一种基于碳纳米红外吸收层的红外探测器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于碳纳米红外吸收层的红外探测器，包括第一氮化硅层，所述第一氮化硅层向下依次为第一碳纳米红外吸收层，第二氮化硅层，热敏电阻层和第四氮化硅层；所述第一氮化硅层、第一碳纳米红外吸收层和第二氮化硅层构成红外探测器的宽波段红外吸收复合膜；所述第四氮化硅层和金属反射层之间通过支撑桥墩形成红外吸收谐振腔；所述金属反射层位于硅衬底之上。本发明的红外探测器能够实现宽波段红外吸收增强，从而提高器件的探测灵敏度，器件结构简单，兼容MEMS工艺，适合批量生产。
【专利说明】
一种基于碳纳米红外吸收层的红外探测器
技术领域
[0001]本发明属于光电探测领域，涉及一种基于碳纳米材料红外吸收增强的宽波段非制冷红外探测器。
【背景技术】
[0002]非制冷红外焦平面探测器具有体积小、成本低、稳定性高且与硅半导体工艺兼容性好的优点，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。非制冷红外探测器的基本原理是利用焦平面吸收红外辐射并将其转化为电压、电阻等信号的变化。现有的红外探测器多由衬底结构、支撑结构和桥面结构组成。其中桥面结构中的光吸收材料和热敏材料性能成为制约红外探测指标的关键。目前应用于非制冷红外探测器的热敏电阻材料多数集中在PZT、氧化钒、多晶硅等材料，光吸收材料多采用氮化硅等材料。然而氮化硅材料仅适合于吸收8_14μπι的红外热辐射，基于氮化硅材料的红外探测器在波段拓宽和灵敏度提升方面都受到了限制。
[0003]石墨烯具有宽光谱吸收、极高载流子迀移率和超快光响应等特点，使其在红外探测器的应用受到广泛关注。单层石墨烯对光的吸收达到2.3%，石墨烯纳米墙具有三维互联的结构，可以实现红外光的宽波段高效吸收。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种基于碳纳米材料红外吸收增强的宽波段非制冷红外探测器，结合材料和器件结构的合理优化，用以解决传统红外探测器红外吸收波段窄、红外吸收率低的问题。
[0005]本发明的技术方案如下:一种基于碳纳米红外吸收层的红外探测器，包括第一氮化硅层，所述第一氮化硅层向下依次为第一碳纳米红外吸收层，第二氮化硅层，热敏电阻层和第四氮化硅层；
[0006]所述第一氮化硅层、第一碳纳米红外吸收层和第二氮化硅层构成红外探测器的宽波段红外吸收复合膜；
[0007]所述第四氮化硅层和金属反射层之间通过支撑桥墩形成红外吸收谐振腔;所述金属反射层位于娃衬底之上。
[0008]作为优选，热敏电阻层与第四氮化硅层之间，从上自下还依次设置了第三氮化硅层，第二碳纳米红外吸收层;所述第三氮化硅层、第二碳纳米红外吸收层和第四氮化硅层在作为支撑层的同时，另外构成红外探测器的宽波段红外吸收复合膜。
[0009 ]作为优选，碳纳米红外材料选自石墨稀纳米墙、三维多孔碳纳米材料、碳纳米管、石墨稀微片堆叠膜或者碳纳米材料的复合薄膜中的一种，厚度为1nm?5000nmo
[0010]作为优选，热敏电阻材料为氢化非晶硅(a-S1:H)、非晶锗硅(α-SiGe)或氧化钒(VOx)，厚度为5Onm?δΟΟΟηηι。
[0011 ]作为优选，第一氮化娃层和第二氮化娃层的厚度分别为20?2000nm。[OO12]作为优选，第三氮化娃层和第四氮化娃层为50?5000nm。
[00?3]作为优选，金属反射层的金属选自金、银、招或铜中的一种，厚度为50?500nm。
[0014]进一步优选，石墨烯纳米墙由化学气相沉积制备而成，所述石墨烯纳米墙直接生长于基底上或者先生长后转移至目标基底上。
[0015]进一步优选，三维多孔碳纳米材料通过真空沉积工艺在目标衬底上直接低温沉积制备而成。
[0016]进一步优选，石墨烯微片堆叠膜由石墨烯微片在目标基底上成膜制备而成，所述石墨稀微片的粒径为50nm?5μηι0
[0017]本发明所述宽波段是指波长为2_14μπι的波段。
[0018]本发明还一种基于碳纳米红外吸收层的红外探测器的制备方法，包括如下步骤:
[0019]步骤1:在衬底上沉积一层金属，并按照版图进行刻蚀，得到金属反射层；
[0020]步骤2，旋涂聚酰亚胺，进行热固化，并按照版图进行刻蚀，形成牺牲层；
[0021]步骤3，在牺牲层表面制备氮化硅膜作为第四氧化硅层；
[0022]步骤4，在步骤3的基础上进一步制备热敏电阻层；
[0023]步骤5，在热敏电阻层表面制备第二氮化硅层，随后，依次制备碳纳米材料和氮化硅膜分别作为第一碳纳米红外吸收层和第一氮化硅层；
[0024]步骤6，按照版图进行光刻、镀膜和刻蚀，形成桥面和桥墩；
[0025]步骤7，对步骤2中的牺牲层进行释放，形成悬空结构，得到红外吸收谐振腔。
[0026]作为优选，步骤3还包括进一步在第四氮化硅层之上依次制备第二碳纳米红外吸收层和第三氮化硅层。
[0027]本发明的基于碳纳米材料红外吸收增强的宽波段非制冷红外探测器，可以实现阵列焦平面的器件制备，该宽波段非制冷红外探测器采用碳纳米材料作为红外吸收增强层，与氮化硅保护层和氮化硅阻隔层形成红外吸收复合膜，不仅提高器件的红外吸收率和探测灵敏度，而且可以实现宽波段红外吸收，工作波段适用于中波红外(3_5μπι)和长波红外(8-14μπι)。本发明的器件结构简单，有优异的非制冷红外探测性能。
【附图说明】
[0028]图1，图2为基于碳纳米红外吸收层的两种红外探测器截面图
[0029]其中I为第一氮化硅层、2为第一碳纳米红外吸收层、3为第二氮化硅层、4为热敏电阻层、5为第三氮化硅层、6为第二碳纳米红外吸收层、7为第四氮化硅层、8为桥墩、9为金属反射层、1为带有读出电路的硅衬底和11为红外吸收谐振腔；
[0030]图3为一种基于碳纳米红外吸收层的红外探测器的俯视图
【具体实施方式】
[0031]以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0032]制备例I
[0033]本发明中图1结构的通用制备流程为:
[0034]步骤1:利用电子束蒸发、热蒸发或磁控溅射等薄膜工艺在包含读出电路且经钝化处理的衬底10上沉积一层金属，并按照版图进行刻蚀，得到金属反射层9;
[0035]步骤2，旋涂聚酰亚胺，进行热固化，并按照版图进行刻蚀，形成牺牲层；
[0036]步骤3，利用等离子增强化学汽相沉积(PECVD)、磁控溅射或电子束沉积镀膜等装置在牺牲层表面制备氮化硅膜作为第四氧化硅层7;
[0037]步骤4，利用磁控溅射或电子束沉积镀膜等装置在第四氧化硅层7表面制备热敏电阻层4;
[0038]步骤5，利用等离子增强化学汽相沉积(PECVD)、磁控溅射或电子束沉积镀膜等装置在热敏电阻层4表面制备第二氮化硅层3，随后，利用化学气相沉积、磁控溅射或者过滤式阴极电弧沉积等装置制备碳纳米材料作为第一碳纳米红外吸收层2，利用等离子增强化学汽相沉积(PECVD)、磁控溅射或电子束沉积镀膜等装置制备第一氮化硅层I ；
[0039]步骤6，按照版图进行光刻、镀膜和刻蚀，来形成桥面和桥墩8;
[0040]步骤7，对步骤2中的牺牲层进行释放，形成悬空结构，得到红外吸收谐振腔11。
[0041]本发明中图2结构的通用制备流程为:
[0042]步骤1:利用或电子束蒸发、热蒸发或磁控溅射等薄膜工艺在包含读出电路且经钝化处理的衬底10上沉积一层金属，并按照版图进行刻蚀，得到金属反射层9;
[0043]步骤2，旋涂聚酰亚胺，进行热固化，并按照版图进行刻蚀，形成牺牲层；
[0044]步骤3，利用等离子增强化学汽相沉积(PECVD)、磁控溅射或电子束沉积镀膜等装置在牺牲层表面制备氮化硅膜作为第四氮化硅层7，随后，利用化学气相沉积、磁控溅射或者过滤式阴极电弧沉积等装置制备碳纳米材料作为第一碳纳米红外吸收层6，利用等离子增强化学汽相沉积(PECVD)、磁控溅射或电子束沉积镀膜等装置制备第一氮化硅层5;
[0045]步骤4，利用磁控溅射或电子束沉积镀膜等装置在第三氮化硅层5表面制备热敏电阻膜作为热敏电阻层4;
[0046]步骤5，利用等离子增强化学汽相沉积(PECVD)、磁控溅射或电子束沉积镀膜等装置在热敏电阻层4表面制备氮化硅膜作为第二氮化硅层3，随后，利用化学气相沉积、磁控溅射或者过滤式阴极电弧沉积等装置制备碳纳米材料作为第一碳纳米红外吸收层2，利用等离子增强化学汽相沉积(PECVD)、磁控溅射或电子束沉积镀膜等装置制备第一氮化硅层I;
