一种基于超表面的非制冷红外成像传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种基于超表面的非制冷红外成像传感器，包括双层非制冷红外探测器，双层非制冷红外探测器包括半导体衬底和探测器本体，探测器本体包括第一层悬空结构和第二层悬空结构，第一层悬空结构包括金属反射层、绝缘介质层、金属电极层、电极保护层、第一支撑层、热敏保护层和热敏层，第二层悬空结构包括超材料支撑层和超材料支撑保护层，在超材料支撑保护层上设有超材料结构，所述超材料结构采用NiCr或/和Al，其厚度在12～30nm之间；制备工艺简单，能与CMOS工艺兼容，且能够实现多色探测、宽波段探测、窄谱探测等功能。

An Uncooled Infrared Imaging Sensor Based on Supersurface

【技术实现步骤摘要】
一种基于超表面的非制冷红外成像传感器本申请为申请号201710918927.7、申请日2017.09.30、专利技术名称“一种基于超表面的非制冷红外成像传感器及其制备方法”的分案申请。
本专利技术涉及到一种基于超表面的非制冷红外成像传感器，属于非制冷红外探测器领域。
技术介绍
非制冷红外探测器(uncooledinfraredbolometer)除了在军事领域的应用外，在民用领域得到了广泛的应用，如消防、汽车辅助、森林防火、野外探测、环境保护等领域。电磁超材料(Metamaterial)，简称超材料，是指一类具有天然材料所不具备的超常电磁性质的人工复合结构或复合材料；2001年，Walser第一次提出电磁超材料的概念利用超材料可以实现电磁波和光波性能的任意“剪裁”，从而可获得诸如完美透镜、隐身斗篷、电磁波完美吸收等特殊器件；如今，超材料已成为理论基础研究与技术应用研究共同关注的热点。根据有效媒介理论，超材料的特性可以通过关键物理尺寸的结构有序设计来调控；所以，通过调整其物理尺寸及材料参数，能够使超材料与入射电磁波的电磁分量产生耦合，从而使特定频带的入射电磁波的绝大部分(甚至100％)被吸收，由此获得特殊的超材料“完美吸收器”；自从N.I.Landy等人第一次实验验证了超材料完美吸波体后，超材料吸波体取得了快速的发展，工作波段逐渐从射频波段延伸到THz波段，红外甚至可见光波段。传统的红外探测器为了实现宽波段的功能，一般采用调整谐振腔高度的办法(专利CN103759838A)，通过该高度的调整，增强特定波段的吸收，从而实现宽波段吸收，但是该方法的工艺难度非常大，对于红外辐射吸收具有波段选择性。传统的红外探测器在实现偏振功能时，一般使用外置的偏振片与光学镜头结合。该方法不仅增加了光路的设计难度，而且增加了产品的成本；传统的红外探测器在实现多色功能时，一般使用的是多种不同高度的谐振腔组合，通过调整谐振腔的高度，增加特定的吸收谱段。该方法大大增加了工艺步骤，提升了工艺实现的难度，并且由于不同的谐振腔的高度控制非常难，所以在制备过程中非常容易导致产品不能达到理想的高度，也就不能实现目标波段的吸收，从而导致产品的失效率提升。
技术实现思路
本专利技术针对上述现有技术中存在的不足，提供一种附加热容低，制作工艺简单、且探测目标能力强的基于新型超表面非制冷红外成像传感器。本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于超表面的非制冷红外成像传感器,包括双层非制冷红外探测器，所述双层非制冷红外探测器包括包含读出电路的半导体衬底和带微桥支撑结构的探测器本体，所述探测器本体包括第一层悬空结构和第二层悬空结构，所述第二层悬空结构设置在所述第一层悬空结构上，所述第一层悬空结构包括金属反射层、绝缘介质层、金属电极层、电极保护层、第一支撑层、热敏保护层和热敏层，所述第二层悬空结构包括超材料支撑层和设置在所述超材料支撑层上的超材料支撑保护层，在超材料支撑保护层上设有超材料结构，所述超材料结构采用NiCr或/和Al，其厚度在12～30nm之间。