一种双腔体超表面非制冷红外探测器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种双腔体超表面非制冷红外探测器及其制备方法，探测器包括衬底和探测器本体，探测器本体包括两个共振腔结构

【技术实现步骤摘要】
一种双腔体超表面非制冷红外探测器及其制备方法


[0001]本专利技术属于红外探测领域，尤其涉及一种双腔体超表面非制冷红外探测器及其制备方法
。

技术介绍

[0002]非制冷探测器是一种工作在室温环境下，可将外界入射的红外热辐射信号转化为电信号的探测器
。
其无需制冷装置，能够在室温状态下工作，具有启动快
、
功耗低
、
体积小
、
重量轻
、
寿命长
、
成本低等诸多优点
。
其中
VOx
微测辐射热计是市场占有率最高的非制冷探测器，无论是在军用领域还是在民用领域都得到了广泛的应用
。
然而随着探测器像元尺寸的不断减小，其有效吸收面积随边长的二次方锐减，严重制约着非制冷探测器的发展
。
增强面元吸收效率对于提升非制冷探测器性能而言尤为关键
。
一般而言，在设计红外探测器时会增加吸收增强结构来弥补敏感元的自身吸收特性不足的问题
。
[0003]多波段探测可以实现基于同一探测器完成多种不同类型目标的探测工作，探测器工作波段更宽，探测性能更加优越，是目前红外探测器研究的重要方向
。
目前，针对于中波和长波的成像技术是红外研究热点，成像各有独特优异性
。
长波波段技术对烟雾穿透能力强，能够提供优异的成像效果；中波波段技术在雨水天气等环境中，其成像效果优异于长波红外，目前广泛应用于导弹预警等方面r/>。
但目前的非制冷探测器大多都是单波段的，双波段的非制冷探测器还有待开发完善
。
[0004]超表面是一种在平面上按照特定需求排列的亚波长单元组合结构
。
通过对单元结构，排布方式，用材选择等的合理设计，可以实现对光的各种属性的调控
。
超表面有着“人工原子”的特点，这意味着我们可以微观的去独立设计每一个单元的结构和排布方式，从而实现光的独立调控
。
因此，超表面为开发探测器件提供了一个通用的平台
。
与传统调制方法相比，超表面可以用半导体芯片行业的标准进行大规模制造，这不仅缩小了器件体积，降低了成本，也为批量化生产，提高效率提供了新方案
。
近年来，人们逐渐开始认识到超表面在这一领域上的应用前景，提出了“超表面完美吸收器”的概念
。
[0005]随着探测器像元尺寸的不断减小，其有效吸收面积随边长的二次方锐减，严重制约着非制冷探测器的发展
。
增强面元吸收效率对于提升非制冷探测器性能而言尤为关键
。
一般而言，在设计红外探测器时会增加吸收增强结构来弥补敏感元的自身吸收特性不足的问题
。
[0006]目前的非制冷探测器大多都是单波段的，双波段的非制冷探测器往往吸收波段或吸收效果不够优异，还有待开发完善，例如：
CN 103776546 A、CN 110118604 A、CN 115406540 A、CN 205246224U
仅针对长红外单波段吸收增强，应用场景有限；
CN 107741278A
也通过超表面结构
(
单层
)
来实现非制冷探测器吸收的增强和调节，但反映出吸收波段为整个单波段，这就意味着存在除有用的中红外波段
(3um
‑
5um)
及长红外波段
(8um
‑
14um)
外的干扰波段；此外，还存在着要么只能实现单波段吸收，要么吸收效果不佳等问题
。

