CN107356342A - 一种立体双层结构的热释电非制冷自选频红外探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种立体双层结构的热释电非制冷红外探测器，属于红外探测领域。本发明包括硅基底、多个立体双层结构的热电偶、一种三层结构的自选频红外吸收器、接触高电极、接触低电极和二氧化硅薄膜，与CMOS工艺兼容。本发明采用一种立体双层结构的热电偶，比传统的平面热电偶有更高的空间利用率，更好的响应度、探测灵敏度和噪声等效功率，器件的性能大幅度提升；采用一种三层结构的自选频红外吸收器，不需要额外的滤光器，对特定波段几乎100%的吸收。
Description
技术领域
本发明属于红外探测领域，尤其涉及一种与CMOS工艺兼容的立体双层结构的热释电非制自选频冷红外探测器。
背景技术
红外探测技术已经成为衡量一个国家科技实力的重要技术指标之一，在许多国家的重大需求中都有充分的体现。作为红外探测技术的分支，非制冷红外探测技术因其具有功耗小、响应频谱宽等特征在国防和民用方面持续不断的需求牵引下显示出越来越重要的作用。基于热释电材料的非制冷红外探测技术(热释电探测)因其具有响应速度快、性能高等特点，在国防安全、医学、警戒等众多领域具有广泛的用途，从而受到高度重视。
目前基于CMOS工艺的热释电非制冷红外探测器普遍采用传统的平面热电偶，由铝和多晶硅构成。因为铝的热导率很高，极易将热电偶热端的热量传递给冷端，造成两端的温度差变小，使得热电偶产生的电势差变小，这就要求电压读出电路具有更高的灵敏度和分辨率。
另外，红外吸收器也是热释电非制冷红外探测器的关键原件。传统的红外吸收器通常利用材料本身的吸收性纸，但其吸收率不高，在50％以下。基于黑金和碳纳米管的红外吸收器虽吸收效率极高，但难以与CMOS工艺兼容，且成本高，对特定波长探测时需要滤光片，增加系统的复杂度。
因此，如果能克服以上的不足，将极大地有利于提高热释电非制冷红外探测器的性能。
发明内容
为了解决现有技术缺点，本发明提供一种立体双层结构的热释电非制冷自选频红外探测器。本发明的解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种立体双层结构的热释电非制冷自选频红外探测器，包括硅基底、多个立体双层结构的热电偶、一种三层结构的自选频红外吸收器、接触高电极、接触低电极和二氧化硅薄膜。
一种三层结构的自选频红外吸收器，包括氮化钛纳米薄膜、介电层和高电导率金属反射层。
介电层在高电导率金属反射层上，氮化钛纳米薄膜在介电层上。
进一步的，氮化钛纳米薄膜厚度为1nm，面电阻为189Ω/□；介电层的厚度对应的光程为所吸收的红外光波长的1/4。
一种三层结构的自选频红外吸收器置于二氧化硅薄膜上，俯视形状为正方形，四边分别与多个立体双层结构的热电偶的热端接触。每个立体双层结构的热电偶位于二氧化硅薄膜上，且每个立体双层结构的热电偶之间有一条贯穿整个二氧化硅薄膜的缝隙，作为立体双层结构热电偶之间的热隔离。二氧化硅薄膜下的硅基底是一个空腔。
一种立体双层结构的热电偶，包括n型多晶硅、p型多晶硅、第一金属导电片、第二金属导电片、第三导金属导电片、第四金属导电片、第五金属导电片、第六金属导电片和二氧化硅绝缘层。
用二氧化硅绝缘层将长方体形状的n型多晶硅与外界环境隔离开。在n型多晶硅上方的二氧化硅绝缘层上沉积体积稍小的长方体p型多晶硅，用二氧化硅绝缘层将p型多晶硅与外界隔离开。
在n型多晶硅两端上方的二氧化硅绝缘层上各开一小口，将第一金属导电片和第二金属导电片通过这两个小口分别与n型多晶硅接触。在p性多晶硅两端上方的二氧化硅绝缘层上各开一小口，将第三金属导电片和第四金属导电片通过这两个小口分别与p型多晶硅接触。同侧的第一金属导电片和第三金属导电片用第五金属导电片连接，另一侧的第四金属导电片用第六金属导电片连接，并引入到立体双层结构的热电偶的一侧。
