[发明专利]热释电薄膜红外焦平面探测器芯片及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及红外探测技术领域，尤其是对一种包含高效可靠SiO₂和TiO₂复合材料与复合结构的热释电红外焦平面探测器绝热支撑结构及其制作方法。

背景技术

热释电薄膜红外焦平面探测器具有在室温下的工作频率、光谱响应宽、响应速度快、探测率高、能显著提高传感器集成度、性价比高等优势，在红外夜视、红外制导、红外成像，以及利用红外焦平面探测器进行消防和抢险救援等军事和民用领域均有广阔应用。热释电薄膜红外焦平面探测器的灵敏度主要取决于光敏元薄膜材料热释电系数和衬底热阻。衬底热阻越大，灵敏度就越高。此外，为了降低探测器的噪音，探测器的光敏元件和信号读出电路应该集成在同一衬底上。

然而，硅作为探测器芯片最常用的衬底，其热阻小，硅衬底与光敏元器件和信号读出电路之间，必须有一层绝热层来确保良好的热阻性，同时还起到保证红外热转换效率和机械支撑等作用，减小探测器热导率和提高红外焦平面探测器灵敏度。

现有的硅基热释电薄膜红外焦平面探测器芯片中，其绝热层结构主要是微桥结构。然而，该结构的制备依赖于微加工、牺牲层等技术，存在工艺复杂、器件结构中多层膜之间热膨胀系数失配造成电极引线断裂而导致成品率低、成本高等问题。

尤其是以溶胶-凝胶法制备SiO₂气凝胶孔隙薄膜作为绝热层的制备方法，工艺条件复杂苛刻，需要在超临界条件下进行溶剂挥发和干燥，并且受催化剂、胶联反应副反应等因素影响，不宜于对孔隙结构形成进行控制，影响SiO₂气凝胶的机械性能和热传导可靠性。这种制备方法单纯使用SiO₂气凝胶在3～8μm波段具有明显的吸收，会造成高温下SiO₂气凝胶热导率升高。并且，在热释电薄膜红外焦平面探测器芯片制作过程中需要反复进行高温退火处理，致使纯SiO₂气凝胶随退火次数增加，孔隙率越来越低，无法达到理想的热绝缘效果，导致探测器灵敏度降低。虽然在SiO₂气凝胶中掺杂TiO₂或炭黑等红外阻隔剂，可以明显提高改善SiO₂气凝胶在高温时的隔热效率，但掺杂方法和工艺同样存在各种困难，难于操作控制。此外，高孔隙率的SiO₂气凝胶作绝热结构时表面粗燥度过高，容易导致探测器由于局部大电流击穿。

综上所述，由于制备工艺和技术存在上述局限性，使绝热层制备成为热释电薄膜红外焦平面探测器芯片制作过程中的一个关键技术瓶颈。

发明内容

本发明提供的热释电薄膜红外焦平面探测器芯片，尤其是针对现有绝热层制备技术存在问题，能灵活调节控制绝热支撑结构的孔隙率，有效降低探测器芯片的热导率，大大提高探测器的灵敏度，在满足探测器对绝热支撑层结构应力释放要求的同时提高探测器的稳定性和可靠性。

第一种热释电薄膜红外焦平面探测器芯片从下至上依次包括衬底、黏合层、绝热支撑结构、下电极、光敏元、上电极和红外吸收层；所述绝热支撑结构包括：

隔热层，所述隔热层包括上下交替层叠的SiO₂纳米阵列和TiO₂纳米阵列；

形成在所述隔热层表面的过渡支撑层，所述过渡支撑层包括从下至上依次层叠的若干层SiO₂过渡结构，以及沉积在所述SiO₂过渡结构表面的HfO₂膜；所述过渡支撑层的孔隙率从下至上逐渐降低。

优选地，所述SiO₂纳米阵列和/或TiO₂纳米阵列的平均孔隙率大于70％。

优选地，所述SiO₂纳米阵列和/或TiO₂纳米阵列与所述衬底的法线成取向角度α范围为0～50°。

优选地，所述SiO₂纳米阵列由多个SiO₂纳米结构单元组成，所述SiO₂纳米结构单元直径为60～120nm，相邻SiO₂纳米结构单元的间隙为40～130nm；所述TiO₂纳米阵列由多个TiO₂纳米结构单元组成，所述TiO₂纳米结构单元直径为60～120nm，相邻TiO₂纳米结构单元的间隙为40～130nm。