热电堆红外探测器及其制作方法技术

本发明专利技术提供一种热电堆红外探测器及其制作方法，该热电堆红外探测器包括：衬底，所述衬底内具有空腔；介质支撑膜，位于所述空腔上方并由所述衬底支撑；热电堆，位于所述空腔上方的介质支撑膜上；超材料结构，位于所述热电堆上方，所述超材料结构包括：金属平面反射镜；中间介质层，位于所述金属平面反射镜上；金属微结构层，位于所述中间介质层上，其中，所述金属微结构层包括一种或多种结构周期单元，所述结构周期单元包括一种或多种在红外光谱范围内具有光吸收增强效应的几何图形单元。本发明专利技术能够实现红外波段宽光谱范围的完美吸收，进而提高热电堆探测器的红外吸收率和响应率，并且其制作方法也能与常规CMOS工艺兼容。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及热电堆红外探测器技术，尤其涉及一种利用超材料结构作为红外吸收 体来增强光吸收的。
技术介绍
热电堆红外探测器是最早研宄并实用化的红外成像器件之一，作为一种非致冷型 的红外探测器，因其具有尺寸小、重量轻、无需致冷、灵敏度高等优点，在安全监视、医学治 疗、生命探测和消费产品等方面有广泛应用，并且其发展也更为迅速。 热电堆探测器的工作原理主要基于塞贝克效应：两种不同的材料或材料相同但逸 出功不同的物体A和B在热结端相连，如果热结与冷区间存在温度差A T，那么在冷区的两 个梁间就会产生开路电势差A V，亦称温差电效应，通过检测该电势差A V可以反应出温度 差A T，而探测红外信号的过程也就是"光-热-电"两级传感转换的过程。 热电堆红外探测器主要包括热电堆和红外吸收体。其中，红外吸收体吸收辐射的 红外光，导致红外吸收体的温度升高，红外吸收体所对应的位置为热电堆的热结区，而冷结 区所对应的衬底温度通常与环境温度一致，从而引起热电堆两端的温度差。利用红外吸收 层对红外辐射光谱的高吸收特性，可以提高探测器的性能。 为了提高热电堆红外探测器的红外吸收率，一般在热结区涂覆一层高红外吸收的 材料，如金黑和银黑等涂层。然而，这种方案的制作工艺涉及到金属蒸发和金属纳米颗粒的 凝集等工序，与常规CMOS工艺的兼容性差。 直接利用CMOS工艺中的介电层材料（例如氧化硅和氮化硅）作为红外吸收材料， 虽可以避免涂黑工艺，但这些介电层材料在常用的红外波长范围内的吸收率并不高，导致 红外探测器的响应率有限。 此外，现有技术中还存在多种可作为红外吸收区的结构来增强光吸收，譬如在红 外吸收层的上方加一聚焦透镜。然而，透镜弯曲度及与芯片距离难以控制，容易产生聚焦的 偏呙。 又譬如，有谐振腔结构利用介质层厚度与入射红外光的1/4波长相匹配时产生的 谐振效果增强光吸收。然而，受谐振条件的限制，该结构只是对某一特定波长的光辐射有增 强。 虽然上述技术都提供了一定程度的红外吸收的增强，然而其制作工艺与CMOS工 艺的兼容性以及红外吸收性能的提升还需进一步的探索，需要更有效的技术方案。
技术实现思路
本专利技术要解决的问题是提供一种，能够实现红外 波段宽光谱范围的完美吸收，进而提高热电堆探测器的红外吸收率和响应率，并且其制作 方法也能与常规CMOS工艺兼容。 为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种热电堆红外探测器，包括： 衬底，所述衬底内具有空腔； 介质支撑膜，位于所述空腔上方并由所述衬底支撑； 热电堆，位于所述空腔上方的介质支撑膜上； 超材料结构，位于所述热电堆上方，所述超材料结构包括： 金属平面反射镜； 中间介质层，位于所述金属平面反射镜上； 金属微结构层，位于所述中间介质层上，其中，所述金属微结构层包括一种或多种 结构周期单元，所述结构周期单元包括一种或多种在红外光谱范围内具有光吸收增强效应 的几何图形单元。 根据本专利技术的一个实施例，所述超材料结构的阻抗为350欧姆?400欧姆。 根据本专利技术的一个实施例，所述中间介质层和金属微结构层的数量为多个，所述 多个中间介质层和多个金属微结构层在垂直方向上以相互间隔的方式依次级联，叠置在所 述金属平面反射镜上。 根据本专利技术的一个实施例，所述多个金属微结构层中，不同的金属微结构层中包 含不同的结构周期单元，以分别吸收不同波段的红外光。 根据本专利技术的一个实施例，所述热电堆红外探测器还包括： 钝化层，覆盖所述热电堆，所述超材料结构位于所述钝化层上。 根据本专利技术的一个实施例，所述钝化层的材料为氧化硅或氮化硅，或者所述钝化 层为氧化硅与氮化硅形成的复合介质膜。 