一种钽酸锂窄带探测器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种钽酸锂窄带探测器及其制备方法，属于热释电红外探测器领域。探测器包括探测器本体和电磁超表面结构，电磁超表面结构设置在探测器本体上，其中，探测器本体包括从下至上设置的硅底座支撑、下电极、钽酸锂晶片、上电极，电磁超表面结构包括自下而上设置金背板、介质层以及天线，其中，金背板与上电极为同一物体，两者共用。本发明专利技术还提供了钽酸锂窄带探测器的制备方法，本发明专利技术采用超表面技术对传统的热释电探测器没有波长选择性的缺陷进行改进，在一定波长范围内能够实现对特定波长的检测，并且简化了红外探测器的制备流程。

A lithium tantalate narrow band detector and its preparation method

The invention discloses a lithium tantalate narrow band detector and a preparation method, which belongs to the field of pyroelectric infrared detector. The detector includes a detector body and electromagnetic surface structure, surface structure is arranged in the electromagnetic detector body, wherein the body comprises a detector from the bottom silicon base is provided support, a lower electrode, lithium tantalate wafer, electrode, electromagnetic surface structure comprises a bottom-up set gold back, medium layer and the antenna. Kim, backplane and electrodes for the same object, the two share. The invention also provides a method for preparing lithium tantalate narrowband detector, the invention adopts the traditional defects over the surface technology of pyroelectric detector without wavelength selectivity is improved, can realize the detection of specific wavelength in a certain wavelength range, and simplifies the process of preparation of infrared detector.

