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CN102226721A - 一种非制冷红外探测焦平面器件 - Google Patents

一种非制冷红外探测焦平面器件 Download PDF

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李伟
何敏
徐睿
李雨励
蒋亚东
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Abstract

一种非制冷红外探测焦平面器件，属于非制冷红外探测技术领域。器件包括衬底结构、支撑结构和桥面结构；桥面结构通过桥腿和桥墩支撑于衬底上，红外吸收层薄膜与反射层之间形成红外谐振腔；热敏感薄膜位于红外谐振腔之外的红外吸收层薄膜的表面。本发明突破现有器件结构的惯有思维，将桥面结构中的红外吸收层薄膜和热敏感层薄膜的位置关系倒置从而将热敏感层薄膜置于红外谐振腔之外的红外吸收层薄膜表面，增强了红外探测焦平面器件的红外吸收率，从而使得非制冷焦平面器件的探测效率得到进一步提升；同时，该器件无需增透膜，从而在一定程度上简化了器件结构并适当降低了器件成本。

Description

一种非制冷红外探测焦平面器件
技术领域
本发明属于非制冷红外探测技术领域，涉及非制冷红外探测焦平面微桥结构。
背景技术
红外探测技术在红外技术领域发展迅速，在民用和军用方面得到了非常广泛的应用。红外探测器是构成红外系统和热成像系统的核心组成部分。目前市场制冷型红外探测器性能较高，但是需要在低温下工作，因此需要庞大的制冷设备，结构复杂，系统庞大。得益于大规模硅集成电路技术的发展，非制冷红外焦平面技术已成为现代红外探测技术的主流发展方向。与制冷型红外焦平面相比，非制冷红外探测焦平面体积小、成本低、稳定性高且与硅半导体工艺兼容性好，使得其在夜视成像、制导、消防及工业控制等领域得到了广泛的应用。
非制冷红外探测焦平面器件的基本工作原理是：被探测物体红外辐射能量被非制冷红外探测焦平面器件的红外吸收层薄膜所吸收，红外吸收层薄膜吸收辐射能量将能量传递给热敏感层薄膜，从而引起热敏感层薄膜温度升高；由于热敏感层薄膜具有电阻温度特性，即热敏感层薄膜在受热之后电阻值将发生相应的变化，通过器件的电学通道读出这种变化，最终实现对红外辐射的探测。
现有的非制冷红外探测焦平面器件通常如图1所示，包括衬底结构、支撑结构和桥面结构。所述桥面结构为至少包括红外吸收层薄膜7和热敏感层薄膜4的薄膜材料，所述支撑结构包括两个桥腿5和两个桥墩1，所述衬底结构包括衬底2背面的电路结构和衬底正面的反射层3。桥面结构通过桥腿和桥墩支撑于衬底上，红外吸收层薄膜7与反射层3之间形成红外谐振腔6。热敏感层薄膜两侧且在热敏感薄膜和红外吸收层薄膜之间具有条状电极，其中一个条状电极通过一个桥腿、桥墩中的电学通道与衬底背面电路结构中的一个端口相连，另一个条状电极通过另一个桥腿、桥墩中的电学通道与衬底背面电路结构中的另一个端口相连。
现有的非制冷红外探测焦平面器件的桥面结构中，红外吸收层薄膜均位于热敏层薄膜之，同时热敏感层薄膜位于红外谐振腔内部。通常认为这样的结构有利于红外辐射能量的吸收。被探测物体红外辐射能量首先被红外吸收层薄膜部分吸收，剩余能量透过热敏层薄膜之后在红外吸收层和反射层之间的谐振腔内来回反射并被红外吸收层薄膜部分吸收。红外吸收层薄膜吸收能量后将能量传递给热敏感层薄膜，最终导致热敏感层薄膜电阻温度效应的产生。通常，红外吸收层对红外光线有较强的反射，因此需要在红外吸收层薄膜表面增加一层增透膜；另外，由于热敏感层薄膜对光线具有较强的散射作用，使得在谐振腔内来回反射的红外光每次经过热敏感层薄膜都有一定的损失。上述两方面的原因致使现有的非制冷红外探测焦平面器件结构较为复杂，且无法进一步提高其红外吸收率(存在理论吸收极限)。
为了进一步提高非制冷红外探测焦平面器件的红外吸收效率，在非制冷探测焦平面微桥结构中采取了一系列的措施来增强红外辐射的吸收：金属反射层的沉积、谐振腔的利用以及增强红外吸收层的设计等。随着像元尺寸越来越小，非制冷红外探测焦平面单元中微桥结构对于器件整体性能有更大的影响，不同的微桥结构特别是光敏面多层材料体系的优化设计等，对器件的最终红外吸收效率及红外探测效率，均有较大的影响。
发明内容
本发明提供一种非制冷红外探测焦平面器件，该器件突破现有器件结构的惯有思维，将桥面结构中的红外吸收层薄膜和热敏感层薄膜的位置关系倒置从而将热敏感层薄膜置于红外谐振腔之外，实验证明这样的改变使得非制冷焦平面器件的红外吸收率得到明显的提升，从而提升非制冷焦平面器件的探测效率；同时，该器件的桥面结构不再需要增透膜，相应简化了器件结构并能够适当降低器件的制作成本。
本发明技术方案如下：
一种非制冷红外探测焦平面器件，如图2所示，包括衬底结构、支撑结构和桥面结构。所述桥面结构包括热敏感层薄膜4和红外吸收层薄膜7，所述支撑结构包括两个桥腿5和两个桥墩1，所述衬底结构包括衬底2背面的电路结构和衬底2正面的反射层3。桥面结构通过桥腿5和桥墩1支撑于衬底2上，红外吸收层薄膜7与反射层3之间形成红外谐振腔6。热敏感层薄膜4两侧且在热敏感薄膜4和红外吸收层薄膜7之间具有条状电极，其中一个条状电极通过一个桥腿、桥墩中的电学通道与衬底背面电路结构中的一个端口相连，另一个条状电极通过另一个桥腿、桥墩中的电学通道与衬底背面电路结构中的另一个端口相连。热敏感薄膜4位于红外谐振腔6之外的红外吸收层薄膜7的表面。