根据本专利技术的一个实施例，所述结构周期单元的数量为多个，所述多个结构周期 单元在二维方向上周期排布。 根据本专利技术的一个实施例，所述多个结构周期单元在二维方向上的排布周期为1 微米?10微米。 根据本专利技术的一个实施例，所述金属微结构层的厚度为0. 01微米?0. 2微米。 根据本专利技术的一个实施例，所述金属微结构层的材料为金、银、铜、铝、钛、镍和铬 中的任意一种或任意组合。 根据本专利技术的一个实施例，所述金属平面反射镜的厚度大于50纳米。 根据本专利技术的一个实施例，所述金属平面反射镜的材料为金、银、铜、铝、钛、镍和 铬中的任意一种或任意组合。 根据本专利技术的一个实施例，所述中间介质层的厚度为10纳米?1500纳米。 根据本专利技术的一个实施例，所述中间介质层的材料为二氧化硅、氮化硅、碳化硅、 硅、锗、聚酰亚胺、三氧化二铝中的任意一种或任意组合。 根据本专利技术的一个实施例，所述介质支撑膜的材料为氧化硅或氮化硅，或者所述 介质支撑膜为氧化娃与氮化娃形成的复合介质膜。 根据本专利技术的一个实施例，所述热电堆包括第一热偶条以及与所述第一热偶条对 应配合的第二热偶条，所述第一热偶条和第二热偶条部分相接，部分通过绝缘层隔离。 根据本专利技术的一个实施例，所述第一热偶条和第二热偶条的材料为A1和多晶硅、 Ti和多晶硅、Au和多晶硅，或者N型掺杂多晶硅和P型掺杂多晶硅。 为了解决上述问题，本专利技术还提供了一种热电堆红外探测器的制造方法，包括： 提供衬底； 在所述衬底上形成介质支撑膜； 在所述介质支撑膜上形成热电堆； 在所述热电堆上方依次形成金属平面反射镜、中间介质层和金属微结构层，以形 成超材料结构，其中，所述金属微结构层包括一种或多种结构周期单元，所述结构周期单元 包括一种或多种在红外光谱范围内具有光吸收增强效应的几何图形单元； 对所述衬底进行刻蚀和/或湿法腐蚀，以在所述热电堆下方形成空腔。 根据本专利技术的一个实施例，对所述衬底进行刻蚀和/或湿法腐蚀，以在所述热电 堆下方形成空腔包括： 在所述热电堆和超材料结构周围刻蚀形成刻蚀孔，所述刻蚀孔的底部暴露出所述 衬底； 通过所述刻蚀孔对所述衬底的正面进行刻蚀和/或湿法腐蚀，以形成所述空腔。 根据本专利技术的一个实施例，对所述衬底进行刻蚀和/或湿法腐蚀，以在所述热电 堆下方形成空腔包括： 对所述衬底的背面进行刻蚀和/或湿法腐蚀，以形成所述空腔。 根据本专利技术的一个实施例，所述超材料结构的阻抗为350欧姆?400欧姆。 根据本专利技术的一个实施例，所述中间介质层和金属微结构层的数量为多个，所述 多个中间介质层和多个金属微结构层在垂直方向上以相互间隔的方式依次级联，叠置在所 述金属平面反射镜上。 根据本专利技术的一个实施例，所述多个金属微结构层中，不同的金属微结构层中包 含不同的结构周期单元，以分别吸收不同波段的红外光。 根据本专利技术的一个实施例，形成所述超材料结构之前，所述制作方法还包括：形成 钝化层，所述钝化层覆盖所述热电堆，所述超材料结构位于所述钝化层上。 根据本专利技术的一个实施例，所述钝化层的材料为氧化硅或氮化硅，或者所述钝化 层为氧化硅与氮化硅形成的复合介质膜。 根据本专利技术的一个实施例，所述结构周期单元的数量为多个，所述多个结构周期 单元在二维方向上周期排布。 根据本专利技术的一个实施例，所述多个结构周期单元在二维方向上的排布周期为1 微米?10微米。 根据本专利技术的一个实施例，所述金属微结构层的厚度为0. 01微米?0. 2微米。 根据本专利技术的一个实施例，所述金属微结构层的材料为金、银、铜、铝、钛、镍和铬 中的任意一种或任意组合。 根据本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热电堆红外探测器，其特征在于，包括：衬底，所述衬底内具有空腔；介质支撑膜，位于所述空腔上方并由所述衬底支撑；热电堆，位于所述空腔上方的介质支撑膜上；超材料结构，位于所述热电堆上方，所述超材料结构包括：金属平面反射镜；中间介质层，位于所述金属平面反射镜上；金属微结构层，位于所述中间介质层上，其中，所述金属微结构层包括一种或多种结构周期单元，所述结构周期单元包括一种或多种在红外光谱范围内具有光吸收增强效应的几何图形单元。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙福河，闻永祥，刘琛，季锋，陈雪平，
申请(专利权)人：杭州士兰集成电路有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33