[发明专利]一种集成表面等离激元谐振器的红外探测器

说明书

本发明公开了一种集成表面等离激元谐振器的红外探测器，它包括：等离激元谐振器、热敏电阻层，支撑层，谐振腔；它还包括吸收层和/或金属反射层；等离激元谐振器、热敏电阻层和支撑层以多种叠加排列方式置于谐振腔上；并对表面等离激元谐振器进行了表面图形化阵列；采用不同材质的各层，可获得不同的吸收率及效果，以满足不同需求；表面图形化阵列的等离激元谐振器可以在长波红外的宽谱范围内提高红外焦平面的吸收率，由于金属谐振器的占空比很小且厚度很薄，焦平面整体的热容几乎没有提高，因此可以有效提高焦平面的性能，并实现更丰富的探测功能。

技术领域

本发明属于非制冷红外成像技术领域，具体涉及一种集成表面等离激元谐振器的红外探测器。

背景技术

现有的非制冷红外探测器的工作原理是基于光热效应，即：将入射光引起的吸收层热量变化转换为电学输出。基于这种光热效应的红外器件具有无须制冷，体积小，成本低等特点，在军事、工业、医疗卫生、科学研究及环境监测等领域得到广泛应用。作为热敏电阻的氧化钒或者非晶硅在长波红外吸收率低，因此一般采用在光敏电阻层上覆盖氮化硅作为吸收层。当红外辐射入射到红外探测器像元时，一部分入射光被顶层的氮化硅吸收层直接吸收并转化为热能，其他的入射光透射到像元内部并被底层的反射层所反射，在金属反射镜以及上层的膜层组成的谐振腔中来回反射并被氮化硅吸收，膜层热量的变化引起热敏电阻的阻值变化并转变为电学信号。

这种结构存在的问题是器件对入射红外光的吸收率取决于氮化硅吸收层的厚度和高的光学1/4λ谐振腔结构一致性，为了得到足够的吸收就得采用较大厚度的氮化硅，而氮化硅厚度的增加则意味着焦平面热容的增加，同时要保证光学1/4λ谐振腔结构一致性比较高。因此很难在保持热容不变的情况下提高吸收率。另一个问题是氮化硅的本征吸收峰位于10.5微米附近，尽管采用较厚的氮化硅层以及利用谐振腔的来回反射可以得到10.5微米处较高的吸收率，但是在其他波长的吸收率仍然较低，导致这种结构的非制冷红外探测器的探测范围受到限制。

如图1所示，非制冷红外探测器的传统结构中焦平面在红外波段的吸收全部来自于吸收层的本征吸收，为了得到较好的红外辐射吸收率，通常采用150nm以上的氮化硅吸收层和金属反射层对入射光的多重反射来获得充分的吸收。这种策略可以在氮化硅的本征吸收波长处得到近乎完美的吸收，但存在其他波长处吸收率低的问题。

发明内容

本发明针目的是为了解决现有技术难以实现低热容高吸收和宽带吸收的不足，提供一种集成表面等离激元谐振器的红外探测器；

一种集成表面等离激元谐振器的红外探测器，它包括：等离激元谐振器、热敏电阻层，支撑层，谐振腔。

所述的等离激元谐振器为表面图形化阵列的等离激元谐振器。

一种集成表面等离激元谐振器的红外探测器，它还包括吸收层和/或金属反射层。

所述的等离激元谐振器在红外波段的几何尺寸设置的范围为：周期为300nm~6μm，宽度为0.1~3μm，厚度为10nm~2μm。

一种等离激元谐振器的红外探测器，该结构由上至下依次为：等离激元谐振器，吸收层，热敏电阻层，支撑层，谐振腔，金属反射层；

所述的等离激元谐振器为钛网格谐振器层；吸收层为氮化硅吸收层；热敏电阻层为氧化钒热敏电阻层；谐振腔为1/4λ谐振腔。

所述的氮化硅吸收层厚度为10~150nm；氧化钒热敏电阻层在30nm~200nm之间；氮化硅支撑层的厚度为100~150nm；谐振腔的厚度为2μm~4μm之间；金反射层的厚度为50~100nm；钛网格谐振器的厚度为20nm~200nm之间；宽度为100nm~1μm之间，周期为1μm~6μm之间。

一种等离激元谐振器的红外探测器，该结构由上至下依次为：等离激元谐振器，热敏电阻层，支撑层，谐振腔，金属反射层；

所述的等离激元谐振器为钛网格谐振器层；热敏电阻层为非晶硅热敏电阻层；支撑层为氮化硅支撑层；谐振腔为1/4λ谐振腔。