【技术实现步骤摘要】
一种钽酸锂窄带探测器及其制备方法
本专利技术属于热释电红外探测器领域，涉及一种基于超表面结构的钽酸锂窄带探测器及制备方法。
技术介绍
热红外探测与传感是一种有着广泛应用的关键技术。与价格昂贵的低温工作的光电探测系统相比，热红外探测器有着更低的成本，更简单的工艺流程，但是由于热探测器只能对热响应，不具有波长选择性，不能够检测特定单一波长，灵敏度相较于光电探测器差，这在一定程度上限制了热红外探测器在更广泛领域上的使用。近年来，超表面作为一种全新的电磁材料已经成为一个研究热点。超表面的电磁特性基本与其组分材料的性质无关，而与其内部的微结构有关。当入射光与这层微结构相互作用时，会产生表面等离激元，可以实现纳米尺寸下光场的聚焦和增强。借助这一性质，许多基于超表面的微纳光学设备被制作出来，比如完美吸波体，完美透镜，复折射率材料等。通过调整超表面的微结构特性参数，能够实现使探测效果最佳。目前，还没有将热红外探测与传感技术与超表面技术结合在一起，以改进现有技术的缺陷。
技术实现思路
针对现有技术缺陷和改进需求，本申请提供了一种基于超表面结构的钽酸锂热释电窄带探测器及其制备方法，目的在于，采用超表面技术对传统的热释电探测器没有波长选择性的缺陷进行改进，在一定波长范围内能够实现对特定波长的检测，并且简化了红外探测器的制备流程。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种钽酸锂窄带探测器，其包括探测器本体和电磁超表面结构，电磁超表面结构设置在探测器本体上，其中，探测器本体包括从下至上设置的硅底座支撑、下电极、钽酸锂晶片、上电极，电磁超表面结构包括自下而上设置金背板、介质层以及天线，其中，金背板与上电极为同一物体，两者共用。在本专利技术的一个实施例中，所述天线包括十字金天线或者圆盘金天线。在本专利技术的一个实施例中，所述介质层包括介质层硅或者介质层二氧化硅。在本专利技术的一个实施例中，电磁超表面结构包括两种，一种是金背板+介质层硅+十字金天线，另一种是金背板+介质层二氧化硅+圆盘金天线。在本专利技术的一个实施例中，硅底座支撑包括四个四分之一硅柱和硅底座，通过四个四分之一硅柱将电磁超表面结构以及探测器本体的下电极、钽酸锂晶片固定在硅基底上。四分之一硅柱是指横截面为四分之一圆的柱状体。在本专利技术的一个实施例中，所述电磁超表面结构中介质层硅或者介质层二氧化硅的厚度为50nm～500nm。在本专利技术的一个实施例中，所述电磁超表面结构中十字金天线或者圆盘金天线的厚度为40nm～70nm。在本专利技术的一个实施例中，所述钽酸锂晶片的厚度为70μm～80μm，优选为75μm。按照本专利技术的第二个方面，提供了一种制备如上所述钽酸锂窄带探测器的方法，其特征在，其包括如下步骤：S1：选取钽酸锂晶片衬底，使用电子束蒸发工艺或者磁控溅射工艺在钽酸锂晶片上下方各生长一层金，获得第一半成品；S2：在上述第一半成品上表面使用磁控溅射工艺或者化学气相沉积工艺生长一层硅或者二氧化硅，获得第二半成品；S3：在第二半成品上表面旋涂光刻胶，获得第三半成品；S4：通过电子束曝光工艺，利用设计好的十字金天线版图或者圆盘天线版图对第三半成品的光刻胶面曝光，形成带有十字或者圆盘图案的光刻胶层，从而将图形转移到第三半成品的光刻胶上；S5：对曝光后第三半成品执行显影处理，留下具有的十字或者圆盘结构的光刻胶层，获得第四半成品；S6：在第四半成品上，通过电子束蒸发工艺或者磁控溅射工艺生长一层设定厚度的金，获得金天线；S7：利用丙酮对生长金天线之后的样品进行剥离处理，以清除多余光刻胶,获得第五半成品；S8：将第五半成品用四个四分之一硅柱固定在硅底座上，并进行封装，至此获得钽酸锂窄带探测器。在本专利技术的一个实施例中，所述电磁超表面结构尺寸可调，通过调整十字金天线的棒长或者圆盘天线的半径可实现不同波段的高吸收。例如，十字金天线棒长为500nm，棒宽为100nm，单元结构周期为700nm，介质层硅厚度为100nm,十字金天线厚度为50nm,吸收波长为4.18μm；改变十字金天线棒长为600nm,吸收波长为5.03μm；圆盘半径为600nm，二氧化硅的厚度为100nm，金圆盘厚度为50nm,单元结构周期为2μm，吸收波长为3.94μm，当圆盘半径改为700nm时，吸收波长为4.49μm。改变周期和介质层的厚度，吸收峰幅值会相应变化。本专利技术公开的一种基于十字和圆盘超表面结构的钽酸锂窄带探测器制备方法包括如下步骤：选取钽酸锂晶片，通过电子束蒸发设备或者磁控溅射设备在上下表面各制备一层设定厚度的金；通过磁控溅射设备或者化学气相沉积设备制备一层设定厚度的硅或者二氧化硅；旋涂PMMA曝光胶；设计十字交叉结构或者圆盘结构阵列，精确控制结构的尺寸参数，通过电子束曝光设备将所设计的结构转移至PMMA曝光胶；显影、定影；通过电子束蒸设备或者磁控溅射设备生长一层设定厚度的金；去胶处理；将制备的探测器用四个四分之一硅柱固定在硅底座上，并进行封装。此时，在形成有上下电极的热释电材料钽酸锂晶片上面长了一个红外吸收体，这个红外吸收体既可以是金背板+介质层硅+十字金天线，也可以是金背板+介质层二氧化硅+圆盘金天线。本专利技术利用红外吸收体对匹配波长光的谐振作用，实现对特定波长光的高吸收，吸收的电磁能量转换为焦耳热传递给热释电钽酸锂晶片，然后通过上下电极读出电信号，实现对设定波长光的探测。本专利技术通过调节红外吸收体的几何参数来吸收不同波长的红外光，实现对不同波长红外光的探测。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：传统的基于分立式滤光片的选择性热探测器，其热探测器对宽波段的光热都有响应，其本身对波长不具有选择性，需要在探测器前面组装上滤光片才能实现波长的选择性，这增加了探测器的体积，同时使探测器更加复杂。本专利技术提出的基于超表面的钽酸锂窄带探测器能够实现对宽波段范围内的某个窄带波长光的热探测，这是因为，本申请中的探测器是将具有波长选择性的红外吸收体集成在热释电材料上面制作而成。该红外吸收体在功能上相当于滤光片，便于集成在热材料上，同时对光有近场增强作用，吸收效率高，其相应的探测器灵敏度高，体积小，加工简单，同时改变红外吸收体的相关参数，能够实现对不同波长的热检测，在功能上用一种热探测器代替了传统的热探测器组合上滤光片，简化了红外热探测器工艺流程，使器件成本减低，集成度变高。本专利技术的制备方法设计巧妙、工艺简单、可操作性强，制备的探测器响应迅速，以上优点有利于该技术的推广和普及。附图说明图1是本专利技术实施例中基于超表面十字天线的钽酸锂窄带探测器整体结构图；图2是本专利技术实施例中基于超表面圆盘天线的钽酸锂窄带探测器整体结构图；图3是本专利技术实施例中电子束曝光工艺版图十字天线示意图；图4是本专利技术实施例中电子束曝光工艺版图圆盘天线示意图；图5是本专利技术中实施例1的红外吸收光谱图；图6是本专利技术中实施例2的红外吸收光谱图；图7是本专利技术中实施例3的红外吸收光谱图；图8是本专利技术中实施例4的红外吸收光谱图；图9是本专利技术中实施例5的红外吸收光谱图；图10是本专利技术中实施例6的红外吸收光谱图；图11是本专利技术中实施例7的红外吸收光谱图；图12是本专利技术中实施例8的红外吸收光谱图；图13是本专利技术中实施例9的红外吸收光谱图；图14是本专利技术中实施例10本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钽酸锂窄带探测器，其特征在于，其包括探测器本体和电磁超表面结构，电磁超表面结构设置在探测器本体上，其中，探测器本体包括从下至上设置的硅底座支撑(1)、下电极(2)、钽酸锂晶片(3)、上电极(4)，电磁超表面结构包括自下而上设置金背板、介质层以及天线，其中，金背板与上电极为同一物体，两者共用。

