CN110967119A - 单层结构的超宽波段非制冷红外探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及单层结构的超宽波段非制冷红外探测器及制备方法，包括底层衬底和双支撑悬臂梁结构，底层衬底上设置有第一金属电极层、第一金属反射层和第一金属保护层；双支撑悬臂梁结构包括第二金属层、第一介质层、第二金属电极层，光敏层和第二介质层，第一介质层为双支撑悬臂梁结构的支撑层；第二金属电极层覆盖设置在容纳空间中，通过第一介质层上的通孔与第一金属电极层电连接，通过支撑层与衬底实现热隔离但保持良好的电连接；第二金属层设置在所述第一介质层的下面。该方法通过在双支撑悬臂梁结构的下表面增加薄层金属层，不仅极大的扩展器件的响应波段、吸收效率高，而且结构和工艺简单，制造成本低。
Description
技术领域
本发明属于非制冷红外探测器技术领域，具体涉及一种单层结构的超宽波段非制冷红外探测器及其制备方法。
背景技术
红外探测技术的发现和使用极大的拓展了人类视野的范围，其在信息获取、物质分析方面具有广阔的应用前景，而受技术和材料的限制，目前使用的红外探测器大部分只在特定的波段工作，而要实现宽波段的红外探测需要多个不同谱段的红外探测器配合使用，这个极大的增加了系统的复杂程度和成本。因此，研究和开发具有宽波段响应的红外探测器具有重要的使用价值。
非制冷红外探测器理论上具有宽波段红外响应特性，但是实际应用过程中无法实现宽波段的高响应率。目前的非制冷红外探测的响应波段大部分主要集中在长波8～14μm左右，而对于中波3～5μm及甚长波响应的器件很少，而实现能够覆盖中波到甚长波3～16μm的红外探测器不仅能够发挥长波红外探测的优势、同时能够发挥中波受背景辐射干扰小的优势，而且对于进一步开发宽波段光谱检测系统都有重要的支撑作用。
在宽波段非制冷红外探测研究方面，美国BAE公司通过在非制冷探测器悬臂梁中引入Cr中波吸收层(申请号：WO2005/094460A2)，实现了中波(2～5μm)和长波(11～14μm)的双波段探测，但是器件的吸收率都比较低，尤其是长波吸收率平均不到60％，2016年中国烟台艾睿设计了通过三层悬臂梁结构实现了宽波段吸收的非制冷红外探测器方案(专利号CN106082106B)，这种结构复杂、制作难度大，会极大的降低器件的成品率。
发明内容
为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本申请提供一种单层结构的超宽波段非制冷红外探测器及其制备方法，解决了传统单层结构响应谱段窄、宽波段响应器件制作工艺复杂的技术问题。本发明可用于深空探测、红外安防、红外夜视和红外光谱检测等领域。
为实现上述目的，本发明根据本申请实施例的第一方面，提供一种单层结构的超宽波段非制冷红外探测器，包括底层衬底和位于底层衬底上的双支撑悬臂梁结构，其中
还包括第一金属电极层、第一金属反射层和第一金属保护层，所述第一金属电极层和所述第一金属反射层设置在所述底层衬底上，第一金属保护层覆盖在第一金属反射层上面；
所述双支撑悬臂梁结构包括第一介质层，所述第一介质层远离设置在所述底层衬底的上方，所述第一介质层为双支撑悬臂梁结构的支撑层，所述支撑层向下凹陷延伸至第一金属电极层上形成至少两处容纳空间，位于容纳空间底部的第一介质层上开设有通孔；
所述红外探测器还包括第二金属电极层，光敏层和第二介质层，其中
