CN110793648A - 一种气凝胶隔热结构宽波段红外探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气凝胶隔热结构宽波段红外探测器及其制备方法。探测器采用硅片作为衬底,易于与现代硅基微电子加工工艺兼容,采用二氧化硅气凝胶薄膜作为隔热层,采用具有宽波段响应特性的锰钴镍氧热敏电阻薄膜作为红外吸收层,器件不含传统的微桥隔热结构,工艺简单易操作,且不会形成响应波段较窄的谐振腔结构,可实现宽波段探测,获得更完整的目标红外热辐射信息。此外,二氧化硅气凝胶隔热层具有整体的支撑结构,增加了器件的整体强度,不存在传统的微桥结构可能面临的桥面坍塌的风险,提高了成品率,降低了制备成本。本发明器件及其制备方法工艺成熟,适用于单元、线列及面阵红外探测器。
Description
技术领域
本发明专利涉及红外探测器,具体是指一种基于气凝胶隔热结构的宽波段热敏电阻薄膜型非制冷红外探测器及其制备方法。
背景技术
非制冷红外探测器无需复杂的制冷系统,可在室温下工作,具有成本低的优点,在民用和军事领域都具有广阔的应用前景,例如可广泛用于红外热成像、防火报警、非接触测温、医疗诊断、产品生产监测、导弹预警和拦截等诸多方面。其中,热敏电阻型红外探测器是一类非常重要的非制冷红外探测器,基本原理是通过测量目标红外热辐射引起的热敏材料电阻的变化来实现对红外热辐射的探测。热敏电阻材料自身的性质特别是电阻温度系数(Temperature coefficient of resistance,TCR)和器件所采用的结构特别是隔热结构是决定热敏型探测器件性能的两方面主要因素。
与金属热敏材料相比,半导体热敏材料具有较高的TCR绝对值,是研制非制冷红外探测器的首选,其中氧化钒(VOx)、非晶硅(a-Si)等是常用的热敏电阻材料。虽然基于VOx、a-Si等传统热敏电阻半导体材料的非制冷红外探测器已有商业化应用,但在室温下这些材料的TCR绝对值相对偏低,比如室温下VOx和a-Si的TCR都约为-2%/K,限制了探测性能的提升。因此,需要进一步开发具有高TCR绝对值的新型热敏材料。传统的热敏型探测器通常采用微桥隔热结构,微桥一方面提供热敏电阻材料与衬底之间的热隔离,另一方面形成谐振腔,提升热敏材料对特定波段的吸收。通常,微桥的高度设计成1/4波长,比如针对室温物体探测(如300K,对应~10μm的辐射峰值波长),需设计微桥高度约为2.5μm,探测器相应的光谱响应范围约为8~14μm,此即VOx、a-Si等传统非制冷红外探测器的探测响应波段。含微桥结构的探测器,其制备过程中采用的基本结构从下到上依次是衬底、牺牲层、支撑层、热敏薄膜吸收层、钝化层。其中,对于隔热微桥的制备工艺,常采用PECVD方法在热敏薄膜吸收层上沉积一层钝化层,保护吸收层,采用反应离子刻蚀的方法露出牺牲层。对于牺牲层的去除往往选用氧等离子体干法刻蚀。氧等离子体干法刻蚀,容易造成等离子体诱导损伤,且不易制作高深宽比的微桥结构。另外,需要指出的是,热敏电阻型红外探测器是利用热敏材料的电阻随温度发生变化的特性来探测红外辐射信号,热敏材料对红外辐射的吸收不具有波长选择性,因此仅从光谱吸收的角度讲,热敏材料具有全波段吸收特性,相比于传统的单波段成像(如8~14μm),全波段成像(如1~50μm)可包含更多的目标红外热辐射信息。综上可见,微桥结构的使用,一方面会增加器件工艺的复杂性,为形成微桥,需要额外制备牺牲层、支撑层和钝化层,需要额外的刻蚀工艺,如果高度高的话,难度还会增加,存在桥面坍塌的风险,成品率会降低,进而增加制备成本;另一方面,由微桥结构所形成的谐振腔具有波长选择性,针对不同波段的探测需要设计不同高度的谐振腔与之匹配,器件一经完成将固定其响应波段到一个比较窄的范围,而实际的目标在全波段范围内都存在红外辐射,因此微桥结构的使用在一定程度上还会导致许多有用的目标红外辐射信息的丢失。
发明内容
基于上述已有技术存在的种种问题,本发明的目的是提出一种无传统微桥隔热结构的、具有宽波段响应特征的新型热敏电阻薄膜型非制冷红外探测器及其制备方法。