将两个或两个以上立体双层结构的热电偶并排放置，通过串联方式构成一个热电堆。
两个立体双层结构的热电偶具体的串联方式为：将第一立体双层结构的热电偶的第六金属导电片与第二立体双层结构的热电偶的第二金属导电片接触；将第一立体双层结构的热电偶的第二金属导电片和第二立体双层结构的热电偶的第六金属导电片分别作为高电极和低电极进行电压输出。
本发明的有益效果是：
(1)与传统的掺杂多晶硅和铝构成的单层结构热电偶相比，本发明的热电偶由一对n 型多晶硅和p型多晶硅构成，铝在其中的作用是连接n型和p型多晶硅并输出电压，热量只能在掺杂多晶硅中传输；由于多晶硅相对于铝具有更高的塞贝克系数、更低的热导率，本发明所述的热电偶具有更高的温度灵敏度和更大的输出电压；双层结构n/p的两种掺杂在不同材料层，烧结过程不会导致两种载流子的相互作用，因此可以更紧密的排布热电偶，提高空间利用率，进而提高器件的性能。
(2)本发明采用的一种三层结构的自选频红外吸收器，结构简单，制作成本低，无需额外的滤光器；兼容CMOS工艺，可直接制作在基于CMOS的红外传感器上；对特定波长的红外光实现几乎100％的高效吸收。
附图说明
图1为一种立体双层结构的热释电非制冷自选频红外探测器的结构示意图。
图2为硅基底和二氧化硅薄膜结构示意图。
图3为一种三层结构的自选频红外吸收器的侧视结构图。
图4为立体上层结构的热电偶结构示意图。
图5为两个立体双层结构的热电偶串联方式示意图。
图6为三层结构的自选频红外吸收器的吸收率与波长的关系图。
图7为传统的平面热电偶结构示意图。
具体实施方式
下面结和附图与具体实施方式对发明做进一步说明：
如图1所示，一种立体双层结构的热释电非制冷自选频红外探测器，包括硅基底1、多个立体双层结构的热电偶2、一种三层结构的自选频红外吸收器3、接触高电极4、接触低电极5和二氧化硅薄膜6。
如图2所示，硅基底1和二氧化硅薄膜6构成一个立方体结构。硅基底1的中央是一个空腔，二氧化硅薄膜6附在硅基底1上，盖住空腔的一端。
如图3所示，一种三层结构的自选频红外吸收器3，包括氮化钛纳米薄膜8、介电层9和高电导率金属反射层10。介电层9在高电导率金属反射层10上，氮化钛纳米薄膜8在介电层9上。
进一步的，氮化钛纳米薄膜8厚度为1nm，其面电阻为189Ω/□；介电层9的厚度对应的光程为所吸收的红外光波长的1/4。
一种三层结构的自选频红外吸收器3置于二氧化硅薄膜6上，俯视形状为正方形，四边分别与多个立体双层结构的热电偶2接触。每个立体双层结构的热电偶2位于二氧化硅薄膜 6上，且每个立体双层结构的热电偶2之间有一条贯穿整个二氧化硅薄膜的缝隙7，作为立体双层结构热电偶2之间的热隔离。
如图4所示，一种立体双层结构的热电偶2，包括n型多晶硅11、p型多晶硅12、第一金属导电片13、第二金属导电片14、第三导金属导电片15、第四金属导电片16、第五金属导电片17、第六金属导电片18和二氧化硅绝缘层19。
用二氧化硅绝缘层19将长方体形状的n型多晶硅11与外界环境隔离开。在n型多晶硅上方的二氧化硅绝缘层19上放置体积稍小的长方体p型多晶硅12，用二氧化硅绝缘层9将p 型多晶硅12与外界隔离开。
在n型多晶硅11两端上方的二氧化硅绝缘层19上各开一小口，将第一金属导电片13和第二金属导电片14通过这两个小口分别与n型多晶硅接触11。在p性多晶硅12两端上方的二氧化硅绝缘层9上各开一小口，将第三金属导电片15和第四金属导电片16通过这两个小口分别与p型多晶硅12接触。同侧的第一金属导电片13和第三金属导电片15用第五金属导电片17连接，另一侧的第四金属导电片16用第六金属导电片18连接，并引入到立体双层结构2的热电偶的一侧。
将两个或两个以上立体双层结构的热电偶2并排放置，通过串联方式构成一个热电堆。
