一種基于碳納米紅外吸收層的紅外探測器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于碳納米紅外吸收層的紅外探測器，包括第一氮化硅層，所述第一氮化硅層向下依次為第一碳納米紅外吸收層，第二氮化硅層，熱敏電阻層和第四氮化硅層；所述第一氮化硅層、第一碳納米紅外吸收層和第二氮化硅層構(gòu)成紅外探測器的寬波段紅外吸收復合膜；所述第四氮化硅層和金屬反射層之間通過支撐橋墩形成紅外吸收諧振腔；所述金屬反射層位于硅襯底之上。本發(fā)明的紅外探測器能夠?qū)崿F(xiàn)寬波段紅外吸收增強，從而提高器件的探測靈敏度，器件結(jié)構(gòu)簡單，兼容MEMS工藝，適合批量生產(chǎn)。
【專利說明】
一種基于碳納米紅外吸收層的紅外探測器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于光電探測領(lǐng)域，涉及一種基于碳納米材料紅外吸收增強的寬波段非制冷紅外探測器。
【背景技術(shù)】
[0002]非制冷紅外焦平面探測器具有體積小、成本低、穩(wěn)定性高且與硅半導體工藝兼容性好的優(yōu)點，使得其在夜視成像、制導、消防及工業(yè)控制等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。非制冷紅外探測器的基本原理是利用焦平面吸收紅外輻射并將其轉(zhuǎn)化為電壓、電阻等信號的變化?，F(xiàn)有的紅外探測器多由襯底結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)和橋面結(jié)構(gòu)組成。其中橋面結(jié)構(gòu)中的光吸收材料和熱敏材料性能成為制約紅外探測指標的關(guān)鍵。目前應(yīng)用于非制冷紅外探測器的熱敏電阻材料多數(shù)集中在PZT、氧化釩、多晶硅等材料，光吸收材料多采用氮化硅等材料。然而氮化硅材料僅適合于吸收8_14μπι的紅外熱輻射，基于氮化硅材料的紅外探測器在波段拓寬和靈敏度提升方面都受到了限制。
[0003]石墨烯具有寬光譜吸收、極高載流子迀移率和超快光響應(yīng)等特點，使其在紅外探測器的應(yīng)用受到廣泛關(guān)注。單層石墨烯對光的吸收達到2.3%，石墨烯納米墻具有三維互聯(lián)的結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)紅外光的寬波段高效吸收。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種基于碳納米材料紅外吸收增強的寬波段非制冷紅外探測器，結(jié)合材料和器件結(jié)構(gòu)的合理優(yōu)化，用以解決傳統(tǒng)紅外探測器紅外吸收波段窄、紅外吸收率低的問題。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種基于碳納米紅外吸收層的紅外探測器，包括第一氮化硅層，所述第一氮化硅層向下依次為第一碳納米紅外吸收層，第二氮化硅層，熱敏電阻層和第四氮化硅層；
[0006]所述第一氮化硅層、第一碳納米紅外吸收層和第二氮化硅層構(gòu)成紅外探測器的寬波段紅外吸收復合膜；
[0007]所述第四氮化硅層和金屬反射層之間通過支撐橋墩形成紅外吸收諧振腔;所述金屬反射層位于娃襯底之上。
[0008]作為優(yōu)選，熱敏電阻層與第四氮化硅層之間，從上自下還依次設(shè)置了第三氮化硅層，第二碳納米紅外吸收層;所述第三氮化硅層、第二碳納米紅外吸收層和第四氮化硅層在作為支撐層的同時，另外構(gòu)成紅外探測器的寬波段紅外吸收復合膜。
