CN116995125A - 一种双色探测器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双色探测器及其制备方法,其包括:衬底,其含有用于对光信号进行处理的信号处理电路;支撑层,其设置于所述信号处理电路的上表面;红外吸收层,其与所述支撑层之间形成有谐振腔;红外热敏层,其设置在所述红外吸收层的上表面;红外电极,其与所述红外热敏层接触,且与衬底中的信号处理电路电连接;紫外光敏层,其设置于所述红外电极上方;以及紫外电极,其连接所述紫外光敏层,且同时与所述衬底中的信号处理电路电连接将红外热敏层、紫外光敏层垂直集成于同一像素内,且通过隔热腔的设置避免紫外光敏层、红外热敏层因发热导致的信号串扰,可大幅降低探测器像元中心距和双色探测器系统体积。

Description

一种双色探测器及其制备方法
技术领域
本发明涉及图像传感器领域,尤其涉及一种双色探测器及其制备方法。
背景技术
现有技术中,紫外/红外双色探测器可以同时获取两个波段的目标信息,可对复杂的背景进行抑制,以有效排除干扰源的影响,提供更为全面的光谱信息多维度对比,进一步提高探测的准确性,增强了在人工及复杂背景干扰下的目标识别能力,弥补了现有红外单色探测器面对复杂场景时,以产生目标识别失灵、导致虚警的问题。
在此基础上,现已开发出两种双色探测器:
如图1所示,第1种为垂直架构制冷光电导型红外/紫外双色探测器,其Cds紫外吸收层、InSb红外吸收层在高度方向上堆叠设置,但由于紫外线与红外线传播能力不同步,因此上述结构设计难以实现作用距离内双色信息的对比融合,同时,上述双色探测器需配置制冷系统,以保证红外信号的高响应率,由此导致双色探测系统整体成本高、体积大、准备时间长;
如图2所示,第1种为平面架构非制冷热敏型红外/紫外双色探测器,其红外信号感应区和紫外信号感应区在同一平面上错开排列或拼接而成(即平面型设计),因此可保证探测距离一致,但上述感应区平面型设计的方案会导致像元尺寸无法进一步缩小,而探测器芯片体积、面积受限,因此难以得到小体积、大面阵、高分辨率的双色探测器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双色探测器及其制备方法,其将红外热敏层、紫外光敏层垂直集成于同一像素内,且通过隔热腔的设置避免紫外光敏层发热导致的信号串扰,可大幅降低探测器像元中心距和双色探测器系统体积。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
一方面,提供了一种双色探测器,其包括:
衬底;
红外像元微桥结构,设置于所述衬底上方,且所述红外像元微桥结构包括:桥面以及支撑所述桥面的桥柱,所述桥面包括层叠设置的红外吸收层和红外热敏层;
紫外光敏层,设置于所述红外像元微桥结构的上方。
优选的,所述衬底的上方还设置有支撑层,所述红外像元微桥结构支撑于所述支撑层上。
优选的,所述红外吸收层由金属氧化物、碳基材料、氮氧化硅薄膜、氧化硅薄膜、氮化硅薄膜中的一种或几种制成。
优选的,所述紫外光敏层由紫外光敏宽禁带半导体材料制成。
优选的,所述双色探测器还包括:
红外电极,其与所述红外热敏层接触,且与衬底中的信号处理电路电连接;
以及紫外电极,其连接所述紫外光敏层,且同时与所述衬底中的信号处理电路电连接。
优选的,所述双色探测器还包括:缓冲层,其设置在所述桥面的上方。
优选的,所述双色探测器还包括:隔热层,其设置于所述桥面以及紫外光敏层之间,且内部具有隔热腔。
优选的,所述双色探测器还包括:反射层,其设置于所述衬底上方,所述反射层与所述桥面之间形成有谐振腔。
还提供一种双色探测器的制备方法,其包括如下步骤:
提供衬底;
在所述衬底上制作红外像元微桥结构,所述红外像元微桥结构包括桥面以及支撑所述桥面的桥柱,所述桥面包括层叠设置的红外吸收层和红外热敏层;
