一種背入射浸沒式熱敏薄膜型紅外探測器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種背入射浸沒式熱敏薄膜型紅外探測器，所述的紅外探測器襯底背面上集成一能會聚紅外信號的鍺單晶半球透鏡，探測器的敏感元和起補償作用的補償元分別位于鍺透鏡聚光中心焦點位置和邊緣區(qū)域。該專利的優(yōu)點在于：能有效消除熱敏器件中因襯底效應(yīng)而引起的等效熱容、信號串?dāng)_對器件響應(yīng)率的影響；利用鍺透鏡的聚光作用，從薄膜襯底背面入射到敏感元上的方式實現(xiàn)浸沒式探測，大幅提高了熱敏薄膜型紅外探測器的響應(yīng)率和探測率。本發(fā)明的公開，對于發(fā)展高性能、非制冷熱敏薄膜型紅外探測器件有一定的指導(dǎo)作用，并可用于單元浸沒式紅外探測器件的批量生產(chǎn)。
【專利說明】一種背入射浸沒式熱敏薄膜型紅外探測器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及紅外探測器，具體涉及一種背入射浸沒式熱敏薄膜型紅外探測器。
【背景技術(shù)】
[0002]非制冷熱敏型紅外探測器是一種重要的紅外探測器，相比光子型紅外探測器具有制備成本低廉、無需低溫冷卻系統(tǒng)、寬波段響應(yīng)、適用溫度范圍寬、器件封裝簡單等優(yōu)點，在軍事、民用和工業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，例如可用于溫度傳感器、紅外熱成像、防火報警、非接觸測溫、夜視探測、安防檢測、環(huán)境監(jiān)測、導(dǎo)彈跟蹤和攔截、醫(yī)療診斷等諸多方面。熱敏型紅外探測器是利用紅外輻射的熱效應(yīng)，通過熱與其他物理量的變換來探測紅外輻射的。熱敏效應(yīng)的特點是入射光與材料的晶格相互作用，使得材料溫度上升，從而引起與溫度有關(guān)的物理，化學(xué)或者電學(xué)參量發(fā)生變化，例如電阻值、自發(fā)極化強度、溫差電動勢等。其中，以熱敏電阻型紅外探測器應(yīng)用最為廣泛，它相比熱釋電和熱電偶兩種熱敏紅外探測器更容易制備，而且成本低廉，性能也更穩(wěn)定。
[0003]過去，人們對熱敏紅外探測器的研究主要集中在體材料上。體材料因晶粒間的不完全接觸和空洞等缺陷的影響，致使器件的重復(fù)性、穩(wěn)定性較差，且器件存在熱容大、響應(yīng)速度慢等不利因素。近些年，隨著薄膜技術(shù)和微電子加工工藝的迅速發(fā)展，對器件的研究逐漸轉(zhuǎn)移到薄膜型材料上。薄膜材料因其均勻，致密，所制備的器件響應(yīng)速度快、可靠性和穩(wěn)定性高、重復(fù)性好。在當(dāng)今電子設(shè)備輕量化、薄型化、小型化的需求下，高性能、高穩(wěn)定的熱敏紅外探測器越來越受到重視。
[0004]但是，一般的熱敏薄膜型紅外探測器普遍存在靈敏度低、時間常數(shù)大、敏感元和補償之間存在一定的信號串?dāng)_、器件響應(yīng)率和探測率不高等問題。本專利通過合理設(shè)計器件敏感元的位置，使沉積在襯底上的敏感元薄膜和補償元分布在襯底的兩個頂角位置，減小了由襯底傳熱引起的等效熱容，消除了敏感元與補償元之間信號串?dāng)_的影響，降低了器件的響應(yīng)時間；同時，采用了能會聚紅外信號的鍺單晶半球透鏡，將基于化學(xué)溶液法(見中國發(fā)明專利:200610030144.7)制備的錳鈷鎳氧熱敏感薄膜粘合在鍺透鏡的聚光中心位置，制得了有較高響應(yīng)率(大于103V/W)、探測率(高于5X 108cm.Hz°_5/W)和較小時間常數(shù)(小于10毫秒)的單元背入射浸沒式熱敏薄膜型紅外探測器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提出一種背入射浸沒式熱敏薄膜型紅外探測器。本專利的設(shè)計突破了傳統(tǒng)薄膜型器件的響應(yīng)率和探測率的極限，有效解決了薄膜型器件中熱容大、時間常數(shù)較大、響應(yīng)率和探測率不高等問題。
