CN203772418U - 非制冷长波红外探测器用吸收层结构 - Google Patents

非制冷长波红外探测器用吸收层结构 Download PDF

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欧阳程
黄志明
周炜
吴敬
高艳卿
龙芳
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Abstract

本专利公开了一种非制冷长波红外探测器用吸收层结构，该吸收层位于探测器的热敏感薄膜上，自上而下依次由第一介质层、第二金属层、第三绝缘层组成。其特征在于：第一介质层是导热性好、抗腐蚀性强的氮化硅薄膜，作为减反层和器件保护层，膜厚为1000nm–1200nm；第二金属层是膜厚为8nm–12nm的镍铬合金层，作为红外波段的吸收层；第三绝缘层是膜厚为50nm–100nm的二氧化硅薄膜，作为热敏感薄膜与金属层之间的绝缘层。该吸收层制备工艺简单，易与现有的微电子工艺兼容，适用于单元、线列及面阵红外探测器。本专利所提供的红外吸收层具有附着牢固、抗腐蚀性强、重复性好、比热容低、传热性能优异、在8–14微米红外波段具有85%以上吸收率的优点。

Description

非制冷长波红外探测器用吸收层结构
技术领域
本专利涉及光学薄膜元件，具体涉及一种非制冷长波红外探测器用吸收层结构。
背景技术
非制冷热敏薄膜型红外探测器是一种重要的红外探测器，相比体材料热敏器件具有热容小、响应速度快、可靠性和稳定性高、重复性好等优点，在军事、民用和工业等领域有着广泛的应用前景，例如可用于产品生产监测、红外热成像、防火报警、非接触测温、光谱分析、温度传感器、导弹跟踪和拦截、医疗诊断等诸多方面。热敏型红外探测器是利用红外辐射的热效应，通过热与其他物理量（例如电阻值、自发极化强度、温度电动势等）的变换来探测红外辐射的。在所有热敏型红外探测器中，以热敏电阻型红外探测器应用最为广泛，它相比热释电和热电偶两种热敏红外探测器更容易制备，而且成本低廉，性能也更稳定。
常用的热敏电阻型材料主要有金属和半导体薄膜。当温度增加时，金属薄膜电子迁移率下降，从而引起薄膜电阻增加，电阻温度系数（TCR）为正值，但其值一般很小。而半导体材料的TCR一般要高一个数量级，是目前最常用的热敏感材料。当温度升高时，半导体材料的电荷载流子浓度和迁移率增大，电阻率随着材料温度升高而减小，显示出负的TCR。热敏电阻薄膜型红外探测器具有非制冷、制作工艺与集成电路制造工艺兼容，便于大规模生产等优点，具有相当大的发展潜力，是目前发展速度最快、性能最好和最具有应用前景的一种非制冷红外探测器。
非制冷红外探测的吸收层对红外辐射的吸收特性，不仅直接影响着器件的响应率和探测率，还决定了器件的光谱响应特性。为了提高非致冷红外探测器的性能，对于红外吸收层来说，能以高效率吸收红外辐射是非常重要的。本专利所提供的红外吸收层的最大特点是在8–14微米红外波段具有85%以上吸收率，同是该吸收层具有附着牢固、耐高温、抗腐蚀性强、重复性好、比热容低、传热性能优异等优点，易于与现有的微电子加工工艺兼容，适用于单元、线列及面阵红外探测器。
发明内容
本专利的目的是提出一种非制冷长波红外探测器用吸收层结构。本专利的设计有效解决了传统红外吸收层结构吸收波段短、和现有半导体工艺不兼容、难以用于线列和面阵探测器的问题。
本专利公开了一种非制冷长波红外探测器用吸收层结构及其制备工艺，其结构如图1所示，它由氮化硅薄膜1、镍铬合金层2和二氧化硅薄膜3组成，其特征在于：红外吸收层结构按辐射的入射顺序依次为氮化硅薄膜1、镍铬合金层2、二氧化硅薄膜3，其中：
所述氮化硅薄膜1的膜厚为1000nm–1200nm；
所述镍铬合金层2的膜厚为8nm–12nm，其方块电阻为9.0Ω/□–10.0Ω/□；
所述二氧化硅薄膜3的膜厚为50nm–100nm。
本专利设计的长波红外吸收层结构可以通过以下工艺步骤实现：
1）采用化学溶液法在非晶氧化铝衬底上制备厚度为3.5μm锰钴镍氧薄膜。
2）在锰钴镍氧薄膜表面光刻图形化，形成刻蚀掩膜。
3）采用氩离子/HBr湿法刻蚀工艺制作锰钴镍氧探测器光敏元，面积为0.01mm2-0.25mm2。浮胶清洗。
4）在薄膜表面光刻图形化，采用双离子束溅射工艺淀积50nm的铬和200nm的金作为探测器的电极。浮胶清洗。
5）在薄膜表面光刻图形化，采用射频磁控溅射工艺淀积二氧化硅薄膜，厚度为50nm–100nm。
6）采用双离子束溅射工艺淀积镍铬合金层，厚度为8nm–12nm。浮胶清洗。
7）在薄膜表面光刻图形化，采用射频磁控溅射工艺淀积氮化硅薄膜，厚度为1000nm–1200nm。浮胶清洗。
本专利的优点在于：该红外吸收层结构具有附着牢固、耐高温、抗腐蚀性强、重复性好、比热容低、传热性能优异，在8–14微米红外波段具有85%以上吸收率等优点；同时该吸收层制备工艺简单，易于与现有的微电子加工工艺兼容，利于工艺整合，适用于单元、线列及面阵红外探测器。
附图说明：
图1为红外吸收层结构图，图中1、氮化硅薄膜，2、镍铬合金层，3、二氧化硅薄膜，4、红外热敏感薄膜。
具体实施方式：
以下结合附图，通过具体实例对本专利做进一步详细说明，但本专利的保护范围并不限于以下实例。
实例一：
在基于Mn1.56Co0.96Ni0.48O4热敏薄膜型红外探测器中，采用了本专利所提供的长波红外吸收层结构。具体通过以下步骤实现。
（一）Mn1.56Co0.96Ni0.48O4热敏薄膜的制备
1）采用化学溶液法在非晶氧化铝衬底上制备Mn1.56Co0.96Ni0.48O4薄膜，厚度约为3.5μm。
（二）刻蚀形成电极结构
2）在Mn1.56Co0.96Ni0.48O4薄膜表面光刻图形化，形成刻蚀掩膜。
3）采用氩离子/HBr湿法刻蚀工艺制作探测器光敏元，面积为0.09mm2。浮胶清洗。
4）在薄膜表面光刻图形化，采用双离子束溅射工艺淀积50nm的铬和200nm的金作为探测器的电极。浮胶清洗。
（三）淀积红外吸收层结构
5）在薄膜表面光刻图形化，采用射频磁控溅射工艺淀积二氧化硅薄膜，厚度为50nm。
6）采用双离子束溅射工艺淀积镍铬合金层，厚度为8nm。浮胶清洗。
7）在薄膜表面光刻图形化，采用射频磁控溅射工艺淀积氮化硅薄膜，厚度为1000nm。浮胶清洗。
实例二：
在基于Mn1.56Co0.96Ni0.48O4热敏薄膜型红外探测器中，采用了本专利所提供的长波红外吸收层结构。具体通过以下步骤实现。
（一）Mn1.56Co0.96Ni0.48O4热敏薄膜的制备
1）采用化学溶液法在非晶氧化铝衬底上制备Mn1.56Co0.96Ni0.48O4薄膜，厚度约为3.5μm。
（二）刻蚀形成电极结构
2）在Mn1.56Co0.96Ni0.48O4薄膜表面光刻图形化，形成刻蚀掩膜。
3）采用氩离子/HBr湿法刻蚀工艺制作探测器光敏元，面积为0.09mm2。浮胶清洗。
4）在薄膜表面光刻图形化，采用双离子束溅射工艺淀积50nm的铬和200nm的金作为探测器的电极。浮胶清洗。
（三）淀积红外吸收层结构
5）在薄膜表面光刻图形化，采用射频磁控溅射工艺淀积二氧化硅薄膜，厚度为75nm。
6）采用双离子束溅射工艺淀积镍铬合金层，厚度为10nm。浮胶清洗。
7）在薄膜表面光刻图形化，采用射频磁控溅射工艺淀积氮化硅薄膜，厚度为1100nm。浮胶清洗。
实例三：
在基于Mn1.56Co0.96Ni0.48O4热敏薄膜型红外探测器中，采用了本专利所提供的长波红外吸收层结构。具体通过以下步骤实现。
（一）Mn1.56Co0.96Ni0.48O4热敏薄膜的制备
1）采用化学溶液法在非晶氧化铝衬底上制备Mn1.56Co0.96Ni0.48O4薄膜，厚度约为3.5μm。
（二）刻蚀形成电极结构
2）在Mn1.56Co0.96Ni0.48O4薄膜表面光刻图形化，形成刻蚀掩膜。
3）采用氩离子/HBr湿法刻蚀工艺制作探测器光敏元，面积为0.09mm2。浮胶清洗。
4）在薄膜表面光刻图形化，采用双离子束溅射工艺淀积50nm的铬和200nm的金作为探测器的电极。浮胶清洗。
（三）淀积红外吸收层结构
5）在薄膜表面光刻图形化，采用射频磁控溅射工艺淀积二氧化硅薄膜，厚度为100nm。
6）采用双离子束溅射工艺淀积镍铬合金层，厚度为12nm。浮胶清洗。
7）在薄膜表面光刻图形化，采用射频磁控溅射工艺淀积氮化硅薄膜，厚度为1200nm。浮胶清洗。