在所述红外像元微桥结构的上方制作紫外光敏层;
以及制作红外电极、紫外电极。
优选的,所述双色探测器的制备方法包括如下步骤:
a、在衬底上生长出支撑层;
b、在所述支撑层上沉积反射层;
c、在所述支撑层上旋涂聚酰亚胺膜层,以形成第一牺牲层;
d、在所述第一牺牲层上沉积红外吸收层;
e、在所述红外吸收层上沉积红外热敏层;
f、在所述红外热敏层上沉积缓冲层;
g、沉积形成红外电极;
h、在所述缓冲层上方旋涂聚酰亚胺膜层,以形成第二牺牲层;
i、在所述第二牺牲层上沉积紫外光敏层;
j、在所述红外电极上沉积钝化膜;
k、在所述紫外光敏层上形成紫外电极;
l、去除全部第一牺牲层,以形成谐振腔,以及去除部分第二牺牲层,以在其内部形成隔热腔。
综上所述,本发明与现有技术相比具有以下有益效果:
本发明中的双色探测器整体为一种垂直架构非制冷热敏型红外/光敏紫外双色探测器,其将红外热敏层、紫外光敏层垂直集成于同一像素内,且通过隔热腔的设置避免紫外光敏层、红外热敏层发热导致的信号串扰,因此无需额外设置制冷装置,且无需平行分区分别处理不同波段的信号,可大幅降低探测器像元中心距和双色探测器系统体积。
附图说明
图1为现有技术中垂直架构制冷光电导型红外/紫外双色探测器的纵剖图;
图2为现有技术中平面架构非制冷热敏型红外/紫外双色探测器的纵剖图;
图3为本发明中双色探测器的纵剖图;
图4为本发明中双色探测器的制备方法中步骤a-f的流程示意图;
图5为本发明中双色探测器的制备方法中步骤g-i的流程示意图;
图6为本发明中双色探测器的制备方法中步骤k-l的流程示意图。
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他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图3所示,本实施例提供了一种双色探测器,其如图3所示,其包括:
衬底1,其含有用于对信号进行处理的信号处理电路100,本实施例中,所述信号为由光信号转换成的电信号;
支撑层2,其设置于所述衬底1上方,本实施例中,所述支撑层2由氮化硅(SiNx)(如Si3N4)薄膜制成,用于支撑红外像元微桥结构200,同时起到保护信号处理电路100的作用,其厚度为50-200nm,特别优选为100-150nm;
红外像元微桥结构200,设置于所述衬底1上方,且被所述支撑层2支撑,进一步的,所述红外像元微桥结构200整体为纵截面为U型的结构,包括:桥面201以及支撑所述桥面201的桥柱202,所述桥柱202与所述支撑层2接触,且所述桥面201包括层叠设置的红外吸收层4和红外热敏层6,二者相互接触,其中,所述红外热敏层6在所述红外吸收层4的上方,且所述桥柱202可与红外吸收层4一体成型,二者可由相同材料制成;
紫外光敏层11,设置于所述红外像元微桥结构200的上方;
红外电极8,其与所述红外像元微桥结构200接触,以及与衬底1中的信号处理电路100电连接;
以及紫外电极12,其连接所述紫外光敏层11,且同时与所述衬底1中的信号处理电路100电连接。
进一步的,所述红外吸收层4可由金属氧化物、碳基材料、氮氧化硅(SiOxNy)薄膜、氧化硅(SiOx)薄膜、氮化硅(SiNx)(如Si3N4)薄膜中的一种或几种制成,具体的,所述金属氧化物包括氧化铁、氧化铜、氧化锌等中的一种或几种;所述碳基材料包括碳纳米管、石墨烯、纳米碳黑等中的一种或几种;同时,本实施例中的红外吸收层4厚度为500-2000nm,优选为1000-1500nm。
所述红外热敏层6由红外热敏材料制成,且所述红外热敏材料包括氧化钒、非晶硅、钛酸钡、二氧化钛等中的一种或几种,同时,所述红外热敏层6的厚度为50-200nm,优选为100-150nm。