[0006]一種背入射浸沒式熱敏薄膜型紅外探測器的和側(cè)面圖俯視圖如圖1和2所示，其特征在于在所述的熱敏感薄膜襯底背面上集成一能會聚紅外信號的鍺單晶半球透鏡4。
[0007]所述的鍺單晶半球透鏡4為折射率n=4、電阻率大于30 Ω cm、表面鍍制有抗反射層的鍺半球晶體，在其底面鍍有作為介質(zhì)層與紅外探測器進行粘接的硒砷化合物薄膜。[0008]本專利所設(shè)計的探測器結(jié)構(gòu)通過以下具體的工藝步驟來實現(xiàn):
[0009]I)制備熱敏薄膜。采用化學(xué)溶液方法在非晶氧化鋁襯底上制備厚度為6-8微米錳鈷鎳氧薄膜。
[0010]2)刻蝕掩膜。在錳鈷鎳氧薄膜表面光刻圖形化，后采用氬離子/HBr濕法刻蝕工藝將器件的敏感元與補償元制作在邊長為5毫米的矩形襯底的兩個頂角位置，面積均為
0.0lmm2-0.25mm2。浮膠清洗。
[0011]3)鍍制鉻/金電極。在錳鈷鎳氧薄膜表面光刻圖形化，后采用離子束濺射工藝淀積50納米的鉻和200納米的金作為電極。浮膠清洗。
[0012]4)劃片。通過機械劃片的方式將探測器沿著敏感元與補償元的兩個邊線切開，襯底寬長比為1:1，寬度為5毫米。
[0013]5)探測器粘合到浸沒透鏡上。選用硒砷化合物薄膜(粘合劑)作為介質(zhì)層，在150攝氏度下使硒砷化合物薄膜軟化，施加壓力將探測器背面粘合到鍺單晶半球透鏡上，使探測器的敏感元和補償元分別位于鍺透鏡聚光中心焦點位置和邊緣區(qū)域，并放入干燥箱在室溫下進行24小時的固化。
[0014]6)過渡電極點焊。使用超聲波金絲球焊機(型號為HKD-2320TS)，利用20微米金絲將探測器的電極與鍺單晶半球透鏡上的過渡電極相連接。
[0015]7)引線焊接與器件封裝。將過渡電極引出的正負偏置端及信號端的電極引線分別焊接到管座對應(yīng)的三個管腳上，蓋上金屬外殼。背入射浸沒式探測器結(jié)構(gòu)側(cè)面圖和俯視圖分別如圖1和2所不。
[0016]本專利的優(yōu)點在于:此探測器結(jié)構(gòu)克服了熱敏薄膜型器件中因襯底效應(yīng)而引起的等效熱容較大、信號串?dāng)_的缺點；同時采用了能會聚紅外信號的鍺單晶半球透鏡，將較小的紅外信號聚焦到探測器的敏感元上，大幅提高了器件的響應(yīng)率和探測率。基于此結(jié)構(gòu)制作的熱敏器件突破了傳統(tǒng)薄膜型器件的響應(yīng)率和探測率的極限，具有較高響應(yīng)率、探測率，以及較小的時間常數(shù)。
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0017]圖1為背入射浸沒式探測器側(cè)面圖，圖中:1、正偏置電壓2、信號輸出端3、負偏置電壓4、鍺單晶半球透鏡5、器件補償元6、器件敏感元7、器件管殼8、硒砷薄膜介質(zhì)層。
[0018]圖2為背入射浸沒式探測器俯視圖，圖中:9、器件電極10、過渡電極。
[0019]圖3為背入射浸沒式探測器在正負IOV偏置電壓下的響應(yīng)率和探測率隨頻率的變化。
【具體實施方式】:
[0020]以下結(jié)合附圖，通過具體實例對本專利做進一步詳細說明，但本專利的保護范圍并不限于以下實例。
[0021]實施例子:
[0022]基于Mnu6Coa96Nia48O4熱敏薄膜材料，研制本專利所提供的探測器結(jié)構(gòu)。具體通過以下步驟實現(xiàn)。[0023](一)MnL56Co0.96Ni0.4804 薄膜的制備
