一种背入射浸没式热敏薄膜型红外探测器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种背入射浸没式热敏薄膜型红外探测器，所述的红外探测器衬底背面上集成一能会聚红外信号的锗单晶半球透镜，探测器的敏感元和起补偿作用的补偿元分别位于锗透镜聚光中心焦点位置和边缘区域。该专利的优点在于：能有效消除热敏器件中因衬底效应而引起的等效热容、信号串扰对器件响应率的影响；利用锗透镜的聚光作用，从薄膜衬底背面入射到敏感元上的方式实现浸没式探测，大幅提高了热敏薄膜型红外探测器的响应率和探测率。本发明的公开，对于发展高性能、非制冷热敏薄膜型红外探测器件有一定的指导作用，并可用于单元浸没式红外探测器件的批量生产。
【专利说明】一种背入射浸没式热敏薄膜型红外探测器
【技术领域】
[0001]本发明涉及红外探测器，具体涉及一种背入射浸没式热敏薄膜型红外探测器。
【背景技术】
[0002]非制冷热敏型红外探测器是一种重要的红外探测器，相比光子型红外探测器具有制备成本低廉、无需低温冷却系统、宽波段响应、适用温度范围宽、器件封装简单等优点，在军事、民用和工业等领域有着广泛的应用，例如可用于温度传感器、红外热成像、防火报警、非接触测温、夜视探测、安防检测、环境监测、导弹跟踪和拦截、医疗诊断等诸多方面。热敏型红外探测器是利用红外辐射的热效应，通过热与其他物理量的变换来探测红外辐射的。热敏效应的特点是入射光与材料的晶格相互作用，使得材料温度上升，从而引起与温度有关的物理，化学或者电学参量发生变化，例如电阻值、自发极化强度、温差电动势等。其中，以热敏电阻型红外探测器应用最为广泛，它相比热释电和热电偶两种热敏红外探测器更容易制备，而且成本低廉，性能也更稳定。
[0003]过去，人们对热敏红外探测器的研究主要集中在体材料上。体材料因晶粒间的不完全接触和空洞等缺陷的影响，致使器件的重复性、稳定性较差，且器件存在热容大、响应速度慢等不利因素。近些年，随着薄膜技术和微电子加工工艺的迅速发展，对器件的研究逐渐转移到薄膜型材料上。薄膜材料因其均匀，致密，所制备的器件响应速度快、可靠性和稳定性高、重复性好。在当今电子设备轻量化、薄型化、小型化的需求下，高性能、高稳定的热敏红外探测器越来越受到重视。
[0004]但是，一般的热敏薄膜型红外探测器普遍存在灵敏度低、时间常数大、敏感元和补偿之间存在一定的信号串扰、器件响应率和探测率不高等问题。本专利通过合理设计器件敏感元的位置，使沉积在衬底上的敏感元薄膜和补偿元分布在衬底的两个顶角位置，减小了由衬底传热引起的等效热容，消除了敏感元与补偿元之间信号串扰的影响，降低了器件的响应时间；同时，采用了能会聚红外信号的锗单晶半球透镜，将基于化学溶液法(见中国发明专利:200610030144.7)制备的锰钴镍氧热敏感薄膜粘合在锗透镜的聚光中心位置，制得了有较高响应率(大于103V/W)、探测率(高于5X 108cm.Hz°_5/W)和较小时间常数(小于10毫秒)的单元背入射浸没式热敏薄膜型红外探测器。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提出一种背入射浸没式热敏薄膜型红外探测器。本专利的设计突破了传统薄膜型器件的响应率和探测率的极限，有效解决了薄膜型器件中热容大、时间常数较大、响应率和探测率不高等问题。
[0006]一种背入射浸没式热敏薄膜型红外探测器的和侧面图俯视图如图1和2所示，其特征在于在所述的热敏感薄膜衬底背面上集成一能会聚红外信号的锗单晶半球透镜4。
[0007]所述的锗单晶半球透镜4为折射率n=4、电阻率大于30 Ω cm、表面镀制有抗反射层的锗半球晶体，在其底面镀有作为介质层与红外探测器进行粘接的硒砷化合物薄膜。[0008]本专利所设计的探测器结构通过以下具体的工艺步骤来实现:
[0009]I)制备热敏薄膜。采用化学溶液方法在非晶氧化铝衬底上制备厚度为6-8微米锰钴镍氧薄膜。
[0010]2)刻蚀掩膜。在锰钴镍氧薄膜表面光刻图形化，后采用氩离子/HBr湿法刻蚀工艺将器件的敏感元与补偿元制作在边长为5毫米的矩形衬底的两个顶角位置，面积均为
0.0lmm2-0.25mm2。浮胶清洗。
[0011]3)镀制铬/金电极。在锰钴镍氧薄膜表面光刻图形化，后采用离子束溅射工艺淀积50纳米的铬和200纳米的金作为电极。浮胶清洗。
[0012]4)划片。通过机械划片的方式将探测器沿着敏感元与补偿元的两个边线切开，衬底宽长比为1:1，宽度为5毫米。
[0013]5)探测器粘合到浸没透镜上。选用硒砷化合物薄膜(粘合剂)作为介质层，在150摄氏度下使硒砷化合物薄膜软化，施加压力将探测器背面粘合到锗单晶半球透镜上，使探测器的敏感元和补偿元分别位于锗透镜聚光中心焦点位置和边缘区域，并放入干燥箱在室温下进行24小时的固化。
[0014]6)过渡电极点焊。使用超声波金丝球焊机(型号为HKD-2320TS)，利用20微米金丝将探测器的电极与锗单晶半球透镜上的过渡电极相连接。