[0009 ]作為優(yōu)選，碳納米紅外材料選自石墨稀納米墻、三維多孔碳納米材料、碳納米管、石墨稀微片堆疊膜或者碳納米材料的復合薄膜中的一種，厚度為1nm?5000nmo
[0010]作為優(yōu)選，熱敏電阻材料為氫化非晶硅(a-S1:H)、非晶鍺硅(α-SiGe)或氧化釩(VOx)，厚度為5Onm?δΟΟΟηηι。
[0011 ]作為優(yōu)選，第一氮化娃層和第二氮化娃層的厚度分別為20?2000nm。[OO12]作為優(yōu)選，第三氮化娃層和第四氮化娃層為50?5000nm。
[00?3]作為優(yōu)選，金屬反射層的金屬選自金、銀、招或銅中的一種，厚度為50?500nm。
[0014]進一步優(yōu)選，石墨烯納米墻由化學氣相沉積制備而成，所述石墨烯納米墻直接生長于基底上或者先生長后轉(zhuǎn)移至目標基底上。
[0015]進一步優(yōu)選，三維多孔碳納米材料通過真空沉積工藝在目標襯底上直接低溫沉積制備而成。
[0016]進一步優(yōu)選，石墨烯微片堆疊膜由石墨烯微片在目標基底上成膜制備而成，所述石墨稀微片的粒徑為50nm?5μηι0
[0017]本發(fā)明所述寬波段是指波長為2_14μπι的波段。
[0018]本發(fā)明還一種基于碳納米紅外吸收層的紅外探測器的制備方法，包括如下步驟:
[0019]步驟1:在襯底上沉積一層金屬，并按照版圖進行刻蝕，得到金屬反射層；
[0020]步驟2，旋涂聚酰亞胺，進行熱固化，并按照版圖進行刻蝕，形成犧牲層；
[0021]步驟3，在犧牲層表面制備氮化硅膜作為第四氧化硅層；
[0022]步驟4，在步驟3的基礎(chǔ)上進一步制備熱敏電阻層；
[0023]步驟5，在熱敏電阻層表面制備第二氮化硅層，隨后，依次制備碳納米材料和氮化硅膜分別作為第一碳納米紅外吸收層和第一氮化硅層；
[0024]步驟6，按照版圖進行光刻、鍍膜和刻蝕，形成橋面和橋墩；
[0025]步驟7，對步驟2中的犧牲層進行釋放，形成懸空結(jié)構(gòu)，得到紅外吸收諧振腔。
[0026]作為優(yōu)選，步驟3還包括進一步在第四氮化硅層之上依次制備第二碳納米紅外吸收層和第三氮化硅層。
[0027]本發(fā)明的基于碳納米材料紅外吸收增強的寬波段非制冷紅外探測器，可以實現(xiàn)陣列焦平面的器件制備，該寬波段非制冷紅外探測器采用碳納米材料作為紅外吸收增強層，與氮化硅保護層和氮化硅阻隔層形成紅外吸收復合膜，不僅提高器件的紅外吸收率和探測靈敏度，而且可以實現(xiàn)寬波段紅外吸收，工作波段適用于中波紅外(3_5μπι)和長波紅外(8-14μπι)。本發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)簡單，有優(yōu)異的非制冷紅外探測性能。
【附圖說明】
[0028]圖1，圖2為基于碳納米紅外吸收層的兩種紅外探測器截面圖
[0029]其中I為第一氮化硅層、2為第一碳納米紅外吸收層、3為第二氮化硅層、4為熱敏電阻層、5為第三氮化硅層、6為第二碳納米紅外吸收層、7為第四氮化硅層、8為橋墩、9為金屬反射層、1為帶有讀出電路的硅襯底和11為紅外吸收諧振腔；
[0030]圖3為一種基于碳納米紅外吸收層的紅外探測器的俯視圖
【具體實施方式】
[0031]以下對本發(fā)明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。
[0032]制備例I
[0033]本發(fā)明中圖1結(jié)構(gòu)的通用制備流程為:
[0034]步驟1:利用電子束蒸發(fā)、熱蒸發(fā)或磁控濺射等薄膜工藝在包含讀出電路且經(jīng)鈍化處理的襯底10上沉積一層金屬，并按照版圖進行刻蝕，得到金屬反射層9;
[0035]步驟2，旋涂聚酰亞胺，進行熱固化，并按照版圖進行刻蝕，形成犧牲層；