紫外光敏层11,其覆盖在所述隔热层9的上表面,进一步的,所述紫外光敏层11由紫外光敏宽禁带半导体材料制成,本实施例中,所述紫外光敏宽禁带半导体材料包括Ga2O3、ZnO、SnO2、GaN、SiC中的一种或几种,同时,所述紫外热敏层11的厚度为50-200nm,优选为100-150nm;
进一步的,本实施例中,所述红外电极8由钛/铂/金(Ti/Pt/Au)中的一种或几种制成,和/或,所述紫外电极12由钛/铂/金(Ti/Pt/Au)中的一种或几种制成。
如图3所示,全光谱信号首先通过紫外光敏层11,其中的紫外光被紫外光敏层11吸收并转化成电信号,由此产生的电信号被所述紫外电极12传递至衬底1中的信号处理电路100,以通过所述信号处理电路100完成电信号的响应和处理;
进一步的,全光谱信号中的红外光穿过红外热敏层6,以被红外吸收层4吸收,由此发生温度变化,所述红外热敏层6通过感应上述温度变化而改变自身电阻率,并将该自身电阻率的变化通过红外电极8传递至衬底1中的信号处理电路100,以通过所述信号处理电路100完成红外光信号的响应和处理。
由此,本实施例中双色探测器整体为一种垂直架构非制冷热敏型红外/光敏紫外双色探测器,其具有高集成度、高分辨率以及高目标识别率等优点,具体的,所述双色探测器将红外热敏层、紫外光敏层垂直集成于同一像素内,且通过隔热腔的设置避免紫外光敏层发热导致的信号串扰,因此无需额外设置制冷装置,且无需平行分区(如图2所述)分别处理不同波段的信号,可大幅降低探测器像元中心距和双色探测器系统体积。
实施例2:
本实施例与实施例1的不同之处仅在于,如图3所示,所述双色探测器还包括:
缓冲层7,其设置在所述桥面201的红外热敏层6的上方,本实施例中,所述缓冲层7可由SiO2、SiNx等性质稳定的材料中的一种或几种制成,以避免上述红外热敏层6在干法/湿法制备工艺中发生变性;
以及隔热层9,其设置于所述桥面201与紫外光敏层11之间,且内部具有隔热腔10,由此,可通过所述隔热腔10的设计避免紫外光敏层11、红外热敏层6发热导致的信号串扰。
实施例3:
本实施例与实施例1或2的不同之处仅在于,如图3所示,所述双色探测器还包括:
反射层3,其设置于所述衬底1的上方,优选与所述支撑层2的上表面接触,进一步的,所述反射层3由反光材质制成,所述反光材质包括具有高反射率的金属材料,例如金、银、铜、铝、钛、镍和铬中的任意一种或几种的组合;
以及用于将红外电极8进行全部/部分包裹的钝化层23,以避免红外电极8氧化,优选的,所述钝化层23可通过SiO2等材料制成。
进一步的,本实施例中的反射层3与所述桥面201之间形成有谐振腔5,本实施例中,所述谐振腔5为λ/4谐振腔。
由此,透过红外热敏层6、红外吸收层4的光信号被所述反射层2反射,且通过谐振腔5进行信号加强,使其再次被红外吸收层4吸收,以实现对光信号的充分利用。
实施例4:
本实施例提供了一种实施例1-3任一项所述双色探测器的制备方法,如图4-6所示,其包括如下步骤:
获取含有信号处理电路100的衬底1;
在所述衬底1上制作红外像元微桥结构200,所述红外像元微桥结构200包括桥面201以及支撑所述桥面201的桥柱202,所述桥面201包括层叠设置的红外吸收层4和红外热敏层6;
在所述红外像元微桥结构200的上方制作紫外光敏层11;
以及制作红外电极8以及紫外电极11。
具体的,所述双色探测器的制备方法包括如下步骤:
a、获取含有信号处理电路100的衬底1,且采用PECVD系统在衬底1上生长出支撑层2;
b、采用磁控溅射系统在所述支撑层2上沉积反射层3;
c、使用涂胶设备在所述支撑层2上旋涂聚酰亚胺膜层,以形成第一牺牲层21;
d、采用PECVD系统在所述第一牺牲层21上沉积红外吸收层4;
e、使用磁控溅射系统在所述红外吸收层4上沉积红外热敏层6;
f、采用PECVD系统在所述红外热敏层6上沉积缓冲层7,以避免红外热敏层6被后道工艺影响,从而产生变性;
g、使用磁控溅射系统沉积形成红外电极8;