所述热敏感薄膜材料为非晶硅、非晶硅锗合金或氧化钒。
所述红外吸收层薄膜材料为氮化钛(TiN)、氮化硅(Si3N4)、含氢的非晶硅(a-C:H)、碳化硅(SiC)、二氧化硅(SiO2)或多孔硅。
本发明提供的非制冷红外探测焦平面器件突破了现有器件结构的惯有思维，将桥面结构中的红外吸收层薄膜和热敏感层薄膜的位置关系倒置从而将热敏感层薄膜置于红外谐振腔之外的红外吸收层表面(桥面顶部)，使得器件的红外吸收率得到明显的提升。被探测物体的红外辐射能量首先入射到热敏感层薄膜，由于热敏感层材料(尤其是非晶硅或非晶硅锗合金)对光线的反射率很小，而透射率超过90％，所以90％以上的能量透过热敏感层薄膜后入射到外吸收层薄膜；入射到外吸收层薄膜的能量除一部分被外吸收层薄膜直接吸收之外，其余部分在红外吸收层和反射层之间的谐振腔内来回反射并被红外吸收层薄膜部分吸收。本发明提供的非制冷红外探测焦平面器，由于红外谐振腔只由红外吸收层薄膜和反射层构成，内部没有热敏感层薄膜，因此在谐振腔内部来回反射的红外辐射能量没有散射损失，大部分最终都被红外吸收层薄膜所吸收，所以器件的红外吸收率得到进一步的提高(从而提升非制冷焦平面器件的探测效率)；同样由于热敏感层材料(尤其是非晶硅或非晶硅锗合金)对光线的反射率很小，而透射率超过90％，所以无需在热敏感层薄膜表面增加增透膜，从而在一定程度上简化了器件结构并适当降低了器件成本。
综上，本发明提供的非制冷红外探测焦平面器件采用了热敏感层和红外吸收层倒置的桥面结构，增强了红外探测焦平面器件的红外吸收率(通过仿真证明该器件对8～14μm的中远红外波段的红外辐射能量的吸收率能够提高20％左右，对2μm～5μm的近红外波段的红外辐射能量的吸收率能够提高40％～60％)，从而使得非制冷焦平面器件的探测效率得到进一步提升；同时，该器件无需增透膜，从而在一定程度上简化了器件结构并适当降低了器件成本。此外，该器件与现有的非制冷红外探测焦平面器件的制备工艺完全兼容。
附图说明
图1为现有非制冷红外探测焦平面器件剖面结构示意图。
图2为本发明提供的非制冷红外探测焦平面器件剖面结构示意图。
图3为本发明提供的非制冷红外探测焦平面器件微桥结构俯视图。
图1至图3中，1表示桥墩，2表示衬底，3表示反射层，4表示热敏感层薄膜，5表示桥腿，6表示红外谐振腔，7表示红外吸收层薄膜。
具体实施方式
一种非制冷红外探测焦平面器件，如图2所示，包括衬底结构、支撑结构和桥面结构。所述桥面结构包括热敏感层薄膜4和红外吸收层薄膜7，所述支撑结构包括两个桥腿5和两个桥墩1，所述衬底结构包括衬底2背面的电路结构和衬底2正面的反射层3。桥面结构通过桥腿5和桥墩1支撑于衬底2上，红外吸收层薄膜7与反射层3之间形成红外谐振腔6。热敏感层薄膜4两侧且在热敏感薄膜4和红外吸收层薄膜7之间具有条状电极，其中一个条状电极通过一个桥腿、桥墩中的电学通道与衬底背面电路结构中的一个端口相连，另一个条状电极通过另一个桥腿、桥墩中的电学通道与衬底背面电路结构中的另一个端口相连。热敏感薄膜4位于红外谐振腔6之外的红外吸收层薄膜7的表面。
所述热敏感薄膜材料为非晶硅、非晶硅锗合金或氧化钒。
所述红外吸收层薄膜材料为氮化钛(TiN)、氮化硅(Si3N4)、含氢的非晶硅(a-C:H)、碳化硅(SiC)、二氧化硅(SiO2)或多孔硅。
上述非制冷红外探测焦平面器件的制备过程包括以下步骤：
步骤1：利用磁控溅射或电子束蒸发等薄膜工艺在包含焦平面读出电路且经钝化处理的衬底2上沉积一层金属，得到金属反射层3并按版图要求进行刻蚀；
步骤2，沉积牺牲层并固化，刻蚀桥墩孔并沉积桥墩金属，刻蚀金属层形成桥墩1，桥墩高度高于牺牲层厚度；
步骤3，利用等离子增强化学汽相沉积(PECVD)和磁控溅射等装置依次在牺牲层表面制备单层或者多层红外吸收层7；
步骤4，继续利用PECVD装置在红外吸收层7表面上制备非晶硅敏感膜层4，均匀涂覆光刻胶后，经曝光显影得到需要刻蚀的图案；
步骤5，利用磁控溅射或电子束蒸发等在非晶硅敏感膜4表面沉积桥腿电极金属，图形化刻蚀形成桥腿5，清洗并烘干；
步骤6，牺牲层释放。
步骤2中牺牲层材料可采用聚酰亚胺或SiO2；
步骤3中红外吸收层材料可以采用TiN、Si3N4、a-C:H、SiC、SiO2以及多孔硅等；
步骤4中热敏感膜层材料还可以选择非晶硅锗合金、氧化钒等。
本发明提供的非制冷红外探测焦平面器件，对于非晶硅、非晶硅锗合金或氧化钒的热敏感层薄膜，以及氮化钛、氮化硅、含氢的非晶硅、碳化硅、二氧化硅或多孔硅的红外吸收层，经仿真测试，其红外吸收率具有较大幅度的提升：对于8～14μm中远红外波段的红外辐射能量，其吸收率有着从15％到22％不等的提高；在保持中远红外波段(8～14μm)高于90％的红外吸收情况下，对2μm～5μm波段的辐射吸收率有着40％到60％的提高。