技术实现思路

[0007]本专利技术要解决的技术问题在于：如何改善常见的“伞”状双层非制冷探测器光敏层吸收热量不均匀的问题，克服随着探测器像元尺寸的不断减小而带来的吸收率锐减的问题，实现双波段宽光谱吸收，其目的在于提供一种能实现双波段宽光谱吸收的双腔体超表面非制冷红外探测器
。
[0008]本专利技术的技术方案为：
[0009]一种双腔体超表面非制冷红外探测器，包括半导体衬底，读出电路和集成超表面的双腔体结构的探测器本体，所述探测器本体包括第一腔体结构和第二层腔体结构，所述第二层腔体结构设置在所述第一层腔体结构上，所述第一层腔体结构包括反射层
、
介质层
、
电连接结构
、
第一腔体支撑层
、
热敏层
、
热敏保护层
、
光谱调节层和“MIM”(
即“金属
/
绝缘体
/
金属”)
超表面吸收层
。
所述第二层腔体结构包括第二腔体支撑层和第二腔体超表面天线结构，所述第二腔体支撑层和第二腔体超表面天线结构共同构成第二腔体“IMI”(
即“绝缘体
/
金属
/
绝缘体”)
超表面吸收结构
。
[0010]进一步地，所述的双腔体超表面非制冷红外探测器，所述半导体衬底上设有所述反射层，所述反射层由高反射金属
Al
沉积而成，厚度为
50nm—200nm。
[0011]进一步地，所述反射层上设有所述介质层，所述介质层为
SiNx
绝缘介质层，厚度为
20nm—100nm。
[0012]进一步地，所述介质层悬空正上方设有所述第一腔体支撑层，所述第一腔体支撑层材料为
SiNx
，厚度为
100nm—300nm。
[0013]进一步地，所述介质层与所述第一腔体支撑层间设有电连接结构，所述电连接结构包括位于所述介质层对角线上的两个电极连接桥墩
、
以及连接桥墩与所述第一腔体支撑层
/
热敏层
/
热敏保护层的桥腿，所述对角线桥墩包括第一桥墩和第二桥墩；所述桥腿包括第一桥腿和第二桥腿；所述桥墩为
SiNx/Ti/SiNx
夹层空心八边形柱体；所述桥腿为
SiNx/Ti/SiNx
膜系构成的“U”型细长条体
。
[0014]进一步地，所述第一腔体支撑层上设有所述热敏层，所述热敏层材料为
VOx
，厚度为
50nm—200nm。
[0015]进一步地，所述热敏层上设有所述热敏保护层，所述热敏保护层材料为
SiNx
，厚度为
100nm—300nm。
[0016]进一步地，所述热敏保护层上设有光谱调节层，所述光谱调节层材料为
SiO2，厚度为
10nm—50nm。
[0017]进一步地，所述光谱调节层上设有“MIM”超表面吸收层，其膜系为
Ti/SiNx/Ti
夹层，底层
Ti
为超薄连续膜，底层
Ti
上设有块状
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种双腔体超表面非制冷红外探测器，其特征在于：所述双腔体非制冷红外探测器包括半导体衬底
(1)、
读出电路
(2)
和探测器本体，所述探测器本体包括自下而上依次设置的第一腔体结构和第二层腔体结构；所述第一层腔体结构包括第一层腔体主体，所述第一层腔体主体由位于下方的反射层
(3)、
位于中间的介质层
(4)、
位于介质层
(4)
正上方的第一腔体支撑层
(5)
以及位于第一层腔体主体左右两端的用于连接介质层
(4)
和第一腔体支撑层
(5)
的电连接结构组成；所述反射层
(3)
设置在半导体衬底上，所述介质层
(4)
设置在反射层
(3)
上；所述第一层腔体结构还包括设置在第一腔体支撑层
(5)
上的热敏层
(10)、
设置在热敏层
(10)
上的热敏保护层
(11)、
设置在热敏保护层
(11)
上的光谱调节层
(12)
以及设置在光谱调节层
(12)
上的“MIM”超表面吸收层；所述第二层腔体结构包括第二腔体支撑层
(16)
和第二腔体超表面天线结构，所述第二腔体支撑层
(16)