[0036]步驟3，利用等離子增強化學汽相沉積(PECVD)、磁控濺射或電子束沉積鍍膜等裝置在犧牲層表面制備氮化硅膜作為第四氧化硅層7;
[0037]步驟4，利用磁控濺射或電子束沉積鍍膜等裝置在第四氧化硅層7表面制備熱敏電阻層4;
[0038]步驟5，利用等離子增強化學汽相沉積(PECVD)、磁控濺射或電子束沉積鍍膜等裝置在熱敏電阻層4表面制備第二氮化硅層3，隨后，利用化學氣相沉積、磁控濺射或者過濾式陰極電弧沉積等裝置制備碳納米材料作為第一碳納米紅外吸收層2，利用等離子增強化學汽相沉積(PECVD)、磁控濺射或電子束沉積鍍膜等裝置制備第一氮化硅層I ；
[0039]步驟6，按照版圖進行光刻、鍍膜和刻蝕，來形成橋面和橋墩8;
[0040]步驟7，對步驟2中的犧牲層進行釋放，形成懸空結(jié)構(gòu)，得到紅外吸收諧振腔11。
[0041]本發(fā)明中圖2結(jié)構(gòu)的通用制備流程為:
[0042]步驟1:利用或電子束蒸發(fā)、熱蒸發(fā)或磁控濺射等薄膜工藝在包含讀出電路且經(jīng)鈍化處理的襯底10上沉積一層金屬，并按照版圖進行刻蝕，得到金屬反射層9;
[0043]步驟2，旋涂聚酰亞胺，進行熱固化，并按照版圖進行刻蝕，形成犧牲層；
[0044]步驟3，利用等離子增強化學汽相沉積(PECVD)、磁控濺射或電子束沉積鍍膜等裝置在犧牲層表面制備氮化硅膜作為第四氮化硅層7，隨后，利用化學氣相沉積、磁控濺射或者過濾式陰極電弧沉積等裝置制備碳納米材料作為第一碳納米紅外吸收層6，利用等離子增強化學汽相沉積(PECVD)、磁控濺射或電子束沉積鍍膜等裝置制備第一氮化硅層5;
[0045]步驟4，利用磁控濺射或電子束沉積鍍膜等裝置在第三氮化硅層5表面制備熱敏電阻膜作為熱敏電阻層4;
[0046]步驟5，利用等離子增強化學汽相沉積(PECVD)、磁控濺射或電子束沉積鍍膜等裝置在熱敏電阻層4表面制備氮化硅膜作為第二氮化硅層3，隨后，利用化學氣相沉積、磁控濺射或者過濾式陰極電弧沉積等裝置制備碳納米材料作為第一碳納米紅外吸收層2，利用等離子增強化學汽相沉積(PECVD)、磁控濺射或電子束沉積鍍膜等裝置制備第一氮化硅層I;
[0047]步驟6，按照版圖進行光刻、鍍膜和刻蝕，來形成橋面和橋墩8;
[0048]步驟7，對步驟2中的犧牲層進行釋放，形成懸空結(jié)構(gòu)，得到紅外吸收諧振腔11。
[0049]實施例1
[0050]按照制備例I的方法制備得到的紅外探測器，包括第一氮化硅層I，第一氮化硅層I向下依次為第一碳納米紅外吸收層2，第二氮化硅層3，熱敏電阻層4和第四氮化硅層7;
[0051]第一氮化硅層1、第一碳納米紅外吸收層2和第二氮化硅層3構(gòu)成紅外探測器的寬波段紅外吸收復合膜；
[0052]第四氮化硅層7和金屬反射層9之間通過支撐橋墩8形成紅外吸收諧振腔11;金屬反射層9位于硅襯底1之上。
[0053]本實施例中，碳納米紅外吸收層2的材料為三維多孔碳納米材料，由磁控濺射直接生長于氮化娃薄膜上，厚度為I OOnm ；
[0054]本實施例中，熱敏電阻層4的材料為非晶鍺硅(α-SiGe)，厚度為10nm;
[0055]本實施例中，第一、二氮化硅層的厚度均為10nm;
[0056]本實施例中，第四氮化硅層的厚度為10nm;
[0057]本實施例中，金屬反射層為鋁，厚度為10nm;
[0058]本實施例基于碳納米材料紅外吸收增強的寬波段非制冷紅外探測器，可以實現(xiàn)陣列焦平面的器件制備，該寬波段非制冷紅外探測器采用碳納米材料作為紅外吸收增強層，與上下兩層氮化硅層形成紅外吸收復合膜，不僅可以實現(xiàn)對紅外熱輻射的寬波段吸收(與同等厚度的氮化硅膜相比，對8?14μπι紅外波段輻射的吸收率能夠提高20 %左右，對2μπι?5Mi紅外波段輻射的吸收率能夠提高40%?80%)，而且提高器件探測靈敏度，器件結(jié)構(gòu)簡單，有優(yōu)異的非制冷紅外探測性能。