[0024]I)制備前驅(qū)體溶液。對目標(biāo)組分為Mn1JCoa96Nia48O4氧化物，分別稱取四水醋酸錳91.76g、四水醋酸鈷57.39g、四水醋酸鎳28.66g，按照每100g醋酸鹽加入400ml醋酸、100mL水的比例將粉體溶解，倒入負壓抽濾機的溶液盛裝皿中，選用孔徑為0.45μπι的濾膜，進行負壓抽濾，濾除溶液中的雜質(zhì)沉淀，得到Mn1.56Coa 96Nia4804的前驅(qū)體溶液，并將溶液裝入儲液瓶備用。
[0025]2)制備Mnh56Coa96Nia48O4氧化物薄膜。采用化學(xué)溶液法在邊長為15毫米、厚度為100微米的非晶氧化鋁襯底上制備Mnh56Coa96Nia48O4薄膜，制得厚度約為6微米的薄膜。
[0026](二)Mnh56Coa96Nia48O4背入射浸沒式探測器的研制
[0027]3)刻蝕掩膜。在Mr^56Coa96Nia48O4薄膜表面光刻圖形化，后采用氬離子/HBr濕法刻蝕工藝將器件的敏感元與補償元制作在邊長為5毫米的矩形襯底的兩個頂角位置，面積為0.09mm2。浮膠清洗。
[0028]4)鍍制鉻/金電極。在Mnh56Coa96Nia48O4薄膜表面光刻圖形化，后采用離子束濺射工藝淀積50納米的鉻和200納米的金作為電極。浮膠清洗。
[0029]5)劃片。通過機械劃片的方式將探測器沿著敏感元與補償元的兩個邊線切開，襯底寬長比為1:1，寬度為5毫米。
[0030]6)探測器粘合到浸沒透鏡上。選用直徑為11毫米的鍍制了硒砷化合物薄膜(粘合劑)的鍺單晶半球作為聚光元件，在150攝氏度下使硒砷化合物薄膜軟化，施加壓力將探測器背面粘合到鍺單晶半球透鏡上，使探測器的敏感元和補償元分別位于鍺透鏡聚光中心焦點位置和邊緣區(qū)域，并放入干燥箱在室溫下進行24小時的固化。
·[0031]7)過渡電極點焊。使用超聲波金絲球焊機(型號為HKD-2320TS)，利用20微米金絲將探測器的電極與鍺單晶半球透鏡上的過渡電極相連接。
[0032](三)Mn1.56&)。.96祖。.4804探測器的封裝與測試
[0033]8)引線焊接與器件封裝。將過渡電極引出的正負偏置端及信號端的電極引線分別焊接到管座對應(yīng)的三個管腳上，蓋上金屬外殼。
[0034]9)測試。采用黑體作為紅外輻射源，對Mnh56Coa96Nia48O4背入射浸沒式探測器進行測試與表征。正負偏置電壓為IOV的器件黑體響應(yīng)隨頻率變化結(jié)果如圖3所示。經(jīng)測試，基于本專利研制的熱敏薄膜型紅外探測器具有較高的響應(yīng)率、探測率，以及較小的時間常數(shù)，常溫下的黑體響應(yīng)率約為2.5X 103V/W@30Hz，探測率約為7.6X 108cm.Hz°_ 5/W@30Hz，時間常數(shù)為7毫秒。
【權(quán)利要求】
1.一種背入射浸沒式熱敏薄膜型紅外探測器，其特征在于:在所述的熱敏薄膜型紅外探測器的襯底背面上集成一能會聚紅外信號的鍺單晶半球透鏡(4);所述的鍺單晶半球透鏡(4)為折射率n=4、電阻率大于30 Ω cm、表面鍍制有抗反射層的鍺半球晶體，在其底面鍍有作為介質(zhì)層與紅外探測器進行粘接的硒砷化合物薄膜。
【文檔編號】H01L31/09GK103855238SQ201410020924
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年1月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月17日
【發(fā)明者】歐陽程, 黃志明, 周煒, 吳敬, 高艷卿, 龍芳, 褚君浩 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所