本发明热释电探测器电子技术领域，具体涉及一种具有金字塔阵列结构的热释电探测器吸收层及其表面金字塔阵列结构的制备方法。
背景技术：
热释电红外探测器的诸多优点使其在探测与安防等领域获得广泛应用。其结构包括红外镜头、吸收层、辐射调制器、焦平面阵列、读出电路等部分。红外辐射经过物镜会聚于焦平面阵列前需要经过辐射调制器的调制。热探测器吸收层把吸收的红外辐射后转化为热量传递给热释电材料，热释电材料感应到温度变化后会产生电荷，电荷流动产生电流。因此，红外吸收层对热释电探测器的性能起着至关重要的作用，现有技术中热释电红外探测器通常采用镍铬吸收层，然而由于镍铬吸收层在红外波段具有很高的反射率，导致热释电红外探测器的光电转换效率较低。因此，有必要对吸收层进行改进，进而达到提高探测器的光灵敏度和光电转换效率的目的。
在过去的几十年中，最主要的吸收层结构有以下四种分类：超薄金属膜结构、四分之一波长结构、基于亚波长结构形成的抗反射结构和多孔金黑结构。其中，超薄金属膜结构的制作相对简单，但是其吸收率不超过50％；四分之一波长结构较为简单，成本低，但其高吸收率带宽窄，虽然通过多层膜可以扩展带宽，但是多层膜容易脱落；基于亚波长结构形成的抗反射结构在宽波段内有高吸收率，但是制作技术难度大，成本高；多孔金黑结构是作为红外吸收层非常好的材料，它能够有效降低波长为0.2～50μm光的反射率，其吸收率在整个红外波段都可以达到95％，已广泛地在热释电探测器中应用，然而，虽然其具有在宽波段吸收率高的优点，但是在应用中仍然存在问题：多孔金黑膜制作起来比较困难，因为它们比较脆，很容易因物理接触而被破坏，由于其容易受到损害、老化和硬化，因此，在一定程度上限制其应用。
技术实现要素：
鉴于上文所述，为解决现有镍铬或其他材质吸收层在红外波段反射率高的问题，本发明提供一种表面具有金字塔阵列结构的热释电探测器吸收层及其表面金字塔阵列结构的制备方法，本发明中的金字塔阵列结构是通过在现有反射率较高吸收层表面刻蚀形成由微型金字塔单元紧密形成的阵列，使得红外辐射经过多次反射并逐渐被结构吸收，进而有效降低吸收层对红外辐射的反射率，从而达到提高探测器的电流响应、电压响应以及光电转换效率。
为实现上述目的，本发明通过两方面来公开发明内容，具体技术方案如下：
本发明公开的第一方面是提供一种表面具有金字塔阵列结构的热释电探测器吸收层，吸收层表面设置有金字塔阵列结构，所述金字塔阵列结构是由多个微型金字塔单元通过m×n方式紧密分布于整个吸收层表面，其中，m与n均为正整数，所述金字塔阵列结构的材料与吸收层表面材料相同；所述微型金字塔单元包括矩形底面和四个等腰三角形侧面，所述四个等腰三角形侧面均向内倾斜和所述矩形底面形成夹角从而构成金字塔型结构。
进一步地，所述微型金字塔单元在吸收层表面分布密度为1×109个/cm2～3×109个/cm2。作为优选实施方式，本发明中微型金字塔单元矩形底面的边长为200nm～300nm微型金字塔单元的高度为150nm～180nm。
进一步地，本发明吸收层为镍铬合金层，为使得吸收层的吸收效果更佳，作为优选方式，可以采用在表面具有金字塔阵列的镍铬合金层下设置一多孔金黑层共同作为吸收层。
本发明公开的另一方面是提供一种热释电探测器吸收层表面金字塔阵列结构的制备方法，包括部分刻蚀和其后的整体刻蚀；首先将矩形镍铬片表面划分为m×n个相同大小的矩形区域，其中，m与n均为正整数，任意一个矩形区域的刻蚀过程如下：
步骤A：部分刻蚀；以上述矩形区域两条对边中点连线为对称轴划分为对称的区域一和区域二，然后采用光刻工艺分别在两个区域依次刻蚀，得到两个相互对称的阶梯状斜面；再以矩形区域另外两条对边中点连线为对称轴划分为对称的区域三和区域四，采用同样的光刻工艺在已经制得两个相互对称的阶梯状斜面的镍铬层的区域三和区域四依次刻蚀，得到四个阶梯状斜面形成的金字塔结构；
步骤B：整体刻蚀；采用酸性刻蚀液对步骤A制得的镍铬层表面金字塔结构进行整体刻蚀，使得斜面的阶梯结构消失，得到具有平滑斜面的金字塔单元，进而在镍铬层表面制得金字塔阵列结构。
作为优选实施方式，本发明采用的酸性刻蚀液包括浓硝酸、浓盐酸、冰乙酸和水，各组分体积比为浓硝酸∶浓盐酸∶冰乙酸∶水＝1∶1∶1∶2，采用上述酸性刻蚀液进行刻蚀时，酸性刻蚀液温度应为20℃～30℃，优选刻蚀温度为25℃。
进一步地，所述步骤A中每一个阶梯状斜面均要经过多次光刻，所述步骤A中光刻工艺的具体操作如下：
步骤A1：以上述矩形区域两条对边中点连线为对称轴划分为对称的区域一和区域二，首先在矩形区域的镍铬层表面均匀涂覆正性光刻胶胶，将区域一或区域二进行曝光显影，然后使用酸性刻蚀液对上述曝光显影后无光刻胶保护部分刻蚀，通过控制反应时间控制刻蚀深度，刻蚀完成后进行除胶处理；
