短波光学热探测器及其焦平面阵列器件制造技术

本发明专利技术公开了一种短波光学热探测器及其焦平面阵列，所述短波光学热探测器包括电极、电接触点、光热探测结构和衬底，电极的两端分别与电接触点和光热探测结构连接，所述光热探测结构包括热敏感线和能产生局域表面等离激元共振的导电纳粒子。当特定波长的电磁辐射作用于导电纳粒子时产生局部表面等离激元共振而形成热点，从而引起热敏感线升温而导致其电参数发生变化，从而实现探测器对特定电磁辐射的探测。通过调节导电纳粒子的几何参数和组合不同参数导电纳粒子，实现选择性光谱辐射探测和多波段辐射探测。本发明专利技术的光热探测器结构简单，用于实现低成本短波光学(紫外、可见光和近红外)波段探测器及其焦平面阵列成像器件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光电探测器技术，具体地指一种光热型探测器及其焦平面阵列，用于探测短波光学波段(紫外、可见光和近红外)的电磁辐射。
技术介绍
光电探测器的物理效应通常分为光子效应和光热效应，对应的探测器分别称为光子型探测器和光热型探测器。各种光子型探测器的共同特征是采用半导体能带材料，光子能量对探测材料中光电子的产生起直接作用，故光子型探测器存在截止响应频率或波长，且光谱响应限于某一波段，因此不同的材料体系决定了探测器具有不同的响应波长范围，一般难以用于宽谱或多谱段探测。对于光热型探测器，在吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升，从而引起探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化，故光热效应与光子能量的大小没有直接关系，光热型探测器原则上对频率没有选择性。由于红外波段特别是中长波红外以上波段的光热效应相比紫外和可见光更明显，故光热探测器通常用于中长波光学辐射的探测，典型的光热型探测器包括微测辐射热计、热释电探测器和热偶探测器等种类。由于温度升高是热积累的作用，基于光热效应的热探测器一般响应速度较慢，在毫秒量级。如上所述，用于紫外、可见光和近红外等波段的短波光学探测器主要是光子型探测器，而光热型探测器由于对短波光学波段的电磁辐射吸收很低，故探测率和响应时间都比已知的光子型探测器差很多，因此几乎没有得到应用。
技术实现思路
本专利技术目的在于克服上述现有技术的不足而提供一种短波光学热探测器及其构成的焦平面阵列器件，该短波光学热探测器结构简单且具有高探测率和高响应速率，可用于构建低成本的紫外、可见光和近红外电磁辐射探测器。实现本专利技术目的采用的技术方案是：一种短波光学热探测器，包括电极、电接触点、光热探测结构和衬底，电极的两端分别与电接触点和光热探测结构连接，所述光热探测结构包括热敏感线和能够产生局域表面等离激元共振(LSPR)的导电纳粒子。本专利技术还提供一种通过M×N个上述的短波光学热探测器以二维形式紧密排布构成焦平面阵列面阵成像器件。本专利技术短波光学热探测器的工作原理如下：当特定波长的电磁辐射作用于热敏探测结构中的导电纳粒子时，电磁辐射与导电纳粒子中的自由电子发生耦合，产生局部表面等离激元共振而形成热点，随后引起热点附近热敏感线升温同时导致其电参数发生变化。这种电参数变化能够被信号读出电路或外电路探测到，从而实现探测器对特定电磁辐射的探测。传统的热探测器如微测辐射热计采用表面多层薄膜结构或由薄膜形成的表面共振腔结构获得高的红外吸收效果，而本专利技术的热探测器则主要利用导电纳粒子的LSPR共振热效应产生红外辐射的吸收，原理明显不同。另外，相比传统热探测器，本专利技术中光热探测结构的宽度为前者的1/10至1/50，其热容小很多，因而不仅LSPR热点产生的温度变化显著，且这种变化更迅速，更有利于实现快响应探测器。本专利技术可以达到如下的有益效果：(1)器件结构简单，制作工艺与CMOS工艺兼容。无需采用传统的窄带隙半导体和化合物半导体能带材料制作短波长探测器，而是利用导电纳粒子的LSPR特性接收光辐射能量并转换成热量，热量的探测则采用热敏感线，因此电磁辐射的接收和热量的探测功能是分离的，这样有利于独立优化导电纳粒子和热敏感线的结构参数。(2)探测光谱可调，且探测结构和处理电路通用性强，成本低。通过改变导电纳粒子的材料或几何参数，就可以调节探测器的响应波长，故探测光谱可调。另外，不同结构参数的导电纳粒子可采用相同的热敏感线和信号处理电路，因此不同光谱和波段辐射的探测可共用也可通用，将大大降低成本。(3)易于实现宽谱探测或多带探测。通过采用多个含有不同纳粒子的光热探测结构的组合，能够在一个探测器中获得多个波段的响应，因此可用于构建宽谱或多带探测器。(4)响应速度快，可以媲美光子型探测器。