[发明专利]一种弛豫铁电单晶热释电红外探测器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于红外技术领域，具体地，涉及一种热释电红外探测器及其制备方法。

背景技术

当今世界各国竞相发展红外探测和成像技术，其应用遍及军事、航天、科研、医疗、工业等众多领域。红外探测器主要分为光子型红外探测器和热型红外探测器两大类。目前常见的光子型红外探测器主要采用以碲镉汞为代表的窄禁带半导体材料和以砷化镓为代表的光电子半导体材料。但半导体红外器件一般需要低温致冷工作，体积大、成本高、功耗大。

而利用材料热释电效应研制的热释电红外探测器由于其在紫外波段、可见波段、红外波段具有平坦的光谱响应，同时具有无需致冷、功耗低、噪声带宽小、结构紧凑、便于携带、成本低等优点，已经成为当前红外技术领域中最引人瞩目的焦点之一。

从20世纪70年代至今，一直在积极进行非致冷热成像技术的研究，其核心是非致冷红外焦平面阵列技术。随着热释电红外探测器向低成本、低功耗及小型化发展，热释电红外探测器正从军用市场向民用市场快速拓展，尤其是在人体探测、火灾预警、气体分析、红外光谱仪以及红外热成像等领域发挥了重要作用，同时体现了巨大的市场潜力。

目前用于热释电红外焦平面阵列器件的材料主要包括锆钛酸铅（PZT），钛酸锶钡（BST）和钽钪酸铅（PST）等，用于热释电单元探测器件的材料主要局限于钽酸锂（LiTaO₃）、硫酸三甘酞（TGS）等。但是，这些传统材料有着热释电系数低、介电损耗大以及物理性能不稳定等缺点，很难满足高性能热释电红外探测器及其延伸产品的应用要求。例如，比较成熟的商用LiTaO₃红外探测器的探测率水平仅为1×10⁸cm（Hz）^1/2/W至4×10⁸cm（Hz）^1/2/W。因此同时克服以上材料的缺点，探索获得高探测优值的新型热释电材料成为目前发展非制冷红外器件的迫切需求。

从1996年开始，罗豪甦等人率先用改进的布里奇曼（Bridgman）方法成功生长出大尺寸高质量的弛豫铁电单晶，如铌镁酸铅-钛酸铅（PMNT），并成功实现了高质量PMNT单晶的批量生产（专利文献1）。

自2003年开始，本发明人又首先发现了弛豫铁电单晶（例如，PMNT）的优异热释电性能，并开展了大量的相关研究。例如，本发明人发现当材料组成为（1-x）PMN-xPT，x处于0.24-0.30之间，晶体学方向沿自发极化方向<111>时，表现的热释电性能和介电性能最优（专利文献2）。

为了进一步降低材料的介电损耗，提高器件的探测率，本发明人生长了Mn掺杂的PMNT单晶，其中组分为Mn掺杂PMN-0.26PT的单晶，热释电系数达到17.2×10^-4 C/m²K，介电损耗降到0.0005。尽管该材料性能优异，但该新型热释电材料在红外器件中的应用进展缓慢，现有技术中尚未存在将弛豫铁电单晶应用于热释电红外探测器中的技术。

此外，传统热释电红外探测器的灵敏元件的厚度往往局限于减薄抛光技术，以致影响了最终器件的性能。如PZT陶瓷的厚度一般只能减薄至60μm，而且减薄的成品率和一致性较差。因此，优化和完善大尺寸晶片超薄减薄抛光工艺至关重要。另外传统热释电红外探测器的灵敏元件一般为全电极，面积固定，若想减小电极面积以调控灵敏元件的电学参数用于其它用途则不容易实现，因此也需要在电极尺寸的调整方面进行改进。

现有技术：

专利文献：

专利文献1，中国专利公开CN1080777C；

专利文献2，中国专利公开CN100429334C。

发明内容

鉴于以上所述，本发明所要解决的技术问题在于提供一种具有高响应率、低噪声和高探测率的热释电红外探测器及其制备方法。

为了解决上述技术问题，根据本发明的一方面，提供一种热释电红外探测器包括：设有引脚的底座；与所述底座封装在一起以形成容纳空间的带有窗口的壳体；设置于所述容纳空间中的灵敏元件，所述灵敏元件由弛豫铁电单晶制成，且其厚度在20μm以下；分别设置于所述灵敏元件的上表面和所述灵敏元件的下表面的上电极和下电极；覆盖于所述灵敏元件的上电极的吸收层；以及与所述灵敏元件相连的电流模式电路。