[发明专利]红外吸收结构及基于该结构的非致冷红外探测器

说明书

技术领域

本发明属于热辐射红外探测技术，特别涉及具有低热质量和宽角度高红外吸收率的多层红外吸收结构及基于该结构的非致冷红外探测器。

背景技术

非致冷红外探测器利用目标物体的热红外辐射进行目标探测。其原理是红外探测器光敏区吸收外界入射的热红外辐射使光敏元自身的温度升高。温度升高的光敏元将自身这种温度的变化转变为其属性的某种物理的、化学的或者电学特性的变化并且通过外接检测系统从而形成探测。相比于致冷型红外探测器，非致冷红外探测器具备价格低、体积小、重量轻，可室温下工作等优点。

为了获得在宽波段范围内的红外高灵敏和快速红外响应，非致冷红外探测器如热释电、热电偶及测辐射热计等通常采用不超过1微米厚度的低热质量悬浮多层膜热隔离结构，通过两条或多条支撑腿与硅衬底上的读出电路互连，此热隔离结构可以采用体硅工艺或表面硅工艺制作。由于悬浮的多层膜结构较薄，其红外吸收能力有限，通常还需要在悬浮的膜层上添加额外的红外吸收层如轻质量的多孔黑金膜，同时通过悬浮结构与衬底表面的金属反射膜形成λ/4谐振空腔来增强悬浮多层膜结构的红外吸收率。美国专利7268349B2公开了一种红外吸收结构，该结构由反射层、支撑层、红外敏感层、保护层、介质层以及半透明层组成λ/4谐振结构，可获得较高的红外吸收率，同时具有低热质量的特点。美国专利申请2007003497则提出了另一种具有表面金属光子晶体的红外发射或吸收结构，该结构由半导体层、介质层和表面金属周期结构层组成，该结构可以产生窄谱红外发射或吸收，用于红外气体传感器。

但是上述红外吸收技术存在以下问题：(1)黑金膜虽具有宽谱高吸收特性，但是其厚度一般要达到几至几十微米，另外，它与其他膜层的结合力差，图形化工艺困难；(2)λ/4谐振空腔虽可以在某波段实现高吸收，但是谐振腔结构的腔长控制和均匀性难以保证，特别是在牺牲层释放后腔体易于变形，且对入射角度有较强的依赖性；(3)包含金属、介质以及红外吸收层的λ/4谐振腔结构的红外吸收特性仍然对入射角度有较强的依赖性；

(4)表面金属光子晶体红外吸收结构只在很窄的谱段具有高吸收特性，不适合宽谱成像探测器件应用。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种红外吸收结构，该结构在长波波段(8～12微米)具有高吸收率，且对红外辐射入射角度不敏感，具有宽角度吸收特性；本发明还提供了基于该结构的非致冷红外探测器，该探测器消除了因腔长畸变引起的红外响应均匀性差的问题。

本发明提供的一种红外吸收结构，其特征在于，它包括逆着红外辐射的入射方向依次叠置的底部红外反射层，第一绝缘层，红外敏感层和表面结构层，其中表面结构层是由可调电导率薄膜材料组成的具有圆形或方形形状的岛状阵列结构，这种阵列结构按照二维矩形或六角形周期分布排列。

基于上述红外吸收结构的一种非致冷红外探测器，其特征在于，非致冷红外探测器依次包括硅衬底、支撑薄膜和红外吸收结构，支撑薄膜位于硅衬底的表面，支撑薄膜上制作有红外吸收结构，同时制作与红外敏感层直接相连的电源偏置和信号读出薄膜电极，该电极沿着支撑臂表面与硅衬底上的电接触点或电极焊盘相连；在红外吸收结构下方的硅衬底表面腐蚀出空腔，空腔上的支撑薄膜作为红外吸收结构的支撑层。

基于上述红外吸收结构的另一种非致冷红外探测器，其特征在于，在硅衬底表面制作有悬空的支撑层，支撑层与硅衬底之间形成热隔离空腔，在支撑层上制作有红外吸收结构，同时制作与红外敏感层直接相连的电源偏置和信号读出薄膜电极，该电极沿着支撑臂表面与硅衬底上的电接触点或电极焊盘相连。

本发明提供的非制冷红外探测器件中，红外吸收结构吸收入射红外辐射能量引起温度升高，导致敏感薄膜的电学参数如电阻、电极化强度等的改变，此电学参数的改变在探测电路中产生电压或电流变化，从而实现红外辐射的探测。

本发明的红外吸收结构在较宽的红外波段内可实现高吸收率(大于80％以上)且对红外辐射的入射角度不敏感。其红外吸收原理是：入射红外辐射被表面结构层耦合进入红外敏感层，并在表面和底部的高导电反射层之间形成强局域的红外表面等离子体耦合谐振模，导致谐振模式的增强吸收。由于这种模式的局域特性，故基于这种原理的红外吸收对入射角度不是很敏感，表现出宽角度吸收特性。具体而言，本发明的有益效果是：

(1)相比金属表面等离子体谐振吸收原理，导电化合物材料或掺杂半导体材料可以在宽范围内调节自由载流子浓度和导电特性，并将表面等离子体频率延伸到红外波段，这种可调节性易于通过工艺参数的调整实现，即可灵活改变表面等离子体激发波长，从而改变吸收谱段；