如图5所示，两个立体双层结构的热电偶2具体的串联方式为：将第一立体双层结构的热电偶20的第六金属导电片18与第二立体双层结构的热电偶21的第二金属导电片14接触；将第一立体双层结构的热电偶20的第二金属导电片14和第二立体双层结构的热电偶21的第六金属导电片18分别作为高电极和低电极进行电压输出。
进一步的，多个立体上层结构的热电偶2按上述的方式进行串联，如图1所示，两端的第二金属导电片14与接触高电极4相连，第六金属导电片18与接触低电极相连。
将立体双层结构热电偶的n型多晶硅11和p型多晶硅12相连的一端与一种三层结构的自选频红外吸收器3接触，另一端用硅基底1支撑。
所述金属导电片13、14、15、16、17、18，接触高电极4和接触低电极5的材料为铝。
本发明的具体工作方式如下：
红外光入射到氮化钛纳米薄膜8上，由于1nm厚的氮化钛纳米薄膜8与大气实现了阻抗匹配，氮化钛纳米薄膜8对大气中红外光的反射为0。氮化钛纳米薄膜8吸收了50％的入射红外光能量，剩余部分的入射红外光能量透射过氮化钛纳米薄8膜进入到介电层9。高电导率金属反射层10又将介电层中9的红外光全反射。由于介电层9的厚度对应的光程为所吸收红外光波长的1/4，使得在介电层9中红外光干涉增强，经过多次全反射，氮化钛纳米薄膜8 吸收剩余的50％红外光能量。因此，一种三层结构的自选频红外吸收器3能对特定波长的红外光具有几乎100％的吸收率。
一种基于氮化钛纳米薄膜的三层结构的自选频红外吸收器的吸收率为
其中，
fr＝120π/Rr
fs＝120π/Rs
θ＝2πnd/λ (2)
Rs为氮化钛纳米薄膜1的面电阻，Rr为高电导率金属反射层3的面电阻，d为介电层2的厚度，n为介电层2的折射率，θ为红外光入射角度。
为了对3.5μm的红外光实现100％的吸收，对介电层2和高电导率金属反射层3进行如下设定。
介电层2材料为无定形硅，厚度为250nm；高电导率金属反射层3的材料为铝，其厚度为100nm。
对式(1)进行计算得到吸收率与红外光波长的关系，如图6所示，可对3.5μm的红外光实现几乎100％的高效吸收
一种三层结构的自选频红外吸收器3吸收红外光后，其温度升高，使附近的立体双层结构的热电偶2靠近其的一端温度升高，与另一端形成温度差。根据塞贝克效应，一个立体双层结构的热电偶2的输出电压为Vout-single
Vout-single＝ΔT(α1-α2)＝ΔTα12 (3)
ΔT为热端17和冷端18的温度差。α1和α2分别为n型多晶硅11和p型多晶硅12的塞贝克系数。
串联多个立体双层结构的热电偶2形成的热电堆，其输出电压Vout为
Vout＝NVout-single＝NΔTα12 (4)
N为立体双层结构的热电偶2的数量。通过检测接触高电极4和接触低电极5的电势差，就能得到红外光信息。
热电堆的响应度为
σ为斯特藩-波尔兹曼常数，Ts为红外源的温度，T0为室温，A为红外吸收层的面积，θ为半视场角。
热电堆的探测灵敏度为
k为玻尔兹曼常数，T为热电偶的温度。
热电堆噪声等效功率为
NEP＝Vn/Rs (7)
其中，为等效噪声电压，Δf为读出电路的频率带宽。
响应度Rs、探测灵敏度D*和噪声等效功率NEP是评价热电堆的三个重要参数。响应度Rs表示传感器的输出效率，等效噪声功率NEP表示输出电压等于噪声功率时的输入功率，即传感器可探测的最小信号值，探测灵敏度D*是NEP的倒数。
在表1中，列出了用于本发明设计所需材料的特性。