Claims (1)

1.一种非制冷长波红外探测器用吸收层结构，它由氮化硅薄膜（1）、镍铬合金层（2）和二氧化硅薄膜（3）组成，其特征在于：所述的吸收层结构按辐射的入射顺序依次为氮化硅薄膜（1）、镍铬合金层（2）和二氧化硅薄膜（3）；其中：
所述氮化硅薄膜（1）的膜厚为1000nm–1200nm；
所述镍铬合金层（2）的膜厚为8nm–12nm，其方块电阻为9.0Ω/□–10.0Ω/□；
所述二氧化硅薄膜（3）的膜厚为50nm–100nm。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN103852171A (zh) * 2014-01-17 2014-06-11 中国科学院上海技术物理研究所 一种非制冷长波红外探测器用吸收层结构
CN110160658A (zh) * 2019-05-17 2019-08-23 中国科学院上海技术物理研究所 一种刻蚀增强型的非制冷红外薄膜探测器及制备方法

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CN103852171A (zh) * 2014-01-17 2014-06-11 中国科学院上海技术物理研究所 一种非制冷长波红外探测器用吸收层结构
CN110160658A (zh) * 2019-05-17 2019-08-23 中国科学院上海技术物理研究所 一种刻蚀增强型的非制冷红外薄膜探测器及制备方法
CN110160658B (zh) * 2019-05-17 2023-11-07 中国科学院上海技术物理研究所 一种刻蚀增强型的非制冷红外薄膜探测器及制备方法

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