[0047]步骤6，按照版图进行光刻、镀膜和刻蚀，来形成桥面和桥墩8;
[0048]步骤7，对步骤2中的牺牲层进行释放，形成悬空结构，得到红外吸收谐振腔11。
[0049]实施例1
[0050]按照制备例I的方法制备得到的红外探测器，包括第一氮化硅层I，第一氮化硅层I向下依次为第一碳纳米红外吸收层2，第二氮化硅层3，热敏电阻层4和第四氮化硅层7;
[0051]第一氮化硅层1、第一碳纳米红外吸收层2和第二氮化硅层3构成红外探测器的宽波段红外吸收复合膜；
[0052]第四氮化硅层7和金属反射层9之间通过支撑桥墩8形成红外吸收谐振腔11;金属反射层9位于硅衬底1之上。
[0053]本实施例中，碳纳米红外吸收层2的材料为三维多孔碳纳米材料，由磁控溅射直接生长于氮化娃薄膜上，厚度为I OOnm ；
[0054]本实施例中，热敏电阻层4的材料为非晶锗硅(α-SiGe)，厚度为10nm;
[0055]本实施例中，第一、二氮化硅层的厚度均为10nm;
[0056]本实施例中，第四氮化硅层的厚度为10nm;
[0057]本实施例中，金属反射层为铝，厚度为10nm;
[0058]本实施例基于碳纳米材料红外吸收增强的宽波段非制冷红外探测器，可以实现阵列焦平面的器件制备，该宽波段非制冷红外探测器采用碳纳米材料作为红外吸收增强层，与上下两层氮化硅层形成红外吸收复合膜，不仅可以实现对红外热辐射的宽波段吸收(与同等厚度的氮化硅膜相比，对8?14μπι红外波段辐射的吸收率能够提高20 %左右，对2μπι?5Mi红外波段辐射的吸收率能够提高40%?80%)，而且提高器件探测灵敏度，器件结构简单，有优异的非制冷红外探测性能。
[0059]实施例2
[0060]按照制备例2的方法制备得到的红外探测器包括第一氮化硅层I，第一氮化硅层向下依次为第一碳纳米红外吸收层2，第二氮化硅层3，热敏电阻层4，第三氮化硅层5，第二碳纳米红外吸收层6和第四氮化硅层7;
[0061]所述第一氮化硅层1、第一碳纳米红外吸收层2和第二氮化硅层3构成红外探测器的宽波段红外吸收复合膜；
[0062]所述第三氮化硅层5、第二碳纳米红外吸收层6和第四氮化硅层7在作为支撑层的同时，另外构成红外探测器的宽波段红外吸收复合膜。
[0063]所述第四氮化硅层7和金属反射层9之间通过支撑桥墩8形成红外吸收谐振腔11;所述金属反射层9位于娃衬底11之上。
[0064]本实施例中，碳纳米红外吸收层2，6的材料为石墨烯纳米墙，由化学气相沉积直接生长于氮化娃薄膜上，厚度为50nm ；
[0065]本实施例中，热敏电阻材料为氢化非晶硅(a-S1:H)，厚度为50nm;
[0066]本实施例中，第一、二氮化硅层的厚度均为20nm;
[0067]本实施例中，第三、四氮化硅层的厚度为50nm;
[0068]本实施例中，金属反射层为金，厚度为50nm;
[0069]本实施例基于碳纳米材料红外吸收增强的宽波段非制冷红外探测器，可以实现阵列焦平面的器件制备，该宽波段非制冷红外探测器采用碳纳米材料作为红外吸收增强层，并且在热敏电阻的两侧均形成红外吸收复合膜，不仅可以实现对红外热辐射的宽波段吸收(与同等厚度的氮化硅膜相比，对8?14μπι红外波段辐射的吸收率能够提高30 %左右，对2μπι?5μπι红外波段辐射的吸收率能够提高45 %?90 % )，而且提高器件探测灵敏度，器件结构简单，有优异的非制冷红外探测性能。
[0070]实施例3
[0071 ]按照制备例2的方法制备得到的红外探测器包括第一氮化硅层I，第一氮化硅层向下依次为第一碳纳米红外吸收层2，第二氮化硅层3，热敏电阻层4，第三氮化硅层5，第二碳纳米红外吸收层6和第四氮化硅层7;
[0072]所述第一氮化硅层1、第一碳纳米红外吸收层2和第二氮化硅层3构成红外探测器的宽波段红外吸收复合膜；
[0073]所述第三氮化硅层5、第二碳纳米红外吸收层6和第四氮化硅层7在作为支撑层的同时，另外构成红外探测器的宽波段红外吸收复合膜。
[0074]所述第四氮化硅层7和金属反射层9之间通过支撑桥墩8形成红外吸收谐振腔11;所述金属反射层9位于娃衬底11之上。