【技术特征摘要】
1.一种钽酸锂窄带探测器，其特征在于，其包括探测器本体和电磁超表面结构，电磁超表面结构设置在探测器本体上，其中，探测器本体包括从下至上设置的硅底座支撑(1)、下电极(2)、钽酸锂晶片(3)、上电极(4)，电磁超表面结构包括自下而上设置金背板、介质层以及天线，其中，金背板与上电极为同一物体，两者共用。2.如权利要求1所述的一种钽酸锂窄带探测器，其特征在于，所述天线包括十字金天线(7)或者圆盘金天线(8)。3.如权利要求1所述的一种钽酸锂窄带探测器，其特征在于，所述介质层包括介质层硅(5)或者介质层二氧化硅(6)。4.如权利要求1所述的一种钽酸锂窄带探测器，其特征在于，电磁超表面结构包括两种，一种是金背板+介质层硅+十字金天线，另一种是金背板+介质层二氧化硅+圆盘金天线。5.如权利要求1所述的一种钽酸锂窄带探测器，其特征在于，硅底座支撑包括四个四分之一硅柱和硅底座，通过四个四分之一硅柱将电磁超表面结构以及探测器本体的下电极(2)、钽酸锂晶片(3)固定在硅基底上，四分之一硅柱是指横截面为四分之一圆的柱状体。6.根据权利要求3所述的一种钽酸锂窄带探测器，其特征在于，所述电磁超表面结构中介质层硅(5)或者介质层二氧化硅(6)的厚度为50nm～500nm。7.根据权利要求2所述的一种钽酸锂窄带探测器，其特征在于，所述电磁超表面结构中十字金天线(7)或者...

【专利技术属性】
技术研发人员：易飞，谈小超，李君宇，甘如雷，陈宇瑶，郭颂，杨奥，蒋顺，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42