上设有所述“MI”超表面吸收天线结构，所述第二腔体支撑层
(16)
和第二腔体超表面天线结构共同构成第二腔体“IMI”超表面吸收结构
。2.
根据权利要求1所述的双腔体超表面非制冷红外探测器，其特征在于：所述电连接结构包括位于所述介质层
(4)
对角线上的在电学上连通所述读出电路
(2)
的两个电极连接桥墩以及实现两个电极连接桥墩与所述热敏层
(10)
电性连接的两个桥腿
。3.
根据权利要求2所述的双腔体超表面非制冷红外探测器，其特征在于：所述桥墩的形状为空心八边形柱体，是由第一腔体支撑层
(5)、
桥墩电极层
(61,62)
和桥墩电极保护层
(71,72)
形成的夹层结构组成的，其中第一腔体支撑层
(5)
位于桥墩外层，桥墩电极保护层
(71,72)
位于桥墩内层，桥墩电极层
(61,62)
位于第一腔体支撑层
(5)
和桥墩电极保护层
(71,72)
之间，所述桥墩的底部与介质层
(4)
连接的是第一腔体支撑层
(5)
，所述桥墩的底部与读出电路
(2)
连接的是桥墩电极层
(61,62)
和桥墩电极保护层
(71,72)
；所述桥腿呈“U”型细长条体，是由第一腔体支撑层
(5)、
桥腿电极层
(81,82)
和桥腿电极保护层
(91,92)
形成的夹层结构组成的，所述桥腿与桥墩电极层
(61,62)
连接的是桥腿电极层
(81,82)
，所述桥腿与桥墩电极保护层
(71,72)
连接的是桥腿电极保护层
(91,92)
，桥腿的位于第一层腔体主体内部的是第一腔体支撑层
(5)、
位于第一层腔体主体外部的是桥腿电极保护层
(91,92)。4.
根据权利要求2所述的双腔体超表面非制冷红外探测器，其特征在于：所述两个电极连接桥墩分别为第一桥墩和第二桥墩，所述第一桥墩包括第一桥墩电极层
(61)
和第一桥墩电极保护层
(71)
；所述第二桥墩包括第二桥墩电极层
(62)
和第二桥墩电极保护层
(72)
，两个桥墩共同作为整个上层结构的支撑柱；所述桥腿包括第一桥腿分别为第一桥腿和第二桥腿，所述第一桥腿包括第一桥腿电极层
(81)
和第一桥腿电极保护层
(91)
；所述第二桥腿包括第二桥腿电极层
(82)
和第二桥腿电极保护层
(92)
，两个桥腿一方面在电学上连通所述两个桥墩与所述热敏层
(10)
，另一方面用于降低器件的热导
、
提升整个探测器性能
。5.
根据权利要求1所述的双腔体超表面非制冷红外探测器，其特征在于：所述反射层
(3)
由高反射金属
Al
沉积而成，所述介质层
(4)
为
SiNx
绝缘介质层，所述第一腔体支撑层
(5)、
桥墩电极保护层
(71,72)、
桥腿电极保护层
(91,92)
的材质为
SiNx
，所述桥墩电极层
(61,62)
和桥腿电极层
(81,82)
的材质为
Ti
，所述热敏层
(10)
的材质为
VOx
，所述
热敏保护层
(11)
的材质为
SiNx
，所述光谱调节层
(12)
的材质为
SiO2。6.
根据权利要求1所述的双腔体超表面非制冷红外探测器，其特征在于：所述反射层
(3)
的厚度为
50nm—200nm
；所述介质层
(4)
的厚度为
20nm—100nm
；所述第一腔体支撑层
(5)
的厚度为
100nm—300nm
；所述热敏层
(10)
的厚度为
50nm—200nm
；所述热敏保护层
(11)
的厚度为
100nm—300nm
；所述光谱调节层
(12)
的厚度为
10nm—50nm。7.
根据权利要求1所述的双腔体超表面非制冷红外探测器，其特征在于：所述“MIM”超表面吸收层的膜系为
...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨君，杨春丽，李立华，石玉娜，方辉，张杰，王懿，黎秉哲，李华妮，尹树东，刘春艳，赵宇鹏，曹中鹏，宋宇宇，
申请(专利权)人：昆明物理研究所，
类型：发明
国别省市：