[0075]本实施例中，碳纳米红外吸收层2，6的材料，由化学气相沉积直接生长于氮化硅阻隔层上，厚度为200nm;
[0076]本实施例中，热敏电阻材料为氧化钒(VOx)，厚度为200nm;
[0077]本实施例中，第一、二氮化硅层的厚度均为200nm;
[0078]本实施例中，第三、四氮化硅层的厚度为50nm;
[0079]本实施例中，金属反射层为银，厚度为200nm;
[0080]本实施例基于碳纳米材料红外吸收增强的宽波段非制冷红外探测器，可以实现阵列焦平面的器件制备，该宽波段非制冷红外探测器采用碳纳米材料作为红外吸收增强层，并且在热敏电阻的两侧均形成红外吸收复合膜，不仅可以实现对红外热辐射的宽波段吸收(与同等厚度的氮化硅膜相比，对8?14μπι红外波段辐射的吸收率能够提高30 %左右，对2μπι?5μπι红外波段辐射的吸收率能够提高45 %?90 % )，而且提高器件探测灵敏度，器件结构简单，有优异的非制冷红外探测性能。
[0081]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。
【主权项】
1.一种基于碳纳米红外吸收层的红外探测器，其特征在于，包括第一氮化硅层，所述第一氮化硅层向下依次为第一碳纳米红外吸收层，第二氮化硅层，热敏电阻层和第四氮化硅层； 所述第一氮化硅层、第一碳纳米红外吸收层和第二氮化硅层构成红外探测器的宽波段红外吸收复合膜； 所述第四氮化硅层和金属反射层之间通过支撑桥墩形成红外吸收谐振腔;所述金属反射层位于硅衬底之上。2.根据权利要求1所述的基于碳纳米红外吸收层的红外探测器，其特征在于，所述热敏电阻层与第四氮化硅层之间，从上自下还依次设置了第三氮化硅层，第二碳纳米红外吸收层;所述第三氮化硅层、第二碳纳米红外吸收层和第四氮化硅层在作为支撑层的同时，另外构成红外探测器的宽波段红外吸收复合膜。3.根据权利要求1或2所述的基于碳纳米红外吸收层的红外探测器，其特征在于，所述碳纳米红外材料选自石墨稀纳米墙、三维多孔碳纳米材料、碳纳米管、石墨稀微片堆叠膜或者碳纳米材料的复合薄膜中的一种，厚度为1nm?5000nmo4.根据权利要求1或2所述的基于碳纳米红外吸收层的红外探测器，其特征在于所述热敏电阻材料为氢化非晶硅(a-S1: H)、非晶锗硅(α-SiGe)或氧化钒(VOx)，厚度为50nm?5000nm。5.根据权利要求1或2所述的基于碳纳米红外吸收层的红外探测器，其特征在于第一氮化娃层和第二氮化娃层的厚度分别为20?2000nm。6.根据权利要求1或2所述的基于碳纳米红外吸收层的红外探测器，其特征在于第三氮化娃层和第四氮化娃层为50?5000nmo7.根据权利要求1或2所述的基于碳纳米红外吸收层的红外探测器，其特征在于所述金属反射层的金属选自金、银、招或铜中的一种，厚度为50?500nm。8.一种基于碳纳米红外吸收层的红外探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤1:在衬底上沉积一层金属，并按照版图进行刻蚀，得到金属反射层； 步骤2，旋涂聚酰亚胺，进行热固化，并按照版图进行刻蚀，形成牺牲层； 步骤3，在牺牲层表面制备氮化硅膜作为第四氧化硅层； 步骤4，在步骤3的基础上进一步制备热敏电阻层； 步骤5，在热敏电阻层表面制备第二氮化硅层，随后，依次制备碳纳米材料和氮化硅膜分别作为第一碳纳米红外吸收层和第一氮化硅层； 步骤6，按照版图进行光刻、镀膜和刻蚀，形成桥面和桥墩； 步骤7，对步骤2中的牺牲层进行释放，形成悬空结构，得到红外吸收谐振腔。9.如权利要求8所述制备方法，其特征在于，所述步骤3还包括进一步在第四氮化硅层之上依次制备第二碳纳米红外吸收层和第三氮化硅层。
【文档编号】G01J5/20GK106092334SQ201610566514
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月19日
【发明人】魏兴战, 杨俊 , 冯双龙, 申钧, 周大华, 汤林龙, 史浩飞, 杜春雷
【申请人】中国科学院重庆绿色智能技术研究院