所述第二金属电极层覆盖设置在容纳空间中，所述第二金属电极层通过第一介质层上的通孔与第一金属电极层电连接；所述光敏层位于第一介质层上面，且覆盖住设置在容纳空间中的第二金属电极层，所述光敏层与第二金属电极层电连接；所述第二介质层覆盖在光敏层上面；
所述红外探测器包括第二金属层，所述第二金属层设置在所述第一介质层的下面。
进一步的，所述底层衬底包括含读出电路的半导体衬底、带有阵列读出电路的晶圆或者具有支撑作用的材料。
进一步的，所述底层衬底上面处于容纳空间底部端面支撑层覆盖的区域为第一金属电极层，所述底层衬底上面未被容纳空间底部端面支撑层覆盖的区域为第一金属反射层；第一金属电极层直接接外部源表或者和设置在底层衬底上的读出电路电连接。
进一步的，向上延伸出容纳空间的第二金属电极层的顶端部向外周折弯在容纳空间的开口处。
根据本申请实施例的第二方面，提供一种单层结构的超宽波段非制冷红外探测器制备方法，该制备方法用于制备上述的像元结构，其制备方法步骤如下：
1)、在已加工好读出电路或者具有支撑作用结构的衬底上制备第一金属电极层、第一金属反射层和第一金属保护层，其中第一金属电极层和第一金属反射层选用同样金属和厚度，整个金属厚度大于金属的趋肤深度；
2)、牺牲层的制备和图形化
在做好第一金属电极层、第一金属反射层和第一金属保护层的衬底上首先旋涂聚酰亚胺牺牲层，之后进行固化，最后通过光刻、RIE刻蚀的方法刻蚀掉部分聚酰亚胺，漏出下面的第一金属电极层；
3)、第二金属层的制备
在图形化的聚酰亚胺牺牲层上面通过蒸镀的方法制备第二金属层，之后通过光刻、RIE刻蚀的方法刻蚀掉部分第二金属层，使其与第一金属电极层及衬底之间实现电绝缘和热绝缘；
4)、支撑层制备
在第二金属层的上面沉积低应力的Si3N4第一介质层作为支撑层；
5)、第二金属电极层制备
首先通过光刻和RIE刻蚀的方法刻蚀掉部分第一介质层，使第一金属电极层的部分暴露出来，之后通过蒸镀的方法沉积第二金属电极层，保证第二金属电极层与第一金属电极层电连接，最后通过光刻和RIE刻蚀的方法使第二金属电极层图形化，为光敏层的沉积做好准备；
6)、光敏层的制备
在图形化的第二金属电极层上面沉积光敏材料，通过磁控溅射沉积，最后在光敏层的上面沉积Si3N4或者SiO2第二介质层作为光敏层的保护层；
7)、器件的图形化和牺牲层去除
通过光刻和RIE刻蚀的方法图形化第二介质层、光敏层、第一介质层，漏出部分聚酰亚胺牺牲层，之后通过O2、CF4和N2混合气体的等离子体刻蚀去除整个聚酰亚胺牺牲层，实现最终的超宽波段非制冷红外探测器。
进一步的，所述第一金属电极层、第一金属反射层和第一金属保护层的制备方法两种；
其一、先依次蒸镀金属层和金属保护层，再通过光刻刻蚀的方法图形化；或者
其二、先光刻图像化，再依次蒸镀金属层和金属保护层，最后剥离实现。
进一步的，所述的步骤1)中通过PVD的方法依次沉积金属Al和TiN，之后通过光刻和RIE刻蚀的方法图形化金属层，制备第一金属电极层、第一金属反射层和第一金属保护层，其中整个金属厚度在0.05～0.4μm之间；
进一步的，所述的步骤2)中，聚酰亚胺牺牲层固化的厚度小于等于1.5μm；所述的步骤3)中，所述第二金属层的厚度在0.01～0.1μm之间，蒸镀材料为TiN或者NiCr等；
进一步的，所述的步骤5)中，在第二金属层的上面通过PECVD沉积低应力的Si3N4第一介质层作为支撑层，支撑层的厚度位0.1～0.3μm，之后通过光刻和RIE刻蚀去掉第一金属电极层上面的部分Si3N4，露出第一金属电极层。