本专利技术中传感器的有益效果：(1)实现了超材料结构与双层非制冷红外探测器进行单片集成，可以根据实际需要，定制设计结构：由于超材料吸收电磁波主要是基于物理结构和材料参数的结合，所以可以通过设计不同的结构以及使用不同的材料与该结构结合，从而能够实现多种功能的吸收结构，例如宽波段、偏振、多色、窄谱等功能。该结构的制作完全与传统的CMOS工艺兼容，而不会增加工艺难度。并且该结构与红外探测器是一个完整的整体，大大简化了工艺流程，提升了生产效率；(2)通过使用超材料结构与红外探测器结合，超材料吸收电磁波会增强红外探测器本身吸收的电磁波信号，两个信号是完全叠加在一起的，也就是说，通过超材料与红外探测器结合可以增加信号的强度，并且可以通过一个读出电路处理该信号，而不用增加额外的算法与电路，简化了后端的信号处理模块，节省了人力与成本。(3)结合了超材料的双层非制冷红外探测器，附加热容低，能够实现多功能的红外探测器的单片集成，从而能够提升探测器的探测目标的能力。进一步，所述半导体衬底上设有所述金属反射层和所述绝缘介质层，所述金属反射层包括若干个金属块；所述绝缘介质层上设有所述第一支撑层，所述第一支撑层上设有第一锚点孔和第二锚点孔，所述第一锚点孔和第二锚点孔的底部分别设有第一通孔和第二通孔，所述第一通孔和第二通孔分别终止于所述金属块，所述第一支撑层上、第一锚点孔和第二锚点孔内设有金属电极层，所述金属电极层包括设置在所述第一支撑层上的金属电极和设置在第一锚点孔和第二锚点孔内的金属连线，所述金属电极层上设有电极保护层，所述电极保护层上设有接触孔，所述接触孔终止于所述金属电极，所述电极保护层上设有热敏层，所述热敏层上设有热敏保护层；所述热敏保护层上设有所述第二层悬空结构，所述超材料支撑层上设有第三锚点孔和第四锚点孔，所述第三锚点孔和第四锚点孔的截面呈梯形，其下端接触所述热敏保护层。采用上述进一步技术方案的有益效果是：双层结构的第二层结构的设计不会受第一层结构的影响，可以设计的结构多样化，并且不会影响第一层结构的热敏层热敏效果。进一步，所述绝缘介质层氮化硅薄膜或二氧化硅薄膜，其厚度为0.02～0.30μm，所述第一支撑层和超材料支撑层均为低应力氮化硅薄膜，厚度均为0.10～0.30μm，所述金属电极层为金属铝或钨，所述热敏层为氧化钒、氧化锰、氧化铜、氧化钼、氧化钛或多晶硅等。进一步，所述超材料结构包括矩形框体和设置在所述矩形框体的中间部位的矩形中心板，所述矩形框体和所述矩形中心板之间设有纵横交错的横筋和竖筋，所述矩形框体、横筋和竖筋之间形成多个矩形镂空，所述矩形中心板的面积等于相邻四个矩形镂空及其之间的横筋和竖筋的面积和，所述矩形中心板不包括设置在其四周的横筋和竖筋，所述矩形框体、横筋和竖筋的厚度为12nm，材料为NiCr。采用上述进一步技术方案的有益效果是：能够实现宽波段的吸收，在3-19μm之间的波长之间都能达到很高的吸收率。进一步，所述超材料结构的外轮廓为矩形，中心处设有矩形镂空，所述外轮廓设有水平中心线和竖直中心线，所述矩形镂空和所述外轮廓之间设有来回弯折形成闭环结构的薄带，所述薄带形成的闭环结构分别关于所述水平中心线和所述竖直中心线对称，所述闭环结构的弯折处为直角弯折，所述薄带的材料为NiCr，厚度为20nm，宽度为0.5μm-5μm。采用上述进一步技术方案的有益效果：可以实现6μm、10.5μm以及19μm的高吸收率，而其余波段的吸收率相对较低，使用该结构可以实现多色型红外探测器的作用。