[0015]7)引线焊接与器件封装。将过渡电极引出的正负偏置端及信号端的电极引线分别焊接到管座对应的三个管脚上，盖上金属外壳。背入射浸没式探测器结构侧面图和俯视图分别如图1和2所不。
[0016]本专利的优点在于:此探测器结构克服了热敏薄膜型器件中因衬底效应而引起的等效热容较大、信号串扰的缺点；同时采用了能会聚红外信号的锗单晶半球透镜，将较小的红外信号聚焦到探测器的敏感元上，大幅提高了器件的响应率和探测率。基于此结构制作的热敏器件突破了传统薄膜型器件的响应率和探测率的极限，具有较高响应率、探测率，以及较小的时间常数。
【专利附图】
【附图说明】:
[0017]图1为背入射浸没式探测器侧面图，图中:1、正偏置电压2、信号输出端3、负偏置电压4、锗单晶半球透镜5、器件补偿元6、器件敏感元7、器件管壳8、硒砷薄膜介质层。
[0018]图2为背入射浸没式探测器俯视图，图中:9、器件电极10、过渡电极。
[0019]图3为背入射浸没式探测器在正负IOV偏置电压下的响应率和探测率随频率的变化。
【具体实施方式】:
[0020]以下结合附图，通过具体实例对本专利做进一步详细说明，但本专利的保护范围并不限于以下实例。
[0021]实施例子:
[0022]基于Mnu6Coa96Nia48O4热敏薄膜材料，研制本专利所提供的探测器结构。具体通过以下步骤实现。[0023](一)MnL56Co0.96Ni0.4804 薄膜的制备
[0024]I)制备前驱体溶液。对目标组分为Mn1JCoa96Nia48O4氧化物，分别称取四水醋酸锰91.76g、四水醋酸钴57.39g、四水醋酸镍28.66g，按照每100g醋酸盐加入400ml醋酸、100mL水的比例将粉体溶解，倒入负压抽滤机的溶液盛装皿中，选用孔径为0.45μπι的滤膜，进行负压抽滤，滤除溶液中的杂质沉淀，得到Mn1.56Coa 96Nia4804的前驱体溶液，并将溶液装入储液瓶备用。
[0025]2)制备Mnh56Coa96Nia48O4氧化物薄膜。采用化学溶液法在边长为15毫米、厚度为100微米的非晶氧化铝衬底上制备Mnh56Coa96Nia48O4薄膜，制得厚度约为6微米的薄膜。
[0026](二)Mnh56Coa96Nia48O4背入射浸没式探测器的研制
[0027]3)刻蚀掩膜。在Mr^56Coa96Nia48O4薄膜表面光刻图形化，后采用氩离子/HBr湿法刻蚀工艺将器件的敏感元与补偿元制作在边长为5毫米的矩形衬底的两个顶角位置，面积为0.09mm2。浮胶清洗。
[0028]4)镀制铬/金电极。在Mnh56Coa96Nia48O4薄膜表面光刻图形化，后采用离子束溅射工艺淀积50纳米的铬和200纳米的金作为电极。浮胶清洗。
[0029]5)划片。通过机械划片的方式将探测器沿着敏感元与补偿元的两个边线切开，衬底宽长比为1:1，宽度为5毫米。
[0030]6)探测器粘合到浸没透镜上。选用直径为11毫米的镀制了硒砷化合物薄膜(粘合剂)的锗单晶半球作为聚光元件，在150摄氏度下使硒砷化合物薄膜软化，施加压力将探测器背面粘合到锗单晶半球透镜上，使探测器的敏感元和补偿元分别位于锗透镜聚光中心焦点位置和边缘区域，并放入干燥箱在室温下进行24小时的固化。
·[0031]7)过渡电极点焊。使用超声波金丝球焊机(型号为HKD-2320TS)，利用20微米金丝将探测器的电极与锗单晶半球透镜上的过渡电极相连接。
[0032](三)Mn1.56&)。.96祖。.4804探测器的封装与测试
[0033]8)引线焊接与器件封装。将过渡电极引出的正负偏置端及信号端的电极引线分别焊接到管座对应的三个管脚上，盖上金属外壳。
[0034]9)测试。采用黑体作为红外辐射源，对Mnh56Coa96Nia48O4背入射浸没式探测器进行测试与表征。正负偏置电压为IOV的器件黑体响应随频率变化结果如图3所示。经测试，基于本专利研制的热敏薄膜型红外探测器具有较高的响应率、探测率，以及较小的时间常数，常温下的黑体响应率约为2.5X 103V/W@30Hz，探测率约为7.6X 108cm.Hz°_ 5/W@30Hz，时间常数为7毫秒。
【权利要求】
1.一种背入射浸没式热敏薄膜型红外探测器，其特征在于:在所述的热敏薄膜型红外探测器的衬底背面上集成一能会聚红外信号的锗单晶半球透镜(4);所述的锗单晶半球透镜(4)为折射率n=4、电阻率大于30 Ω cm、表面镀制有抗反射层的锗半球晶体，在其底面镀有作为介质层与红外探测器进行粘接的硒砷化合物薄膜。
【文档编号】H01L31/09GK103855238SQ201410020924
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2014年1月17日 优先权日:2014年1月17日
【发明者】欧阳程, 黄志明, 周炜, 吴敬, 高艳卿, 龙芳, 褚君浩 申请人:中国科学院上海技术物理研究所