本发明专利技术公开了一种基于超材料的太赫兹微测辐射热计及其制备方法，由超材料太赫兹吸收器和热探测器两部分组成。其中，热探测器包含微桥支撑层、热敏电阻薄膜、金属电极和钝化层四层材料。超材料太赫兹吸收器包含底层金属膜、中间介质层、顶层金属膜三层材料。本发明专利技术将超材料太赫兹吸收器与热探测器集成在一起，把超材料吸收太赫兹辐射产生的热量传递给热探测器，使热敏电阻薄膜的电学性能发生变化，由此实现太赫兹室温探测成像。本专利提供的微桥结构及制备工艺克服了微桥因超材料的加入而引起的形变等问题，使微测辐射热计具有高的力学稳定性和高的太赫兹吸收率。本发明专利技术解决了传统的微测辐射热计难于探测太赫兹波的缺陷，而且器件采用传统的微加工技术制备，适合产业化生产。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于非制冷太赫兹探测技术，具体涉及一种基于超材料吸收器的太赫兹微 测辐射热计及其制备方法。
技术介绍
按照探测原理的不同，非制冷探测器分为热释电型探测器、热电偶型探测器、热敏 电阻型探测器等。其中，基于热敏电阻材料的微测辐射热计焦平面探测器具有室温探测、集 成度高、规模化生产、价格低廉等优点，近年来发展迅速（参见Leonard P. Chen，"Advanced FPAs for Multiple Application", Proc.SPIE, 4721:1-15 (2002)文献）。太赫兹波一般指 频率在0. 1?lOTHz的电磁辐射，频率介于红外与微波之间。由于太赫兹波的光子能量远 低于X射线，对生命体的损害小，所以太赫兹技术在无损探测、人体成像等领域具有巨大的 应用前景。 传统的微测辐射热计焦平面阵列，其功能薄膜材料对红外波段的电磁辐射敏感， 但对太赫兹波的响应较弱。所以，利用传统的微测辐射热计难于对太赫兹波进行直接、 有效的室温探测。目前，使传统的微测辐射热计能够进行太赫兹波探测的方法主要有两 种：一是改进探测的光学系统，采用适当的聚焦方法提高太赫兹光源的能量。2005年，美 国麻省理工学院（MIT)的Alan Wei等人使用传统的红外微测辐射热计焦平面阵列探测 器，通过优化光学系统对光源进行聚焦处理，实现了 2. 52THz连续波透射成像（参见Alan Wei, "Real-time, continuous-wave terahertz imaging by use of a microbolometer focal-plane array"，Optical Letters，30(19):2563_2565(2005)文献）。MIT 的方案 可以利用现有成熟的红外探测技术实现对太赫兹波的探测，但其灵敏度低，而且还需增加 复杂的光学系统，不利于太赫兹探测器的小型化发展。另一种改进微测辐射热计的方法是 在传统的微桥结构中增加一层太赫兹吸收层，以此增强微桥对太赫兹波的吸收。2008年， 日本NEC公司通过在传统的红外微测辐射热计微桥的表面增镀一层特殊的金属薄膜，由 此提尚微桥对入射太赫兹波的吸收、实现太赫兹室温探测（参见Naoki Oda, "Detection of terahertz radiation from quantum cascade laser, using vanadium oxide microbolometer focal plane arrays"，Proc.SPIE 6940 (2): 1-12 (2008)文献）。这种探 测器无需复杂的光学系统就可以直接对太赫兹波进行探测。所以，相比于MIT的方案，NEC 通过增加太赫兹吸收层的方案更有优势、更加有利于太赫兹探测器小型化发展。但是，NEC 方案的缺点是：高质量的太赫兹吸收薄膜的制备条件非常苛刻，而且，其太赫兹吸收率偏低 (通常〈10% )、且无法对入射电磁波的进行选择性响应。这些缺点影响了其在器件中的广 泛应用。 2008年，Tao等人设计出被誉为"完美吸收器"的超材料，这种具有特殊结构 的超材料在太赫兹波段的理论吸收率可高达90%以上（参见TaoH,"Ametamaterial absorberfortheterahertzregime:Design,fabricationandcharacterization" ? OpticalExpress, 16 (10): 7181-7188 (2008)文献）。