Claims (3)

1.一种非制冷红外探测焦平面器件，包括衬底结构、支撑结构和桥面结构；所述桥面结构包括热敏感层薄膜(4)和红外吸收层薄膜(7)，所述支撑结构包括两个桥腿(5)和两个桥墩(1)，所述衬底结构包括衬底(2)背面的电路结构和衬底(2)正面的反射层(3)；桥面结构通过桥腿(5)和桥墩(1)支撑于衬底(2)上，红外吸收层薄膜(7)与反射层(3)之间形成红外谐振腔(6)；热敏感层薄膜(4)两侧且在热敏感薄膜(4)和红外吸收层薄膜(7)之间具有条状电极，其中一个条状电极通过一个桥腿、桥墩中的电学通道与衬底背面电路结构中的一个端口相连，另一个条状电极通过另一个桥腿、桥墩中的电学通道与衬底背面电路结构中的另一个端口相连；其特征在于，热敏感薄膜(4)位于红外谐振腔(6)之外的红外吸收层薄膜(7)的表面。
2.根据权利要求1所述的非制冷红外探测焦平面器件，其特征在于，所述热敏感薄膜(4)材料为非晶硅、非晶硅锗合金或氧化钒。
3.根据权利要求1所述的非制冷红外探测焦平面器件，其特征在于，所述红外吸收层薄膜(7)材料为氮化钛、氮化硅、含氢的非晶硅、碳化硅、二氧化硅或多孔硅。
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