锰钴镍氧(Mn-Co-Ni-O,MCN)过渡金属氧化物是一种新型的热敏电阻半导体材料,我们实验室已分别采用化学溶液沉积方法(Chemical Solution Deposition,CSD)[见文献1]和磁控溅射方法[见文献2]制备出高质量的MCN薄膜。我们通过实验研究发现,室温下MCN薄膜的TCR约为-3%~-4%/K[见文献2,3],优于常用的VOx、a-Si等热敏材料的TCR,且具有更佳的适合红外探测器应用的材料优值因子[见文献3]。同时,组成MCN材料的过渡金属锰、钴、镍和氧化物之间存在高的极化性,会与外部电磁波产生强耦合,使得MCN材料本身具有非常宽的光谱响应(0.2~50μm)[见文献4]。这些实验研究表明,MCN薄膜材料可应用于高性能的宽波段非制冷红外探测器的研制。此外,我们发明了一种二氧化硅气凝胶薄膜隔热材料[见文献5],二氧化硅气凝胶薄膜是一种新型纳米多孔材料,室温(300K时)热导率可低达0.019~0.025W·m-1·K-1,比凝滞空气的热导率(0.026W·m-1·K-1)还要低。因此,如果采用二氧化硅气凝胶薄膜作为隔热层,MCN热敏电阻薄膜作为红外吸收层材料,可避免当器件采用微桥隔热结构时较窄的响应波段,充分发挥MCN材料宽波段吸收的优点,实现宽波段红外探测。
由此提出本发明的技术方案:采用二氧化硅气凝胶薄膜作为隔热层,采用MCN热敏电阻薄膜作为红外吸收层,实现高性能宽波段非制冷红外探测器的制备。
上述所涉及的文献如下:
1.Y.Hou,Z.M.Huang,Y.Q.Gao,Y.J.Ge,J.Wu,and J.H.Chu,Characterization ofMn1.56Co0.96Ni0.48O4 films for infrared detection,Appl.Phys.Lett.92(2008)202115;
2.J.Wu,Z.Huang,L.Jiang,Y.Gao,W.Zhou,and J.Chu,Flexible thermistorsMCNO films with low resistivity and high TCR deposited on flexible organicsheets by RF magnetron sputtering,Proc.SPIE 10403(2017)104030C;
3.C.OuYang,W.Zhou,J.Wu,Y.Hou,Y.Gao,and Z.Huang,Uncooled bolometerbased on Mn1.56Co0.96Ni0.48O4 thin films for infrared detection and thermalimaging,Appl.Phys.Lett.105(2014)022105;
4.Z.Huang,W.Zhou,C.Ouyang,J.Wu,F.Zhang,J.Huang,Y.Gao,and J.Chu,Highperformance of Mn-Co-Ni-O spinel nanofilms sputtered from acetateprecursors.Sci.Rep.5(2015)10899;
5.褚君浩,马建华,孟祥建,孙璟兰,王根水,二氧化硅气凝胶薄膜材料的制备方法,专利号:ZL 200310108722.0。
本发明的一种气凝胶隔热结构宽波段红外探测器的结构图如图1和图2所示,包括衬底1,隔热层2,保护层3,热敏电阻薄膜4和金属电极5,其特征在于:
所述的红外探测器自衬底1之上依次为隔热层2、保护层3、热敏电阻薄膜4和金属电极5;
所述的衬底1为硅衬底;
所述的隔热层2为二氧化硅气凝胶隔热层,厚度为2-5μm;
所述的保护层3为致密二氧化硅保护层,厚度50-150nm;
所述的热敏电阻薄膜4为锰钴镍氧热敏电阻薄膜,厚度为0.2-1μm;
所述的金属电极5为铬和金复合电极,厚度分别为30nm和150nm。
本发明的一种气凝胶隔热结构宽波段红外探测器的制备方法,其步骤如下:
§1在硅衬底上制备二氧化硅气凝胶隔热层,厚度为2-5μm;
采用的制备方法为溶胶—凝胶方法[见文献5]。
§2在二氧化硅气凝胶隔热层上制备致密二氧化硅保护层,厚度为50-150nm;
采用的制备方法为磁控溅射方法。
致密二氧化硅保护层的作用是保护二氧化硅气凝胶隔热层的纳米多孔结构,同时对二氧化硅气凝胶隔热层进行表面平整化处理,以利于后续材料的沉积。
§3在致密二氧化硅保护层上采用一定的制备方法制备锰钴镍氧热敏电阻薄膜,厚度为0.2-1μm;
所述的制备方法为化学溶液沉积方法[见文献1]或磁控溅射方法[见文献2]制备。
§4通过光刻、腐蚀、显影处理等光刻图形工艺,将锰钴镍氧热敏电阻薄膜制备成分立的锰钴镍氧薄膜探测元,探测元的面积根据器件设计要求而定;
§5通过光刻、腐蚀、显影处理等光刻图形工艺,采用一定的制备方法在锰钴镍氧薄膜探测元的两端制备铬和金复合电极,厚度分别为30nm和150nm,电极的面积根据器件设计要求而定;
所述的制备方法是磁控溅射方法或双离子束溅射方法。
