CN109282903B - 基于表面电磁波共振的高性能cmos红外微测辐射热计 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于表面电磁波共振的高性能CMOS红外微测辐射热计。该微测辐射热计包括L形微桥结构，微桥结构单元包括桥墩、桥臂和红外吸收体，红外吸收体为多层结构，自上而下依次为氮化硅层、金属光栅层、二氧化硅层、蛇形铝热敏电阻层和二氧化硅层。本发明的微测辐射热计结构与传统的微测辐射热计结构相比，在热敏电阻层上面增加了金属光栅，形成MIM结构，该结构利用表面电磁波激发共振，显著提高了探测器的红外吸收率，增加了探测器响应，实现高效率探测。同时本发明的微测辐射热计基于标准CMOS集成电路工艺，具有工艺上容易实现、价格低廉等优点。
Description
技术领域
本发明涉及红外探测领域，具体涉及一种基于表面电磁波激发共振的金属/介质/金属(MIM)结构设计。
背景技术
红外技术在安防监控领域、汽车夜视系统、医疗器械行业、家庭电子行业、以及通讯等领域都有着广泛应用。非制冷红外探测器由于省去了复杂的制冷系统，具有质量轻、功耗低、成本低，体积小和操作方便等优势，近几年来，逐步替代制冷型红外探测器成为民用主流产品。非制冷红外探测器主要包括微测辐射热计、热释电红外探测器、热电堆红外探测器等。
微测辐射热计是最为广泛使用的非制冷型红外探测器，其基本原理为红外吸收层将红外辐射转换成热能，引起热敏传感器温度上升，最终转换成电信号读出。微测辐射热计中常用的热敏感元件材料有氧化钒、非晶硅等；其中基于氧化钒的非制冷微测辐射热计在全球非制冷红外热像仪市场中占据80％以上，是目前最为广泛使用的微测辐射热计，但这种微测辐射热计存在1/f噪声大，不能与标准CMOS工艺兼容，生产工艺复杂等突出问题。采用基于CMOS集成电路工艺研发非制冷红外探测器有着得天独厚的优势：1)成本廉价且能够大规模生产；2)能够集成更多的CMOS系统；3)可以随着CMOS技术节点进一步微型化；4)低功耗。因此，基于集成电路工艺的非制冷微测辐射热计已经相继被研发报道。
CMOS微测辐射热计主要使用后端SiN/SiO2层作为红外吸收层，但SiN/SiO2层在红外波段吸收率低，导致该类型探测器响应低，其探测器响应不足以与广为使用的氧化钒微测辐射热计相比拟，因此需要寻找一种新型的探测器结构来提升探测器的红外吸收性能是本发明的主要目的。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种基于表面电磁波激发共振的MIM结构用于CMOS微测辐射热计。该MIM结构可实现红外波吸收率增强，提高红外探测器的响应。
本发明采用的技术方案如下：
基于表面电磁波共振的高性能CMOS红外微测辐射热计，包括L形微桥结构，微桥结构单元包括桥墩、桥臂和红外吸收体，红外吸收体为多层结构，自上而下依次为氮化硅层、金属光栅层、二氧化硅层、蛇形铝热敏电阻层和二氧化硅层。
表面等离子体激元是一种在导体表面传播的电磁波，是外界光场与金属表面处的自由电子相互作用发生的电子集体振荡，一般沿着金属/介质界面传播，利用金属的表面等离子体激元共振可以将光场局限在金属界面周围。金属在其等离子体频率以下，介电常数总是负的。而对于非金属，具有负介电常数的物质比较多，例如SiC，SiO2等。在这些非金属介质表面也可以传播表面电磁波。但在相同的频率下，非金属介质表面的表面电磁波激元波矢总是大于体波波矢。由于波矢失配，不能满足动量守恒定律，通常体电磁波不可能在非金属介质交界面处激发表面声子极化激元，同样，表面声子极化激元也不会辐射成为体电磁波。但非金属介质表面如果存在光栅结构，该结构可以移动表面电磁波的色散曲线，使得表面电磁波辐射成为体波成为可能。近年来，基于表面电磁波激发的MIM结构被理论和实验研究。利用MIM结构中上层金属激发的表面电磁波与MIM腔体内声子的共振可控制介质中的声子响应。本发明中，利用基于表面电磁波与体波的共振耦合结构增强红外探测器吸收能力，最终获得高性能CMOS微测辐射热计。
