一种基于石墨烯的非制冷红外探测器及原位制作方法与流程

本发明涉及用于红外成像系统技术领域中的一种石墨烯材料的非制冷红外焦平面阵列探测器。

背景技术：

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的桥面结构中，红外吸收层薄膜均位于热敏层薄膜之间，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。

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更替为三维石墨烯结构，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。本发明提供的非制冷红外探测焦平面器，由于只由红外吸收层薄膜只有石墨烯构成，内部没有热敏感层薄膜，因此在桥面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三维石墨烯作为红外吸收层的桥面结构，增强了红外探测焦平面器件的红外吸收率，通过测试证明该器件对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30％-45％，对于短波1-2μm红外的吸收率能够提高30％～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。

技术实现要素：

本发明提供一种石墨烯非制冷红外探测焦平面器件，该器件突破原有器件结构对波长选择性的限制，采用微波等离子沉积技术在桥面结构中原位生长三维石墨烯结构，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：一种石墨烯非制冷红外探测焦平面器件，包括基底；所述基底上设置周期性红外探测基元阵列，单个所述红外探测基元包括位于基底上的衬底和原位生长于衬底上的三维石墨烯墙。

作为优选，所述衬底为热敏感薄膜材料，包括但不限于氮化硅、非晶硅、非晶硅锗合金或氧化钒。

作为优选，所述基底内设置ROIC集成电路。

作为优选，所述衬底和三维石墨烯墙的尺寸为15-20微米，厚度为100-150纳米。

本发明的目的还在于提供一种在衬底上原位快速生长三维石墨烯墙的方法，该方法无需复杂的预处理工艺和高温过程，且处理工序更加简化和具有兼容性。

本发明的原位制备方案如下：将具有预埋电极的氮化硅-硅衬底直接放置于等离子体化学气相沉积装置中；将真空度控制在10-30毫巴，通入工作气体载入碳源至等离子发生区域，无需加热；一定时间内就能在氮化硅衬底上得到三维石墨烯阵列墙。

作为优选，本发明的碳源为同时含有SP³和SP²碳原子的有机化合物；更优选甲酸甲酯。

作为优选，工作气体选自氢气，氩气或氦气中的一种或多种。

作为可替代方案，工作气体除载入碳源甲酸甲酯外，包括但不限于其他碳源，如甲烷，甲醇，乙醇等。在实际的快速等离子反应过程中，会形成非晶碳和晶体碳如金刚石，都是这些原料，关键是还原性气体的选择使用，可以调整其比例。

上述任意技术方案中，等离子体化学气相沉积装置的射频功率为100-500W。

上述任意技术方案中，H₂的流速为10-60sccm，Ar的流速为10-60sccm；甲酸甲酯由Ar气体载入，其用量直接受限于Ar气的流速比例。

上述任意技术方案中，石墨烯的沉积生长时间为0.1-1小时。

本发明还提供一种石墨烯非制冷红外探测焦平面器件的制备方法，包括采用上述方法在在预埋电极的氮化硅-硅衬底上原位生长三维石墨烯墙；采用光刻技术，对已得薄膜进行阵列化加工，获得周期性红外探测基元。利用等离子沉积设备在薄膜上面外延制备氮化硅薄膜进行封装，获得石墨烯阵列红外探测器。

本发明的有益效果在于：本发明通过把预埋电极衬底直接放置在等离子体反应的区域，且无需控制加热温度；把化合物甲酸甲酯引入到反应体系中，在氢等离子作用下断开C-O-C同时得到两份的-CH₃键，适当增加碳的含量，从而实现快速在预埋电极衬底上快速制备石墨烯花簇阵列的目的，此种方法可直接利用在红外探测器单元基底上制备石墨烯阵列，从而得到石墨烯红外探测器，该结构大大提高了长波红外的吸收效率。为实现真正意义上的碳包覆红外探测器制作提供了一个简洁的方法。

附图说明

附图1为直接制备石墨烯红外探测器的器件结构示意图1.基底；6红外探测基元；

附图2三维石墨烯红外探测器的侧向结构示意图1.基底，2.ROIC集成电路，3.衬底，4.原位生长的石墨烯墙，5.氮化硅封装；

附图3为预埋电极衬底上包覆石墨烯花簇阵列墙的扫描电镜的高倍顶视图

附图4为预埋电极衬底上包覆石墨烯花簇阵列墙的扫描电镜的剖面图。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

本发明的石墨烯的非制冷红外探测器的结构包括：基底1上设置周期性红外探测基元6形成阵列，单个所述红外探测基元6包括位于基底1上的衬底3和原位生长于衬底3上的石墨烯墙4。衬底3为热敏感薄膜材料，例如氮化硅、非晶硅、非晶硅锗合金或氧化钒等。基底1内设置ROIC集成电路2。

实施例1

利用射频等离子化学气相沉积方法，首先在石英管式真空炉中间放置预埋电极的氮化硅-硅衬底，然后用机械泵将管式炉的真空度保持在10毫巴，通入H₂；打开Ar载入甲酸甲酯至射频等离子发生区域，H₂的流速为50sccm，Ar的流速为50sccm，打开射频电源开始沉积，生长时间为0.5小时，在氮化硅衬底的表面得到石墨烯墙阵列。

采用光刻技术，对已得薄膜进行阵列化加工，获得周期性红外探测基元。

利用等离子沉积设备在薄膜上面外延制备氮化硅薄膜进行封装，获得石墨烯阵列红外探测器。

实施例2

利用等离子化学气相沉积方法，首先在石英管式真空炉中间放置氮化硅衬底，用机械泵将真空管式炉的真空度抽至30毫巴，通入H₂，然后打开Ar载入甲酸甲酯至等离子发生区域，H₂的流速为30sccm，Ar的流速为40sccm，打开射频电源开始沉积，生长时间为0.2小时，在氮化硅衬底的表面得到三维石墨烯阵列。

采用光刻技术，对已得薄膜进行阵列化加工，获得周期性红外探测基元。

利用等离子沉积设备在薄膜上面外延制备氮化硅薄膜进行封装，过得阵列红外探测器。

有益结果

本发明的三维石墨烯结构的非制冷红外焦平面阵列探测器，通过在桥面层直接低温生长三维石墨烯层实现和热敏层及电路连接，提高探测器件在8-14微米的光吸收效率。与现有技术相比，本发明有以下几个方面的优点：

1、通过在探测器的桥面直接生长三维石墨烯墙阵列结构，可以有效地提高桥面层的红外吸收，更多的红外辐射能量直接到达探测器单元，使探测更灵敏。

2、采取的低温原位生长方法与传统的MEMS加工封装工艺兼容性好，大大降低器件生长难度和成本，能够有效地提高探测器的热效率，提高了整体探测性能。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。