[0059]實施例2
[0060]按照制備例2的方法制備得到的紅外探測器包括第一氮化硅層I，第一氮化硅層向下依次為第一碳納米紅外吸收層2，第二氮化硅層3，熱敏電阻層4，第三氮化硅層5，第二碳納米紅外吸收層6和第四氮化硅層7;
[0061]所述第一氮化硅層1、第一碳納米紅外吸收層2和第二氮化硅層3構(gòu)成紅外探測器的寬波段紅外吸收復合膜；
[0062]所述第三氮化硅層5、第二碳納米紅外吸收層6和第四氮化硅層7在作為支撐層的同時，另外構(gòu)成紅外探測器的寬波段紅外吸收復合膜。
[0063]所述第四氮化硅層7和金屬反射層9之間通過支撐橋墩8形成紅外吸收諧振腔11;所述金屬反射層9位于娃襯底11之上。
[0064]本實施例中，碳納米紅外吸收層2，6的材料為石墨烯納米墻，由化學氣相沉積直接生長于氮化娃薄膜上，厚度為50nm ；
[0065]本實施例中，熱敏電阻材料為氫化非晶硅(a-S1:H)，厚度為50nm;
[0066]本實施例中，第一、二氮化硅層的厚度均為20nm;
[0067]本實施例中，第三、四氮化硅層的厚度為50nm;
[0068]本實施例中，金屬反射層為金，厚度為50nm;
[0069]本實施例基于碳納米材料紅外吸收增強的寬波段非制冷紅外探測器，可以實現(xiàn)陣列焦平面的器件制備，該寬波段非制冷紅外探測器采用碳納米材料作為紅外吸收增強層，并且在熱敏電阻的兩側(cè)均形成紅外吸收復合膜，不僅可以實現(xiàn)對紅外熱輻射的寬波段吸收(與同等厚度的氮化硅膜相比，對8?14μπι紅外波段輻射的吸收率能夠提高30 %左右，對2μπι?5μπι紅外波段輻射的吸收率能夠提高45 %?90 % )，而且提高器件探測靈敏度，器件結(jié)構(gòu)簡單，有優(yōu)異的非制冷紅外探測性能。
[0070]實施例3
[0071 ]按照制備例2的方法制備得到的紅外探測器包括第一氮化硅層I，第一氮化硅層向下依次為第一碳納米紅外吸收層2，第二氮化硅層3，熱敏電阻層4，第三氮化硅層5，第二碳納米紅外吸收層6和第四氮化硅層7;
[0072]所述第一氮化硅層1、第一碳納米紅外吸收層2和第二氮化硅層3構(gòu)成紅外探測器的寬波段紅外吸收復合膜；
[0073]所述第三氮化硅層5、第二碳納米紅外吸收層6和第四氮化硅層7在作為支撐層的同時，另外構(gòu)成紅外探測器的寬波段紅外吸收復合膜。
[0074]所述第四氮化硅層7和金屬反射層9之間通過支撐橋墩8形成紅外吸收諧振腔11;所述金屬反射層9位于娃襯底11之上。
[0075]本實施例中，碳納米紅外吸收層2，6的材料，由化學氣相沉積直接生長于氮化硅阻隔層上，厚度為200nm;
[0076]本實施例中，熱敏電阻材料為氧化釩(VOx)，厚度為200nm;
[0077]本實施例中，第一、二氮化硅層的厚度均為200nm;
[0078]本實施例中，第三、四氮化硅層的厚度為50nm;
[0079]本實施例中，金屬反射層為銀，厚度為200nm;
[0080]本實施例基于碳納米材料紅外吸收增強的寬波段非制冷紅外探測器，可以實現(xiàn)陣列焦平面的器件制備，該寬波段非制冷紅外探測器采用碳納米材料作為紅外吸收增強層，并且在熱敏電阻的兩側(cè)均形成紅外吸收復合膜，不僅可以實現(xiàn)對紅外熱輻射的寬波段吸收(與同等厚度的氮化硅膜相比，對8?14μπι紅外波段輻射的吸收率能夠提高30 %左右，對2μπι?5μπι紅外波段輻射的吸收率能夠提高45 %?90 % )，而且提高器件探測靈敏度，器件結(jié)構(gòu)簡單，有優(yōu)異的非制冷紅外探測性能。