进一步的，所述的步骤6)中，在图形化的第二金属电极层上面通过PVD的方法首先沉积光敏层，在光敏层上面再通过PECVD的方法沉积第二介质保护层，其中光敏层的材料为VOx，厚度在50～150nm之间，第二介质层的材料厚度在0.05～0.2μm之间。
本发明采用以上技术方案，在底层衬底上方设置双支撑悬臂梁结构，双支撑悬臂梁结构通过支撑柱与衬底实现热隔离但保持良好的电连接，本发明通过在双支撑悬臂梁结构的下表面增加薄层金属反射层，极大的扩展器件的响应波段，实现单层结构的超宽波段非制冷红外探测器。通过本发明制得的超宽波段非制冷红外探测器结构简单、工作波段宽，实现了波段覆盖从中波到甚长波的超宽波段响应，在3～16μm谱段的平均吸收率大于80％，这相对已有宽波段非制冷探测不仅响应波段宽、吸收效率高，而且结构和工艺简单，制造成本低。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1是本发明超宽波段非制冷红外探测器结构示意图；
图2是本发明红外探测器中的底层衬底、第一金属反射层、第一金属电极层和金属保护层结构示意图；
图3是本发明红外探测器制备过程中牺牲层及其图形化的结构示意图；
图4是本发明红外探测器中的第二金属层形成的结构示意图；
图5是本发明红外探测器中的第一介质支撑层及电学连接通孔形成的结构示意图；
图6是本发明红外探测器中的第二金属电极层形成的结构示意图；
图7是本发明红外探测器中的光敏层、第二介质保护层形成的结构示意图；
图8是本发明红外探测器中的图形化和牺牲层去除结构示意图；
图9为本发明超宽波段非制冷红外探测器中的光谱吸收曲线。
图中：1、底层衬底；2、第一金属电极层；3、第一金属反射层；4、第一金属保护层；5、第二金属层；6、第一介质层；7、第二金属电极层；8、光敏层；9、第二介质层；10、聚酰亚胺牺牲层。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
如图1所示，本实施例第一方面提供一种单层结构的超宽波段非制冷红外探测器，包括底层衬底1和位于底层衬底1上的双支撑悬臂梁结构，其中
还包括第一金属电极层2、第一金属反射层3和第一金属保护层4，所述第一金属电极层2和所述第一金属反射层3设置在所述底层衬底1上，第一金属保护层4覆盖在第一金属反射层3上面；
所述双支撑悬臂梁结构包括第一介质层6，所述第一介质层6远离设置在所述底层衬底1的上方，所述第一介质层6为双支撑悬臂梁结构的支撑层，所述支撑层向下凹陷延伸至第一金属电极层2上形成至少两处容纳空间，位于容纳空间底部的第一介质层6上开设有通孔；向上延伸出容纳空间的第二金属电极层7的顶端部向外周折弯在容纳空间的开口处。
所述红外探测器还包括第二金属电极层7，光敏层8和第二介质层9，其中
所述第二金属电极层7覆盖设置在容纳空间中，所述第二金属电极层7通过第一介质层6上的通孔与第一金属电极层2电连接；所述光敏层8位于第一介质层6上面，且覆盖住设置在容纳空间中的第二金属电极层7，所述光敏层8与第二金属电极层7电连接；所述第二介质层9覆盖在光敏层8上面；
所述红外探测器包括第二金属层5，所述第二金属层5设置在所述第一介质层6的下面。
