[发明专利]一种仿生光读出非制冷红外焦平面及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种仿生光读出非制冷红外焦平面及其制备方法，属于光读出非制冷红外焦平面探测器领域技术领域。

背景技术

红外探测器是红外探测系统的核心，是能对外界红外光辐射产生响应的光传感器，多个红外探测器单元组成的二维阵列称为红外焦平面阵列（FPA，Focal Plane Array）。光子探测器具有响应速度快、可靠性高等特点。然而该技术需要低温制冷，这就增加了其系统的复杂性，造成系统价格居高不下，从而制约了它的应用和发展。热探测非制冷红外焦平面探测器技术随着半导体制造工艺的不断进步和应用需求的不断提升而发展迅速。尽管目前的灵敏度还不能与制冷型红外探测器相比，但此技术不需制冷、成本低、功耗小、质量轻、体积小、启动及稳定速度快等优点，更有利于该项技术应用的推广，同时由于价格相对便宜也能满足了民用红外系统和部分大规模装备的军事红外系统的迫切需要。

传统的非制冷红外焦平面探测器采用电学读出方式，而电学读出方式的金属连接提高了探测器单元的热导，降低了探测器单元和基底之间的热隔离，结果降低了温升效果。随着 MEMS 工艺的发展，1997 年 Manalis 等人率先采用Si/Al 双材料悬臂梁制作的光读出红外焦平面阵列，当吸收入射红外辐射，产生温升后，其螺旋之间的间距产生微小变化，导致菲涅尔波带片的焦距发生变化，散焦后出射的光线再被 CCD接收，形成图像。这种基于像素间干涉(Inter-pixel interference)原理的光学读出系统可能提供更高的检测灵敏度。总的来说，当前光读出热型红外探测器主要是利用双金属效应型、载流子-应变型和热光效应型三种原理在基底上设计制造某种热致变的微结构来吸收红外辐射，但是，这些设计的噪声等效温度差和空间分辨率，时间响应等难以满足第三代红外 FPA的性能要求。

自然界是最好的设计师，人类从中不断获得发明与创造的灵感，以解决各种科学技术难题。2012 年，美国科学家通过研究 Morpho 蝴蝶这种具有 500 万年历史的生物，从其多彩变化的翅膀中找到灵感，设计出一种灵敏的红外传感器。相关论文发表在《自然-光子学》 （Nature Photonics）上，这或将有助于设计热成像传感器。由于红外热成像可将物体自身散发的热能可视化，因而其在工业、军事和医学方面具有广泛应用。 Radislav A 和同事设计出一种仿生传感器，具备比现有红外检测器体积更小、检测速度更快、灵敏度更高的优势，而且其对热量控制没有要求，也不需要复杂的精密加工技术。在这项设计实验中，他们将吸收红外辐射性能非常好的碳纳米管技术与闪蝶翅膀的多彩变化这一特点相结合，经过实验，科学家发现当红外线辐射到翅膀上时，翅膀鳞片上微纳纳米结构发生热膨胀，使得这些微纳结构的折射率发生变化，从而使得翅膀颜色发生变化，这意味着这种微纳结构可以将光从红外波段转换到可见光波段的变化。图 1 是 Morpho 蝴蝶翅膀鳞片微纳结构基于波长转换的红外探测示意图。此外他们还发现，翅膀上的碳纳米管密度增大，翅膀的红外可吸收辐射量也会随之增加，从而提高传感器的灵敏性。同年，科学家 Sambles J R 在《自然-光子学》 （Nature Photonics）上发表文章指出，基于这种来源于生物结构波长转换的红外探测原理，一旦制备出经过优化设计的大面积 FPA阵列，无论是特定的红外线波长或某一范围的红外线波长，利用这种技术，将会有非常巨大的应用前景，尤其在医疗诊断和监视方面。

发明内容

本发明的目的之一，是提供一种仿生光读出非制冷红外焦平面及其制备方法。本发明开发和制造新一代高仿生结构性能红外探测器提供一条新的途径。本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种仿生光读出非制冷红外焦平面及其制备方法，包括如下步骤：

步骤1：用光刻技术在（111）单晶硅片上加工出微米尺度的光栅条纹，其中光栅条纹要平行于{110}晶面，从而使得ICP-Bosch工艺刻蚀后光栅侧壁是{110}晶面；

步骤2：采用ICP-Bosch工艺在硅基底上刻蚀出微米尺度的{110}晶面侧壁带纳尺度波纹结构的光栅条纹，对刻蚀后的样品清洗以去除光刻胶和ICP-Bosch工艺刻蚀后产生的碳氟化合物；

步骤3：样品表面倾斜一定角度，采用电子束蒸发工艺沉积一层Cr作为湿法腐蚀的掩膜，由于样品表面倾斜一定角度，使得蒸发运动物质的垂直运动方向和光栅侧壁表面面有一定的角度，从而可以使{110}晶面侧壁波纹的底部覆盖一层Cr；

步骤4：利用单晶硅各向异性腐蚀的特点，采用湿法腐蚀工艺，用KOH溶液腐蚀出分层微纳结构；