传统的平面热电偶，如图7，包括掺杂多晶硅22、铝线23、铝贴片24和二氧化硅隔层25。与本发明设计的立体双层结构的热电偶2区别在于，传统的平面热电偶用铝线23和掺杂多晶硅22构成了热电偶，而本发明所述的立体双层结构的热电偶2采用n型多晶硅11和p 型多晶硅12。参照表1列出的材料特性可知，本发明所述立体双层结构的热电偶2的|α12|大于传统平面热电偶的|α12|，在热电偶串联个数相同并且外部环境一致时，其热电堆的输出电压也大于传统平面热电堆的输出电压；其响应度大于传统平面热电堆的响应度；其噪声等效功率小于传统平面热电堆的响应度；其探测灵敏度大于传统平面热电堆的响应度。
表1用于本发明设计的材料特性
因此，本发明设计的一种立体双层结构的热释电非制冷自选频红外探测器，不仅对特定波长的红外光具有几乎100％的吸收率，而且性能也优于采用传统的平面热电偶的探测器。
上面对本发明的实施方式做了详细说明。但是发明并不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (10)
1.一种立体双层结构的热释电非制冷自选频红外探测器，其特征在于，包括硅基底、不少于一个立体双层结构的热电偶、一种三层结构的自选频红外吸收器、接触高电极、接触低电极和二氧化硅薄膜。
2.如权利要求1所述的一种立体双层结构的热释电非制冷自选频红外探测器，其特征在于，一种三层结构的自选频红外吸收器置于二氧化硅薄膜上，俯视形状为正方形，四边分别与多个立体双层结构的热电偶接触。
3.如权利要求1所述的一种立体双层结构的热释电非制冷自选频红外探测器，其特征在于，每个立体双层结构的热电偶位于二氧化硅薄膜上，每个立体双层结构的热电偶之间有一条贯穿整个二氧化硅薄膜的缝隙；二氧化硅薄膜下的硅基底是一个空腔。
4.如权利要求1所述的一种立体双层结构的热释电非制冷自选频红外探测器，其特征在于，所述一种三层结构的自选频红外吸收器，包括氮化钛纳米薄膜、介电层和高电导率金属反射层；介电层在高电导率金属反射层上，氮化钛纳米薄膜在介电层上。
5.如权利要求4所述的一种立体双层结构的热释电非制冷自选频红外探测器，其特征在于，所述氮化钛纳米薄膜厚度为1nm，面电阻为189Ω/□；介电层的厚度对应的光程为所吸收的红外光波长的1/4。
6.如权利要求1所述的一种立体双层结构的热释电非制冷自选频红外探测器，其特征在于，立体双层结构的热电偶包括n型多晶硅、p型多晶硅、第一金属导电片、第二金属导电片、第三导金属导电片、第四金属导电片、第五金属导电片、第六金属导电片和二氧化硅绝缘层。
7.如权利要求6所述的一种立体双层结构的热释电非制冷自选频红外探测器，其特征在于，所述n型多晶硅和p型多晶硅均用二氧化硅绝缘层相隔离。
8.如权利要求6所述的一种立体双层结构的热释电非制冷自选频红外探测器，其特征在于，所述在n型多晶硅和p型多晶硅的同一侧分别与第一金属导电片和第三金属导电片相连，另一侧分别与第二金属导电片和第四金属导电片相连；第一金属导电片和第三金属导电片用第五金属导电片相连；另一侧的第四金属导电片与第六金属导电片连接，引入到立体双层结构的热电偶的一侧。
9.如权利要求6所述的一种立体双层结构的热释电非制冷自选频红外探测器，其特征在于，将多个立体双层结构的热电偶并排放置，通过串联方式构成一个热电堆。
10.如权利要求1或6所述的一种立体双层结构的热释电非制冷自选频红外探测器，其特征在于，两个立体双层结构的热电偶具体的串联方式为，将第一立体双层结构的热电偶的第六金属导电片与第二立体双层结构的热电偶的第二金属导电片接触；将第一立体双层结构的热电偶的第二金属导电片和第二立体双层结构的热电偶的第六金属导电片分别与接触高电极和接触低电极相连进行电压输出。
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2017
- 2017-07-12 CN CN201710567701.7A patent/CN107356342A/zh active Pending
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