作为一种优选的实施方式，本实施例中所述底层衬底1上面处于容纳空间底部端面支撑层覆盖的区域为第一金属电极层2，所述底层衬底1上面未被容纳空间底部端面支撑层覆盖的区域为第一金属反射层3；第一金属电极层2直接接外部源表或者和设置在底层衬底1上的读出电路电连接。
需要补充说明的是，一方面，本实施例中所述底层衬底1包括含读出电路的半导体衬底、带有阵列读出电路的晶圆或者其他具有支撑作用的材料，包括硅、锗、玻璃等；第一金属电极层2直接接外部源表或者和读出电路电连接；第一金属反射层3具有高的光学反射特性，第一金属保护层4防止第一金属反射层3表面氧化和损坏。
另一方面，在双支撑悬臂梁结构中，第二金属层5是实现超宽波段响应的核心，对红外光具有吸收和反射作用；第一介质层6为双支撑悬臂梁结构的支撑层，同时起到保护第二金属电极层7和光敏层8的作用。
本实施提供的单层结构的超宽波段非制冷红外探测器，双支撑悬臂梁结构通过支撑柱(支撑层下沉形成一凹陷的容纳空间视为支撑柱)与衬底1实现热隔离但保持良好的电连接。该方法通过在双支撑悬臂梁结构的下表面增加薄层金属层，极大的扩展器件的响应波段，实现单层结构的超宽波段非制冷红外探测器。
请参阅图2至图8所示，本实施例第一方面提供一种超宽波段非制冷红外探测器制备方法，该方法用于制备上述的红外探测器制备，其制备方法步骤如下：
如图2所示，步骤1)、在已加工好读出电路或者具有支撑作用结构的衬底1上制备第一金属电极层2、第一金属反射层3和第一金属保护层4，其中第一金属电极层2和第一金属反射层3选用同样金属和厚度，整个金属厚度大于金属的趋肤深度，总厚度在0.05～0.4μm之间；
作为一种优选的实施方式，在所述的步骤1)中，所述第一金属电极层2、第一金属反射层3和第一金属保护层4的制备方法两种；第一种为：先依次蒸镀金属层和金属保护层，再通过光刻刻蚀的方法图形化；或者
第二种为：先光刻图像化，再依次蒸镀金属层和金属保护层，最后剥离实现。
该步骤1)中，需要补充说明的是：在已经加工好读出电路的衬底1上通过PVD的方法依次沉积金属Al和TiN，之后通过光刻和RIE刻蚀的方法图形化金属层，制备第一金属电极层2、第一金属反射层3和第一金属保护层4。
如图3所示，步骤2)、牺牲层的制备和图形化
在做好第一金属电极层2、第一金属反射层3和第一金属保护层4的读出电路衬底1上首先旋涂聚酰亚胺牺牲层10，之后在氮气保护下进行固化，固化的厚度小于等于1.5μm，最后通过光刻、RIE刻蚀的方法刻蚀掉部分聚酰亚胺，漏出下面的第一金属电极层2。
如图4所示，步骤3)、第二金属层的制备
在图形化的聚酰亚胺牺牲层10上面通过蒸镀的方法制备第二金属层5，具体为在图形化的聚酰亚胺牺牲层10上面通过PVD的方法沉积TiN或者NiCr作为第二金属层5，第二金属层5的厚度在0.01～0.1μm之间，蒸镀材料为TiN或者NiCr等。
之后通过光刻和RIE刻蚀的方法刻蚀掉部分第二金属层5，使其与第一金属电极层2及衬底1之间实现电绝缘和热绝缘。
如图5所示，步骤4)、支撑层制备
在第二金属层5的上面通过PECVD沉积低应力的氮化硅Si3N4第一介质层6作为支撑层，支撑层的厚度在0.1～0.3μm之间；之后通过光刻和RIE刻蚀去掉第一金属电极层2上面的部分Si3N4形成通孔，露出第一金属电极层2。
如图6所示，步骤5)、第二金属电极层制备
首先通过光刻和RIE刻蚀的方法刻蚀掉部分第一介质层6，使第一金属电极层2的部分暴露出来，之后通过蒸镀的方法沉积第二金属电极层7，保证第二金属电极层7与第一金属电极层2电连接，最后通过光刻和RIE刻蚀的方法使第二金属电极层7图形化，为光敏层8的沉积做好准备；