而且，与NEC所采用的金属薄膜吸收 层相比，超材料吸收器不仅具有更高的太赫兹吸收特性、更高的选择性，还更容易对太赫兹 波响应进行有效调节，即可以通过改变超材料的形状、尺寸、金属电导率、介质层厚度和介 电常数等参数，实现对太赫兹波的响应频率、频带、和吸收率等光学性能的有效调节。目前， 超材料吸收器的类型有多种，包括开口谐振环（SRRs)、互补型超材料、贴片型超材料等。其 中，带有电场共振结构的SRRs具有极化特性，即超材料对电磁波的吸收率与入射光源的极 化方向有关（参见 Withayachumnankul W, "Metamaterials in the Terahertz Regime". IEEE Photonics Technol. Lett. , 1(2) : 99-117 (2009)文献）。SRRs 型超材料适用于对相干 光源的探测，对于一般的非相干性太赫兹光源，可以选择非极化的贴片型超材料。目前，大 多数超材料以硅片作为基底进行制备，对超材料的厚度没有限制。但是，如果把超材料集成 在悬浮的微测辐射热计微桥上，将面临诸如结构尺寸受限于微桥的桥面面积、重量过大导 致微桥坍塌或形变、以及制备工艺的兼容性等问题。 总之，基于超材料的太赫兹微测辐射热计也面临挑战。
技术实现思路
本专利技术所要解决的问题是如何利用现有的半导体工艺，在具有特定微小立体结构 的、悬浮的微测辐射热计微桥的桥面上构造一种非极化的超材料太赫兹吸收器，使其在太 赫兹波段（〇. 1THZ?10THZ)具有特定的高响应吸收。同时，还解决在制备超材料太赫兹吸 收器过程中残余应力及材料重量对微桥产生的坍塌或形变等影响，使微测辐射热计保持高 的力学稳定性。 本专利技术的技术方案为：基于超材料的太赫兹微测辐射热计，由超材料太赫兹吸收 器和热探测器两部分组成，其中，热探测器包含底层的微桥支撑层、第二层的热敏电阻薄膜 层、第三层的金属电极层和第四层的钝化层；超材料太赫兹吸收器包含底层金属膜层、中间 介质层、顶层金属膜层；超材料太赫兹吸收器的底层金属膜与热探测器的钝化层相接触。 进一步地，热探测器中，微桥支撑层和钝化层均为非晶介质薄膜，非晶介质薄膜为 非晶氮化硅、氧化硅、氮氧化硅材料当中的一种或者是它们的复合膜；金属电极层为金属 Al、Au、Ti、TiN x、TiSix、TiWx、W、WSix、Ni、NiSi x、Ta、TaNx、Fe、Pt、Cu、Ag、NiCr 当中的一种 或者是它们的复合物；热敏电阻薄膜层为V0X、TiOx、BaTi0 3、非晶硅热敏电阻材料当中的一 种或者是它们的复合物。 进一步地，超材料太赫兹吸收器中，底层金属膜层及顶层金属膜层为方形图形，材 料为 Al、Au、Ti、TiNx、TiSix、TiWx、W、WSi x、Ni、NiSix、Ta、TaNx、Fe、Pt、Cu、Ag、NiCr 当中的 一种或者是它们的复合物。中间介质层为非晶氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、聚酰亚胺、A1203、 FeO x、TiOx、TiNx、V0X、VNX、HfO x、HfA10x、GaAs薄膜当中的一种或者是它们的复合物。 基于超材料的太赫兹微测辐射热计的制备方法，该微测辐射热计的制备包括以下 步骤：步骤如下： ①清洗带有集成电路的娃片，利用反应器在娃片表面沉积一层厚度为5?5000nm 的非晶氮化硅或氧化硅、氮氧化硅薄膜当中的一种或者是它们的复合膜，作为硅片钝化 层； ②在硅片钝化层的表面利用反应器沉积一层金属Al、Au、Ti、TiNx、TiSi x、TiWx、W、 WSix、Ni、NiSix、Ta、TaN x、Fe、Pt、Cu、Ag、N本文档来自技高网...
【技术保护点】
基于超材料的太赫兹微测辐射热计，其特征在于，由超材料太赫兹吸收器和热探测器两部分组成，其中，热探测器包含底层的微桥支撑层、第二层的热敏电阻薄膜层、第三层的金属电极层和第四层的钝化层；超材料太赫兹吸收器包含底层金属膜层、中间介质层、顶层金属膜层；超材料太赫兹吸收器的底层金属膜与热探测器的钝化层相接触。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：许向东，敖天宏，蒋亚东，姚洁，范凯，陈哲耕，邹蕊矫，王蒙，何琼，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51
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