[实用新型]一种气凝胶隔热结构宽波段红外探测器

说明书

本专利公开了一种气凝胶隔热结构宽波段红外探测器。所述的红外探测器自衬底之上依次为隔热层、保护层、热敏电阻薄膜和金属电极；探测器采用硅片作为衬底，易于与现代硅基微电子加工工艺兼容，采用二氧化硅气凝胶薄膜作为隔热层，采用具有宽波段响应特性的锰钴镍氧热敏电阻薄膜作为红外吸收层，工艺简单易操作，且不会形成响应波段较窄的谐振腔结构，可实现宽波段探测，获得更完整的目标红外热辐射信息。此外，二氧化硅气凝胶隔热层具有整体的支撑结构，增加了器件的整体强度，不存在传统的微桥结构可能面临的桥面坍塌的风险，提高了成品率，降低了制备成本。本专利器件工艺成熟，适用于单元、线列及面阵红外探测器。

技术领域

本专利涉及红外探测器，具体是指一种基于气凝胶隔热结构的宽波段热敏电阻薄膜型非制冷红外探测器及其制备方法。

背景技术

非制冷红外探测器无需复杂的制冷系统，可在室温下工作，具有成本低的优点，在民用和军事领域都具有广阔的应用前景，例如可广泛用于红外热成像、防火报警、非接触测温、医疗诊断、产品生产监测、导弹预警和拦截等诸多方面。其中，热敏电阻型红外探测器是一类非常重要的非制冷红外探测器，基本原理是通过测量目标红外热辐射引起的热敏材料电阻的变化来实现对红外热辐射的探测。热敏电阻材料自身的性质特别是电阻温度系数(Temperature coefficient of resistance，TCR)和器件所采用的结构特别是隔热结构是决定热敏型探测器件性能的两方面主要因素。

与金属热敏材料相比，半导体热敏材料具有较高的TCR绝对值，是研制非制冷红外探测器的首选，其中氧化钒(VO_x)、非晶硅(a-Si)等是常用的热敏电阻材料。虽然基于VO_x、a-Si等传统热敏电阻半导体材料的非制冷红外探测器已有商业化应用，但在室温下这些材料的TCR绝对值相对偏低，比如室温下VO_x和a-Si的TCR都约为-2％/K，限制了探测性能的提升。因此，需要进一步开发具有高TCR绝对值的新型热敏材料。传统的热敏型探测器通常采用微桥隔热结构，微桥一方面提供热敏电阻材料与衬底之间的热隔离，另一方面形成谐振腔，提升热敏材料对特定波段的吸收。通常，微桥的高度设计成1/4波长，比如针对室温物体探测(如300K，对应～10μm的辐射峰值波长)，需设计微桥高度约为2.5μm，探测器相应的光谱响应范围约为8～14μm，此即VO_x、a-Si等传统非制冷红外探测器的探测响应波段。含微桥结构的探测器，其制备过程中采用的基本结构从下到上依次是衬底、牺牲层、支撑层、热敏薄膜吸收层、钝化层。其中，对于隔热微桥的制备工艺，常采用PECVD方法在热敏薄膜吸收层上沉积一层钝化层，保护吸收层，采用反应离子刻蚀的方法露出牺牲层。对于牺牲层的去除往往选用氧等离子体干法刻蚀。氧等离子体干法刻蚀，容易造成等离子体诱导损伤，且不易制作高深宽比的微桥结构。另外，需要指出的是，热敏电阻型红外探测器是利用热敏材料的电阻随温度发生变化的特性来探测红外辐射信号，热敏材料对红外辐射的吸收不具有波长选择性，因此仅从光谱吸收的角度讲，热敏材料具有全波段吸收特性，相比于传统的单波段成像(如8～14μm)，全波段成像(如1～50μm)可包含更多的目标红外热辐射信息。综上可见，微桥结构的使用，一方面会增加器件工艺的复杂性，为形成微桥，需要额外制备牺牲层、支撑层和钝化层，需要额外的刻蚀工艺，如果高度高的话，难度还会增加，存在桥面坍塌的风险，成品率会降低，进而增加制备成本；另一方面，由微桥结构所形成的谐振腔具有波长选择性，针对不同波段的探测需要设计不同高度的谐振腔与之匹配，器件一经完成将固定其响应波段到一个比较窄的范围，而实际的目标在全波段范围内都存在红外辐射，因此微桥结构的使用在一定程度上还会导致许多有用的目标红外辐射信息的丢失。

发明内容

基于上述已有技术存在的种种问题，本专利的目的是提出一种无传统微桥隔热结构的、具有宽波段响应特征的新型热敏电阻薄膜型非制冷红外探测器。