需要补充说明的是，首先在第一介质层6上面通过PVD的方法沉积Ti或者TiN作为第二金属电极层7，第二金属电极层7与第一金属电极层2电连接，厚度为0.03～0.08μm。之后通过光刻和RIE刻蚀的方法使第二金属电极层7图形化隔离，为光敏层8的沉积做好准备。
如图7所示，步骤6)、光敏层的制备
在图形化的第二金属电极层7上面沉积光敏材料，通过磁控溅射沉积，最后在光敏层8的上面沉积Si3N4或者SiO2第二介质层9作为光敏层8的保护层；
需要补充说明的是，在图形化的第二金属电极层7上面通过PVD的方法首先沉积光敏层8，在光敏层8上面再通过PECVD的方法沉积第二介质保护层，其中光敏层8的材料为VOx，厚度在50～150nm之间，第二介质层9的材料厚度在0.05～0.2μm之间。
如图8所示，步骤7)、器件的图形化和牺牲层去除
通过光刻和RIE刻蚀的方法图形化第二介质层9、光敏层8、第一介质层6，漏出部分聚酰亚胺牺牲层10，之后通过O2、CF4和N2混合气体的等离子体刻蚀去除整个聚酰亚胺牺牲层10，实现最终的超宽波段非制冷红外探测器。
如图9所示，本发明超宽波段非制冷红外探测器探测器光谱吸收曲线，实现了波段覆盖从中波到甚长波的超宽波段响应，提供的有TiN和没有TiN对比对曲线图，从图中可以看出在3～16μm谱段的平均吸收率大于80％，这相对已有宽波段非制冷探测不仅响应波段宽、吸收效率高，而且结构和工艺简单，制造成本低。
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种单层结构的超宽波段非制冷红外探测器，其特征在于：包括底层衬底和位于底层衬底上的双支撑悬臂梁结构，其中
还包括第一金属电极层、第一金属反射层和第一金属保护层，所述第一金属电极层和所述第一金属反射层设置在所述底层衬底上，第一金属保护层覆盖在第一金属反射层上面；
所述双支撑悬臂梁结构包括第一介质层，所述第一介质层远离设置在所述底层衬底的上方，所述第一介质层为双支撑悬臂梁结构的支撑层，所述支撑层向下凹陷延伸至第一金属电极层上形成至少两处容纳空间，位于容纳空间底部的第一介质层上开设有通孔；
所述红外探测器还包括第二金属电极层，光敏层和第二介质层，其中
所述第二金属电极层覆盖设置在容纳空间中，所述第二金属电极层通过第一介质层上的通孔与第一金属电极层电连接；所述光敏层位于第一介质层上面，且覆盖住设置在容纳空间中的第二金属电极层，所述光敏层与第二金属电极层电连接；所述第二介质层覆盖在光敏层上面；
所述红外探测器包括第二金属层，所述第二金属层设置在所述第一介质层的下面。
2.根据权利要求1所述的单层结构的超宽波段非制冷红外探测器，其特征在于：所述底层衬底包括含读出电路的半导体衬底、带有阵列读出电路的晶圆或者具有支撑作用的材料。
3.根据权利要求1所述的单层结构的超宽波段非制冷红外探测器，其特征在于：所述底层衬底上面处于容纳空间底部端面支撑层覆盖的区域为第一金属电极层，所述底层衬底上面未被容纳空间底部端面支撑层覆盖的区域为第一金属反射层；第一金属电极层直接接外部源表或者和设置在底层衬底上的读出电路电连接。
4.根据权利要求1所述的单层结构的超宽波段非制冷红外探测器，其特征在于：向上延伸出容纳空间的第二金属电极层的顶端部向外周折弯在容纳空间的开口处。
