[发明专利]高TCR吸收敏感复合薄膜的THz探测结构及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及太赫兹波探测技术领域，更具体地，涉及基于高TCR吸收敏感复合薄膜的THz探测器。

技术背景

太赫兹探测器是太赫兹成像技术应用的关键器件之一。在太赫兹探测器的开发和应用中，检测太赫兹信号具有举足轻重的意义。因为，一方面，与较短波长的光学波段电磁波相比，太赫兹辐射光子能量低，背景噪声通常占据显著地位；另一方面，随着太赫兹探测技术在各领域特别是军事领域中的应用的深入开展，不断提高接收灵敏度成为必然的要求。由于太赫兹探测器探测单元中的热敏感薄膜对太赫兹辐射吸收很弱，使得太赫兹辐射信号检测的难度较大。传统的红外探测器，如热释电探测器，对太赫兹的吸收仅为红外吸收的2.5％左右，甚至比器件材料的不均匀度还要低，故极难区分噪音与被检信号。因此，需要增加单独的太赫兹辐射吸收层以增强探测器的吸收性能。要求太赫兹辐射吸收层的反射率低，与下层材料的粘附性要好。目前常用的太赫兹辐射吸收材料为有机黑体、黑金、CNT(碳纳米管)和超材料，相比其他几种材料，碳纳米管的制备工艺成熟，容易和其他有机物复合构成均匀薄膜，所以碳纳米管在太赫兹领域的应用具有更好的前景。

另一方面，在太赫兹探测器的开发和应用中，对吸收的太赫兹的响应，同样非常重要。因此，为了有更好的响应，当吸收入射的太赫兹辐射后敏感材料的电阻变化应该尽可能的大。因此发现高电阻温度系数的敏感材料是非常重要的。传统的，最常用的材料是氧化钒和非晶硅。这两种半导体材料展现了非常好的电阻温度系数，对于氧化钒和非晶硅的电阻温度系数分别大约是-4％/K和-3％/K。钛是一种被用于微测热辐射计的金属材料，它的电阻温度系数大约是0.35％/K。其他的半导体材料YBaCuO也在被研究，它的电阻温度系数大概能达到-4％/K。然而，这种半导体材料是有毒的并且沉积技术昂贵，例如化学气相沉积法或者是脉冲激光沉积法。因此，除了上面提到的材料以外，发现新的材料是一种必然的趋势。聚合物导电材料和蛋白质是可以被考虑的。Poly(3,4-ethylenedioxythiophene):Poly(Styrenesulfonate)(PEDOT:PSS)薄膜被报道电阻温度系数超过-4％/K。O.Yavuz和M.Aldissi研究用蛋白质作为微测热辐射计的敏感材料的可能性。K.K.Deb也报道了细胞色素C薄膜在氧化物的顶层电阻温度系数能够超过20％/K，这个电阻温度系数是最高的记录。这些材料表现出高的电阻温度系数能通过自组装膜，LB膜或者旋涂的方法沉积，比半导体沉积技术更快和更便宜。但是细胞色素C作为敏感层，遇到的一个很重要的问题是，它与基底的粘附性差，难以制成均匀连续性薄膜。

本发明所涉及的高TCR吸收敏感复合薄膜的THz探测结构，提出通过将碳纳米管复合材料与细胞色素C溶液混合，然后用喷涂的方法制成均匀的吸收敏感复 合薄膜。不仅解决了细胞色素C溶液与基底的粘附性差的问题，而且还可以形成厚度可以调控的均匀连续性薄膜。最重要的是因为细胞色素C是一种蛋白质对太赫兹辐射有很高的吸收，将碳纳米管复合材料与细胞色素C溶液混合后，吸收层与敏感层结合为一层，简化了THz探测器的结构，能进一步提高复合薄膜对太赫兹辐射的吸收，加上本发明所提出的简易太赫兹探测结构，使制造更为简单，易于大规模生产。

发明内容

本发明目的是提供一种高TCR吸收敏感复合薄膜的THz探测结构，该结构中将高TCR的细胞色素C溶液与碳纳米管复合材料混合，然后制成吸收敏感复合薄膜于THz探测结构的顶端。该探测器结构简单，并且能有效增强太赫兹辐射吸收率，使高性能太赫兹探测器的实现成为可能。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：一种高TCR吸收敏感复合薄膜的THz探测结构，用于太赫兹波辐射的探测与成像，其特征在于：该探测结构包括吸收敏感复合薄膜、微桥结构和读出电路三个部分，吸收敏感复合薄膜(30)是高TCR细胞色素C溶液与碳纳米管复合材料混合制成的；微桥结构包括电极(26)、支撑层(25)、缓冲层(24)、牺牲层(23)和底层反射层(22)，读出电路包括微桥结构的接口(21)。

顶层的吸收敏感复合薄膜(30)同时具有吸收层和敏感层功能，该薄膜制作于微桥结构的支撑层(25)之上，与电极(26)相连；支撑层(25)和电极(26)制作于牺牲层(23)之上，构成微桥桥面，并通过缓冲层(24)与衬底读出电路接口(21)相连；牺牲层(23)制作于底层反射层(22)之上，反射层(22)位于衬底读出电路结构(20)顶部；读出电路(20)制作于硅片衬底(1)之上，顶部带有与微桥连接的电路接口(21)。