[0081]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當可利用上述揭示的方法及技術(shù)內(nèi)容作出些許的更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種基于碳納米紅外吸收層的紅外探測器，其特征在于，包括第一氮化硅層，所述第一氮化硅層向下依次為第一碳納米紅外吸收層，第二氮化硅層，熱敏電阻層和第四氮化硅層； 所述第一氮化硅層、第一碳納米紅外吸收層和第二氮化硅層構(gòu)成紅外探測器的寬波段紅外吸收復合膜； 所述第四氮化硅層和金屬反射層之間通過支撐橋墩形成紅外吸收諧振腔;所述金屬反射層位于硅襯底之上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于碳納米紅外吸收層的紅外探測器，其特征在于，所述熱敏電阻層與第四氮化硅層之間，從上自下還依次設(shè)置了第三氮化硅層，第二碳納米紅外吸收層;所述第三氮化硅層、第二碳納米紅外吸收層和第四氮化硅層在作為支撐層的同時，另外構(gòu)成紅外探測器的寬波段紅外吸收復合膜。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于碳納米紅外吸收層的紅外探測器，其特征在于，所述碳納米紅外材料選自石墨稀納米墻、三維多孔碳納米材料、碳納米管、石墨稀微片堆疊膜或者碳納米材料的復合薄膜中的一種，厚度為1nm?5000nmo4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于碳納米紅外吸收層的紅外探測器，其特征在于所述熱敏電阻材料為氫化非晶硅(a-S1: H)、非晶鍺硅(α-SiGe)或氧化釩(VOx)，厚度為50nm?5000nm。5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于碳納米紅外吸收層的紅外探測器，其特征在于第一氮化娃層和第二氮化娃層的厚度分別為20?2000nm。6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于碳納米紅外吸收層的紅外探測器，其特征在于第三氮化娃層和第四氮化娃層為50?5000nmo7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于碳納米紅外吸收層的紅外探測器，其特征在于所述金屬反射層的金屬選自金、銀、招或銅中的一種，厚度為50?500nm。8.一種基于碳納米紅外吸收層的紅外探測器的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟1:在襯底上沉積一層金屬，并按照版圖進行刻蝕，得到金屬反射層； 步驟2，旋涂聚酰亞胺，進行熱固化，并按照版圖進行刻蝕，形成犧牲層； 步驟3，在犧牲層表面制備氮化硅膜作為第四氧化硅層； 步驟4，在步驟3的基礎(chǔ)上進一步制備熱敏電阻層； 步驟5，在熱敏電阻層表面制備第二氮化硅層，隨后，依次制備碳納米材料和氮化硅膜分別作為第一碳納米紅外吸收層和第一氮化硅層； 步驟6，按照版圖進行光刻、鍍膜和刻蝕，形成橋面和橋墩； 步驟7，對步驟2中的犧牲層進行釋放，形成懸空結(jié)構(gòu)，得到紅外吸收諧振腔。9.如權(quán)利要求8所述制備方法，其特征在于，所述步驟3還包括進一步在第四氮化硅層之上依次制備第二碳納米紅外吸收層和第三氮化硅層。
【文檔編號】G01J5/20GK106092334SQ201610566514
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月19日
【發(fā)明人】魏興戰(zhàn), 楊俊 , 馮雙龍, 申鈞, 周大華, 湯林龍, 史浩飛, 杜春雷
【申請人】中國科學院重慶綠色智能技術(shù)研究院