5.一种单层结构的超宽波段非制冷红外探测器制备方法，其特征在于：该制备方法用于制备权利要求1至4任一项所述的红外探测器，其制备方法步骤如下：
1)、在已加工好读出电路或者具有支撑作用结构的衬底上制备第一金属电极层、第一金属反射层和第一金属保护层，其中第一金属电极层和第一金属反射层选用同样金属和厚度，整个金属厚度大于金属的趋肤深度；
2)、牺牲层的制备和图形化
在做好第一金属电极层、第一金属反射层和第一金属保护层的衬底上首先旋涂聚酰亚胺牺牲层，之后进行固化，最后通过光刻、RIE刻蚀的方法刻蚀掉部分聚酰亚胺，漏出下面的第一金属电极层；
3)、第二金属层的制备
在图形化的聚酰亚胺牺牲层上面通过蒸镀的方法制备第二金属层，之后通过光刻、RIE刻蚀的方法刻蚀掉部分第二金属层，使其与第一金属电极层及衬底之间实现电绝缘和热绝缘；
4)、支撑层制备
在第二金属层的上面沉积低应力的Si3N4第一介质层作为支撑层；
5)、第二金属电极层制备
首先通过光刻和RIE刻蚀的方法刻蚀掉部分第一介质层，使第一金属电极层的部分暴露出来，之后通过蒸镀的方法沉积第二金属电极层，保证第二金属电极层与第一金属电极层电连接，最后通过光刻和RIE刻蚀的方法使第二金属电极层图形化，为光敏层的沉积做好准备；
6)、光敏层的制备
在图形化的第二金属电极层上面沉积光敏材料，通过磁控溅射沉积，最后在光敏层的上面沉积Si3N4或者SiO2第二介质层作为光敏层的保护层；
7)器件的图形化和牺牲层去除
通过光刻和RIE刻蚀的方法图形化第二介质层、光敏层、第一介质层，漏出部分聚酰亚胺牺牲层，之后通过O2、CF4和N2混合气体的等离子体刻蚀去除整个聚酰亚胺牺牲层，实现最终的宽波段非制冷红外探测器。
6.根据权利要求5所述的单层结构的超宽波段非制冷红外探测器制备方法，其特征在于：所述第一金属电极层、第一金属反射层和第一金属保护层的制备方法两种；
其一、先依次蒸镀金属层和金属保护层，再通过光刻刻蚀的方法图形化；或者
其二、先光刻图像化，再依次蒸镀金属层和金属保护层，最后剥离实现。
7.根据权利要求5所述的单层结构的超宽波段非制冷红外探测器制备方法，其特征在于：所述的步骤1)中
通过PVD的方法依次沉积金属Al和TiN，之后通过光刻和RIE刻蚀的方法图形化金属层，制备第一金属电极层、第一金属反射层和第一金属保护层，其中整个金属厚度在0.05～0.4μm之间。
8.根据权利要求5所述的单层结构的超宽波段非制冷红外探测器制备方法，所述的步骤2)中，聚酰亚胺牺牲层固化的厚度小于等于1.5μm；
所述的步骤3)中，所述第二金属层的厚度在0.01～0.1μm之间，蒸镀材料为TiN或者NiCr。
9.根据权利要求5所述的单层结构的超宽波段非制冷红外探测器制备方法，其特征在于：所述的步骤5)中，在第二金属层的上面通过PECVD沉积低应力的Si3N4第一介质层作为支撑层，支撑层的厚度位0.1～0.3μm，之后通过光刻和RIE刻蚀去掉第一金属电极层2上面的部分Si3N4，露出第一金属电极层。
10.根据权利要求5所述的单层结构的超宽波段非制冷红外探测器制备方法，其特征在于：所述的步骤6)中，在图形化的第二金属电极层上面通过PVD的方法首先沉积光敏层，在光敏层上面再通过PECVD的方法沉积第二介质保护层，其中光敏层的材料为VOx，厚度在50～150nm之间，第二介质层的材料厚度在0.05～0.2μm之间。
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