进一步，所述矩形框体的四角均设有倒角，靠近倒角的矩形镂空的面积小于远离倒角处的矩形镂空的面积。进一步，所述超材料结构包括由扁带形成矩形轮廓，所述矩形轮廓的每条边的中心设有向内的U字型弯折，所述扁带的材料为NiCr，厚度为20nm，宽度为0.5μm-5μm。采用上述进一步技术方案的有益效果是：以实现多色型红外探测器的作用。进一步，所述超材料结构的外轮廓为矩形，中心处设有十字型镂空结构，所述超材料结构的材料为NiCr，厚度为20nm，十字型镂空结构的缝隙宽度为0.5μm-5μm。采用上述进一步技术方案的有益效果是：通过该结构可以实现14-17μ本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于超表面的非制冷红外成像传感器,其特征在于，包括双层非制冷红外探测器，所述双层非制冷红外探测器包括包含读出电路的半导体衬底和带微桥支撑结构的探测器本体，所述探测器本体包括第一层悬空结构和第二层悬空结构，所述第二层悬空结构设置在所述第一层悬空结构上，所述第一层悬空结构包括金属反射层、绝缘介质层、金属电极层、电极保护层、第一支撑层、热敏保护层和热敏层，所述第二层悬空结构包括超材料支撑层和设置在所述超材料支撑层上的超材料支撑保护层，在超材料支撑保护层上设有超材料结构；所述超材料结构包括呈矩阵排列的四个区域，分别为第一区域、第二区域、第三区域和第四区域，在四个区域内分别设有第一超材料结构、第二超材料结构、第三超材料结构和第四超材料结构，所述第一超材料结构和第三超材料结构的形状相同，所述第二超材料结构与所述第四超材料结构的形状相同；所述第一超材料结构为包括矩形框体和设置在所述矩形框体的中间部位的矩形中心板，所述矩形框体和所述矩形中心板之间设有纵横交错的横筋和竖筋，所述矩形框体、横筋和竖筋之间形成多个矩形镂空，所述矩形中心板的面积等于相邻四个矩形镂空及其之间的横筋和竖筋的面积和，所述矩形框体、横筋和竖筋的厚度为12nm，材料为NiCr；所述第二超材料结构包括多个依次排列的竖直薄片，所述竖直薄片为Al,厚度为30nm。...

【技术特征摘要】
1.一种基于超表面的非制冷红外成像传感器,其特征在于，包括双层非制冷红外探测器，所述双层非制冷红外探测器包括包含读出电路的半导体衬底和带微桥支撑结构的探测器本体，所述探测器本体包括第一层悬空结构和第二层悬空结构，所述第二层悬空结构设置在所述第一层悬空结构上，所述第一层悬空结构包括金属反射层、绝缘介质层、金属电极层、电极保护层、第一支撑层、热敏保护层和热敏层，所述第二层悬空结构包括超材料支撑层和设置在所述超材料支撑层上的超材料支撑保护层，在超材料支撑保护层上设有超材料结构；所述超材料结构包括呈矩阵排列的四个区域，分别为第一区域、第二区域、第三区域和第四区域，在四个区域内分别设有第一超材料结构、第二超材料结构、第三超材料结构和第四超材料结构，所述第一超材料结构和第三超材料结构的形状相同，所述第二超材料结构与所述第四超材料结构的形状相同；所述第一超材料结构为包括矩形框体和设置在所述矩形框体的中间部位的矩形中心板，所述矩形框体和所述矩形中心板之间设有纵横交错的横筋和竖筋，所述矩形框体、横筋和竖筋之间形成多个矩形镂空，所述矩形中心板的面积等于相邻四个矩形镂...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宏臣，王鹏，陈文礼，
申请(专利权)人：烟台睿创微纳技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37