铬和金复合电极的作用是与锰钴镍氧热敏电阻薄膜形成欧姆接触,并通过与读出电路相连接来输出信号。
本发明的最显著优点是:
1.采用硅片作为衬底,易于与现代硅基微电子加工工艺兼容,适用于单元、线列及面阵红外探测器。也可以直接采用含读出电路的硅片作为衬底,实现单片式集成探测器件,单片式集成有助于降低噪声、减小器件体积。
2.器件不含传统的微桥结构,一方面减少了微桥结构制备相关的步骤,简化了工艺流程;另一方面,不会形成响应波段较窄的谐振腔结构,可实现宽波段成像,有助于获得更完整的目标红外热辐射信息。
3.二氧化硅气凝胶隔热层具有整体的支撑结构,不存在传统的微桥结构可能面临的桥面坍塌的风险,增加了器件的整体强度,提高了成品率,进而降低了制备成本。
附图说明
图1为探测器的结构剖面图。
图2为探测器的结构俯视图。
图中标号:1为衬底,2为隔热层,3为保护层,4为热敏电阻薄膜,5为金属电极。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明:
实施例1:
1.在硅片上采用溶胶—凝胶方法制备二氧化硅气凝胶薄膜,厚度为2μm。
2.在二氧化硅气凝胶薄膜上采用磁控溅射方法制备二氧化硅薄膜,厚度为50nm。
3.在二氧化硅薄膜上采用化学溶液沉积方法制备锰钴镍氧热敏电阻薄膜,厚度为0.2μm。
4.通过光刻、腐蚀、显影处理等光刻图形工艺,将锰钴镍氧热敏电阻薄膜上制备成分立的锰钴镍氧薄膜探测元,探测元的面积30μm×30μm。
5.通过光刻、腐蚀、显影处理等光刻图形工艺,采用双离子束溅射方法在锰钴镍氧薄膜探测元的两端制备铬和金复合电极,厚度分别为30nm和150nm,电极的面积为30μm×10μm。
实施例2:
1.在硅片上采用溶胶—凝胶方法制备二氧化硅气凝胶薄膜,厚度为3μm。
2.在二氧化硅气凝胶薄膜上采用磁控溅射方法制备二氧化硅薄膜,厚度为100nm。
3.在二氧化硅薄膜上采用磁控溅射方法制备锰钴镍氧热敏电阻薄膜,厚度为0.6μm。
4.通过光刻、腐蚀、显影处理等光刻图形工艺,将锰钴镍氧热敏电阻薄膜上制备成分立的锰钴镍氧薄膜探测元,探测元的面积50μm×50μm。
5.通过光刻、腐蚀、显影处理等光刻图形工艺,采用双离子束溅射方法在锰钴镍氧薄膜探测元的两端制备铬和金复合电极,厚度分别为30nm和150nm,电极的面积为50μm×15μm。
实施例3:
1.在硅片上采用溶胶—凝胶方法制备二氧化硅气凝胶薄膜,厚度为5μm。
2.在二氧化硅气凝胶薄膜上采用磁控溅射方法制备二氧化硅薄膜,厚度为150nm。
3.在二氧化硅薄膜上采用磁控溅射方法制备锰钴镍氧热敏电阻薄膜,厚度为1μm。
4.通过光刻、腐蚀、显影处理等光刻图形工艺,将锰钴镍氧热敏电阻薄膜上制备成分立的锰钴镍氧薄膜探测元,探测元的面积75μm×75μm。
5.通过光刻、腐蚀、显影处理等光刻图形工艺,采用磁控溅射方法在锰钴镍氧薄膜探测元的两端制备铬和金复合电极,厚度分别为30nm和150nm,电极的面积为75μm×20μm。
Claims (2)
1.一种气凝胶隔热结构宽波段红外探测器,包括衬底(1),隔热层(2),保护层(3),热敏电阻薄膜(4),金属电极(5);其特征在于:
所述的红外探测器自衬底(1)之上依次为隔热层(2)、保护层(3)、热敏薄膜(4)和金属电极(5);
所述的衬底(1)为硅衬底;
所述的隔热层(2)为二氧化硅气凝胶隔热层,厚度为2-5μm;
所述的保护层(3)为致密二氧化硅保护层,厚度50-150nm;
所述的热敏电阻薄膜(4)为锰钴镍氧热敏电阻薄膜,厚度为0.2-1μm;
所述的金属电极(5)为铬和金复合电极,厚度分别为30nm和150nm。
2.一种制备如权利要求1所述的一种气凝胶隔热结构宽波段红外探测器的方法,其特征在于方法步骤如下:
1)在硅片上采用溶胶—凝胶方法制备二氧化硅气凝胶隔热层,厚度为2-5μm;
2)在二氧化硅气凝胶隔热层上采用磁控溅射方法制备致密二氧化硅保护层,厚度为50-150nm;
3)在致密二氧化硅保护层上采用化学溶液沉积方法或磁控溅射方法制备锰钴镍氧热敏电阻薄膜,厚度为0.2-1μm;;
4)通过光刻、腐蚀、显影处理等光刻图形工艺,将锰钴镍氧热敏电阻薄膜制备成分立的锰钴镍氧薄膜探测元,探测元的面积根据器件设计要求而定;
5)通过光刻、腐蚀、显影处理等光刻图形工艺,采用磁控溅射方法或双离子束溅射方法在锰钴镍氧薄膜探测元的两端制备铬和金复合电极,厚度分别为30nm和150nm,电极的面积根据器件设计要求而定。
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