本发明所述的微测辐射热计结构与传统的微测辐射热计结构相比，在热敏电阻层上面增加了金属光栅，形成MIM结构，该结构利用表面电磁波激发共振，显著提高了探测器的红外吸收率，增加了探测器响应，实现高效率探测。同时本发明的微测辐射热计基于标准CMOS集成电路工艺，具有工艺上容易实现、价格低廉等优点。
附图说明
图1是本发明微测辐射热计结构的(a)顶视图和(b)侧面图；
图2是本发明具有MIM结构的微测辐射热计与没有光栅结构的微测辐射热计在远红外波段的吸收率对比图；
图3是本发明实施例中微测辐射热计的温度场分布。
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本实施例的微测辐射热计结构如图1所示，采用L形微桥结构，微桥结构单元包括桥墩1、桥臂2和红外吸收体，其中，桥墩1用来外接读出电路和支撑单元结构，桥臂2用来支撑红外吸收体并实现像元热隔离；红外吸收体主要吸收红外辐射产生热能，从而改变热敏电阻阻值。红外吸收体为多层结构，自上而下依次为氮化硅层3、金属光栅层4、二氧化硅层5、蛇形铝热敏电阻层6和二氧化硅层7，其中氮化硅层3、金属光栅层4和二氧化硅层5形成了MIM结构，共同构成热吸收层。
利用CST(Computer Simulation Technology)软件建立了基于0.18μm集成电路工艺的微测辐射热计模型。微桥结构单元尺寸为66μm×66μm，其中桥墩1尺寸为10μm×10μm，桥臂2宽度为5μm，悬空红外吸收体的尺寸为40μm×40μm，刻蚀窗口为8μm，填充因子为36.7％。氮化硅层3为钝化层，其厚度为0.6μm。金属光栅材料为CMOS工艺后端的Al材料，周期为6μm，光栅宽度为2.5μm，厚度为2.17μm。金属光栅层4下面的二氧化硅层5厚为1μm。蛇形铝宽度为0.4μm，间隔为0.4μm，厚度为0.53μm，最底部的二氧化硅层7厚度为0.85μm。整个探测器厚度为5.15μm。
仿真模型位于平面xy中，其x方向边界为理想电边界，y方向边界为理想磁边界，其红外波极化方向沿x轴方向。在模型上下表面设置两个端口，仿真波长为8μm-14μm，仿真两端口的S参数。探测器结构的吸收率可表示为：
A＝1-|S11|2-|S21|2
其中S11为吸收体的反射系数，S21为吸收体的正向传输系数。
图2为微测辐射热计有无光栅结构时的红外吸收率。与没有光栅结构的微测辐射热计相比，本发明具有光栅结构的微测辐射热计，其红外吸收率显著增大。通过积分求得8μm-14μm频率范围内平均红外吸收率分别为0.69(有光栅结构)和0.36(无光栅结构)。
本实施例进一步利用ANSYS热仿真软件对具有光栅结构的微测辐射热计进行热学性能仿真。仿真模型和CST仿真设置相同，仿真中使用材料参数如下表所示：
表一 微桥结构中使用的材料参数
图3为本发明微测辐射热计的温度场分布。其中设定的环境温度为300K，热流密度为100W/m2，红外平均吸收率为图2中提取的吸收率值0.69。从仿真结果中可以发现，桥面温度最高，比环境温度上升了0.101K；桥臂温度梯度明显，桥墩为环境温度300K。
Claims (2)
1.基于表面电磁波共振的高性能CMOS红外微测辐射热计，包括L形微桥结构，其特征在于，微桥结构单元包括桥墩、桥臂和红外吸收体，红外吸收体为多层结构，自上而下依次为氮化硅层、金属光栅层、二氧化硅层、蛇形铝热敏电阻层和二氧化硅层；所述氮化硅层的厚度为0.6μm；所述金属光栅层的周期为6μm，光栅的宽度为2.5μm，厚度为2.17μm；位于所述金属光栅层下面的二氧化硅层的厚度为1μm；所述蛇形铝热敏电阻层的厚度为0.53μm，蛇形铝的宽度为0.4μm，间隔为0.4μm；位于所述蛇形铝热敏电阻层下面的二氧化硅层厚度为0.85μm。
2.根据权利要求1所述的基于表面电磁波共振的高性能CMOS红外微测辐射热计，其特征在于，所述金属光栅层的材料为铝。
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