[发明专利]一种气凝胶隔热谐振腔结构太赫兹探测器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种气凝胶隔热谐振腔结构太赫兹探测器及其制备方法。器件采用硅片作为衬底，采用发展成熟的氧化钒热敏电阻薄膜作为吸收层材料，采用二氧化硅气凝胶同时作为隔热层和1/4波长太赫兹波吸收增强谐振腔的介质层，减少了传统微桥结构制备相关的步骤，简化了工艺流程。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，通过厚度的控制可实现太赫兹波吸收增强所需的谐振腔高度，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。本发明器件及其制备方法，工艺成熟，与标准硅集成电路工艺兼容，适用于单元、线列及面阵红外探测器。

技术领域

本发明专利涉及太赫兹探测器，具体是指一种基于气凝胶隔热谐振腔结构的室温太赫兹探测器及其制备方法。

背景技术

太赫兹(Terahertz,THz)波通常是指频率在0.1～10THz(对应波长3mm～30μm)的电磁波，由于具有瞬态性、宽带性、高时间和空间相干性、低能性、穿透性等很多独特的性质，使其在遥感探测、环境监测、生物医学、安全检查、波普分析、成像与通信等领域都展现出广泛的应用前景，已成为国内外研究的重要方向之一。

太赫兹辐射的能量很低(0.414～41.4meV)，与分子的低频振动和转动能量相当，环境或器件微小的噪音往往就会掩盖太赫兹微弱的信号。因此，传统的太赫兹探测器需要深低温工作环境(液氦温度以下)以提高探测器的信噪比，如硅基测辐射热计(Bolometer)、量子阱探测器等，器件结构复杂、体积庞大、制造难度大且成本高，这些缺点限制了其大范围的应用和推广。研制更加简易的探测器结构、减小器件体积、降低成本，是太赫兹探测技术发展的重要趋势。近年来，无需制冷工作环境的室温太赫兹探测器已成为太赫兹技术领域的研究热点。由于太赫兹波处于红外光相邻的波段，基于相对成熟的红外室温微测辐射热计(Micro-Bolometer)技术是实现室温太赫兹探测非常有效的途径之一，近年来国内外研究机构已在红外微测辐射热计的基础上开展了室温太赫兹探测器的研究，其中基于氧化钒(VO_x)热敏电阻材料的红外微测辐射热计，由于其在高、低端红外应用领域都非常成熟且有很高的市场占有率，成为重要的研究对象之一。红外微测辐射热计的核心结构是微桥(Micro-Bridge)，微桥一方面起到隔热作用，另一方面形成光学厚度(折射率与厚度的乘积)为1/4目标探测波长的光学谐振腔以增强对目标红外辐射的吸收。室温(约300K)对应的黑体辐射峰值波长约为10μm，因此通常红外微测辐射热计主要针对10μm波长附近的吸收进行优化，所需的1/4波长光学谐振腔的高度约为2.5μm。而对于波长更长的太赫兹波段，需要显著增加微桥的高度来实现谐振增强吸收，如检测波长为100μm(3THz)则需要25μm的微桥高度。传统的微机械MEMS加工工艺制备微桥谐振腔结构，工艺复杂，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，如果制备过高高度的微桥结构，技术难度大，存在稳定性差、易坍塌的问题，成品率低，制备成本高。而如果仅采用通常红外微测辐射热计的微桥高度(如2.5μm)，则在太赫兹波段只能起到热隔离的作用，无谐振增强吸收的效果，考虑到氧化钒材料本身在太赫兹波段的吸收率相对较小，将导致探测器对太赫兹辐射吸收很弱，难以提供较高的响应和灵敏度。