相比于传统的微测辐射热计等面接收探测器，由于本专利技术中的光热探测结构具有小得多的线宽度和特殊的光热结构，热质量很低，故本专利技术的器件还具有比传统热探测器响应速度更快的特点，热时间常数可以降低到微秒甚至纳秒量级，与某些快响应光子型探测器相当。附图说明图1为实施例1短波光热探测器的结构示意图。图2为图1的A-A向剖示图。图3为本专利技术光热探测器运行原理框图。图4为Al纳米盘在短波光辐照下的光谱温升曲线图。图5为具有不同粒子直径的Al纳米盘的消光效率曲线图。图6为实施例2光热探测器中光热探测结构的截面示意图。图7为实施例3光热探测器中光热探测结构的截面示意图。图8含有多个纳粒子的多波段或宽带探测器的截面示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步的详细说明。实施例1如图1和图2所示，本实施例短波光学热探测器包括光热探测结构10，两条电极11，12，两个电接触点或金属焊盘13和14以及硅衬底20组成，其中两条电极11，12的两端分别连接光热探测结构10与电接触点或金属焊盘13，14。光热探测结构10至少由热敏感线22和导电纳粒子15组成，热敏感线22与衬底20之间有绝缘介质层21。电接触点或金属焊盘13和14与衬底20上的读出电路或外电路(未示出)互连导通。绝缘介质层21优选二氧化硅。本实施例短波光学热探测器的运行原理如图3所示，入射光照射到导电纳粒子15激发局部等离子体共振引起场增强，纳粒子中的自由电子气在强电场作用下振荡剧烈，从而引起内部晶格共振而产生大量热能导致其温度上升，随后引起周围热敏感线22升温，热敏感线22的电参数发生变化而通过电接触点被衬底上的信号读出电路或外电路测量。该探测器的特征在于：光热探测结构中含有热敏感线以及与热敏感线接触的可激发LSPR并实现光热转换的导电纳粒子。通过调节导电纳粒子的几何参数能够调节共振波长，从而调节探测器的响应光谱。如果同时还有多个不同的导电纳粒子则可能产生多个共振波长，从而构成多波段或宽波段探测。传统观点认为紫外和可见光辐照金属薄膜时，其光热效应不明显，但是在纳粒子激发局部等离激元共振条件下，局部场强大大增强，在强场作用下电子振荡引起的局部加热会导致温升大幅提高。本实施例中导电纳粒子采用直径为100nm厚度为30nm的Al盘，热敏感线为氧化钒(VOx),其宽度为300nm，长度为4μm，TCR为-1.8％/℃，方块电阻为8KΩ/□。图4显示在单色辐照强度为30W/m2的短波光(波长范围0.2～2.0μm)辐照下的光谱温升曲线，其中峰值响应波长为350nm，峰值温升接近0.5K，在常温下该温升将导致VOx线的电阻下降约0.94KΩ，该值易于被外部测量电路或衬底上的信号读出电路测出。导电纳粒子LSPR的共振波长与纳粒子材料、形状、几何尺寸和所处的
环境介质有关。改变这些因素可调节共振波长峰值位置、共振带宽和光谱强度。在紫外波段，可以激发等离激元共振的导电材料有单质金属如Al、Mg、Ga、In、Rh、Cr、Ti、Cu、Pt等以及合金如GaMg等。其中与CMOS工艺兼容的Al是制作导电纳粒子的首选材料，其等离子频率ωp≈15eV，相比于在可见和近红外波段的常用SPP金属Au和Ag(等离子频率为ωp≈8-9eV)具有更高的等离子体频率，意味着Al更易于在高能量波段即紫外波段激发表面等离激元。图5给出了具有不同直径的单个Al纳本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种短波光学热探测器，包括电极、电接触点、光热探测结构和衬底，电极的两端分别与电接触点和光热探测结构连接，其特征在于：所述光热探测结构包括热敏感线和能产生局域表面等离激元共振的导电纳粒子。

【技术特征摘要】
1.一种短波光学热探测器，包括电极、电接触点、光热探测结构和衬底，电极的两端分别与电接触点和光热探测结构连接，其特征在于：所述光热探测结构包括热敏感线和能产生局域表面等离激元共振的导电纳粒子。2.根据权利要求1所述的短波光学热探测器，其特征在于：所述热敏感线的宽度≤2μm。3.根据权利要求1所述的短波光学热探测器，其特征在于：所述热敏感线材料包括VOx、α-Si、Si-Ge、YBCO或NiO；所述导电纳粒子由金属Al、Mg、Ga、In、Rh、Cr、Ti、Cu、Pt、Au、Ag以及合金GaMg之一制成。4.根据权利要求3所述的短波光学热探测器，其特征在于：所述的导电纳粒子为单个纳粒子或由多个纳粒子组成的周期或非周期阵列结构；单个钠粒子的形状为球形、圆盘形、方形、长方形、三角型、十字形或星形。5.根据权利要求4所述的短波光学热探测器，其特征在于：所述的导电纳粒子几何尺寸与电磁辐射直接作用部分的尺寸至少一维小于1μm。6....

【专利技术属性】
技术研发人员：赖建军，
申请(专利权)人：武汉光电工业技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42