h、使用涂胶设备在所述缓冲层7上方旋涂聚酰亚胺膜层,以形成第二牺牲层22,同时,缓冲层7还可以增强与第二牺牲层22的黏附性;
i、采用磁控溅射系统在所述第二牺牲层22上沉积紫外光敏层11;
j、使用PECVD系统在所述红外电极8上沉积钝化膜23,以将红外电极8进行全部/部分包裹,同时预留紫外电极12的形成位置;
k、使用电子束蒸发设备在所述紫外光敏层11上形成紫外电极12;
l、使用干法刻蚀等方法去除全部第一牺牲层21,以形成谐振腔5,以及去除部分第二牺牲层22,以在其内部形成隔热腔10,具有隔热腔10的、第二牺牲层22的剩余部分即为隔热层9。
综上所述,本申请中的双色探测器具有高集成度、高分辨率以及高目标识别率等优点,其将红外热敏层、紫外光敏层垂直集成于同一像素内,且通过隔热腔的设置避免紫外光敏层发热导致的信号串扰,因此无需额外设置制冷装置,且无需平行分区分别处理不同波段的信号,可大幅降低探测器像元中心距和双色探测器系统体积,有利于解决现有红外/紫外双色探测器难以小型化的难题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,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)

1.一种双色探测器,其特征在于,包括:
衬底;
红外像元微桥结构,设置于所述衬底上方,且所述红外像元微桥结构包括:桥面以及支撑所述桥面的桥柱,所述桥面包括层叠设置的红外吸收层和红外热敏层;
紫外光敏层,设置于所述红外像元微桥结构的上方。
2.如权利要求1所述的双色探测器,其特征在于,所述衬底的上方还设置有支撑层,所述红外像元微桥结构支撑于所述支撑层上。
3.如权利要求1所述的双色探测器,其特征在于,所述红外吸收层由金属氧化物、碳基材料、氮氧化硅薄膜、氧化硅薄膜、氮化硅薄膜中的一种或几种制成。
4.如权利要求1所述的双色探测器,其特征在于,所述紫外光敏层由紫外光敏宽禁带半导体材料制成。
5.如权利要求1所述的双色探测器,其特征在于,所述双色探测器还包括:
红外电极,其与所述红外热敏层接触,且与衬底中的信号处理电路电连接;
以及紫外电极,其连接所述紫外光敏层,且同时与所述衬底中的信号处理电路电连接。
6.如权利要求1所述的双色探测器,其特征在于,所述双色探测器还包括:缓冲层,其设置在所述桥面的上方。
7.如权利要求1所述的双色探测器,其特征在于,所述双色探测器还包括:隔热层,其设置于所述桥面以及紫外光敏层之间,且内部具有隔热腔。
8.如权利要求1所述的双色探测器,其特征在于,所述双色探测器还包括:反射层,其设置于所述衬底上方,所述反射层与所述桥面之间形成有谐振腔。
9.一种双色探测器的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
提供衬底;
在所述衬底上制作红外像元微桥结构,所述红外像元微桥结构包括桥面以及支撑所述桥面的桥柱,所述桥面包括层叠设置的红外吸收层和红外热敏层;
在所述红外像元微桥结构的上方制作紫外光敏层;
以及制作红外电极、紫外电极。
10.如权利要求9所述的双色探测器的制备方法,其特征在于,所述双色探测器的制备方法包括如下步骤:
a、在衬底上生长出支撑层;
b、在所述支撑层上沉积反射层;
c、在所述支撑层上旋涂聚酰亚胺膜层,以形成第一牺牲层;
d、在所述第一牺牲层上沉积红外吸收层;
e、在所述红外吸收层上沉积红外热敏层;
f、在所述红外热敏层上沉积缓冲层;
g、沉积形成红外电极;
h、在所述缓冲层上方旋涂聚酰亚胺膜层,以形成第二牺牲层;
i、在所述第二牺牲层上沉积紫外光敏层;
j、在所述红外电极上沉积钝化膜;
k、在所述紫外光敏层上形成紫外电极;
l、去除全部第一牺牲层,以形成谐振腔,以及去除部分第二牺牲层,以在其内部形成隔热腔。
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