步骤A2：在前一步骤制得镍铬层的表面整体涂覆正性光刻胶，使得区域一涂覆层和区域二涂覆层位于同一平面，然后将曝光区域向上述曝光侧平行外移，曝光区域平行外移距离与前一步骤中刻蚀深度相同，再使用酸性刻蚀液对上述曝光显影后无光刻胶保护部分进行刻蚀，通过控制反应时间控制刻蚀深度，所述刻蚀深度与前一步骤的刻蚀深度相同，刻蚀完成后进行除胶处理；
步骤A3：重复步骤A2的操作直至在镍铬层区域一或区域二得到阶梯状结构，再通过同样步骤对另一区域进行相同操作，从而在矩形区域内均得到两个相互对称的阶梯状斜面；
步骤A4：以步骤A3制得的镍铬层矩形表面另外两条对边中点连线为对称轴分为对称的区域三和区域四，首先在具有两个阶梯状斜面的镍铬层表面均匀涂覆正性光刻胶，使得区域三涂覆层和区域四涂覆层位于同一平面，将区域三或区域四进行曝光显影，然后使用酸性刻蚀液对上述曝光显影后无光刻胶保护部分刻蚀，通过控制反应时间控制刻蚀深度，刻蚀完成后进行除胶处理；
步骤A5：在前一步骤制得镍铬层的表面整体涂覆正性光刻胶，使得区域三涂覆层和区域四涂覆层位于同一平面，然后将曝光区域向上述曝光侧平行外移，曝光区域平行外移距离与前一步骤中刻蚀深度相同，再使用酸性刻蚀液对上述曝光显影后无光刻胶保护部分进行刻蚀，通过控制反应时间控制刻蚀深度，所述刻蚀深度与前一步骤的刻蚀深度相同，刻蚀完成后进行除胶处理；
步骤A6：重复步骤A5的操作直至在镍铬层区域三或区域四得到阶梯状结构，再通过同样步骤对另一区域进行相同操作，得到两个相互对称的阶梯状结构，从而在镍铬层表面得到具有四个阶梯状斜面形成的金字塔型结构。
作为优选实施方式，所述步骤A中光刻工艺的具体操作中刻蚀深度和曝光区域平行外移距离均为8～12nm。
作为优选实施方式，经划分得到的矩形区域边长为200nm～300nm。
具体地，在实际生产应用中逐一制备微型金字塔单元不符合工业化生产标准，这种制作方式费时耗力且效率较低，因此根据实际需要，m×n个矩形区域的刻蚀分批次进行或同时进行。
经过上述步骤在镍铬层表面制得的具有平滑斜面的金字塔阵列结构后，还应当将其使用去离子水进行超声清洗，清洗完成后使用高纯氮气吹干。
本发明具有如下有益效果：
本发明通过在现有吸收层表面刻蚀形成由微型金字塔单元紧密排列构成的金字塔阵列结构，使得红外辐射经过多次反射并逐渐被结构吸收，进而有效降低吸收层对红外辐射的反射率，从而达到提高探测器的电流响应、电压响应以及光电转换效率。本发明金字塔阵列结构可以通过制备工艺中的参数对抗反射效果进行调控，并且兼具制备方法简单、成本低等优势，有利于实现工业化生产，应用于热释电探测器以优化其性能。
附图说明
图1为本发明一个实施例经刻蚀在镍铬层表面获得的金字塔阵列结构的SEM图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和实施例对本发明进行详细阐述：
如图1所示为吸收层表面刻蚀形成的金字塔阵列结构，所述金字塔阵列结构是由多个微型金字塔单元通过m×n方式紧密、有序地设于整个吸收层表面，其中，m与n均为正整数，优选地，所述微型金字塔单元在吸收层表面分布密度为1×109个/cm2～3×109个/cm2；
所述微型金字塔单元包括矩形底面和四个等腰三角形侧面，所述四个等腰三角形侧面均向内倾斜和所述矩形底面形成夹角从而构成金字塔型结构；所述微型金字塔单元中矩形底面的边长优选为200nm～300nm；所述微型金字塔单元的高度优选为150nm～180nm；
所述金字塔阵列结构的材料与吸收层材料相同，本发明的目的在于克服现有吸收层反射率较高的缺陷，因此吸收层材料不局限于常用作热释电探测器吸收层材料的镍铬合金，还应包括任何能用作热释电吸收层且反射率较高的材料。
本实施例采用镍铬合金层作为吸收层，并在其上构建金字塔阵列结构，为使得吸收层的吸收效果更佳，作为优选方式，可以采用在表面具有金字塔阵列的镍铬合金层下设置一多孔金黑层共同作为吸收层。
实施例1：
一种热释电探测器吸收层表面金字塔阵列结构的制备方法，包括部分刻蚀和其后的整体刻蚀；选择长为1.5mm，宽为1.2mm，厚度为200nm的镍铬片，首先将上述镍铬片表面划分为6000×6000个小矩形区域，每个小矩形区域的长均为250nm、宽均为200nm，本实施例中所有小矩形区域的刻蚀处理同步进行，以下为任意一个小矩形区域的刻蚀过程：
步骤A：部分刻蚀；
首先配制酸性刻蚀液，作为优选实施方式，本发明采用的酸性刻蚀液可以在常温下对镍铬层进行快速高效的刻蚀，缩短了反应时间；所述酸性刻蚀液具体组成包括浓硝酸、浓盐酸、冰乙酸和水，各组分体积比为浓硝酸∶浓盐酸∶冰乙酸∶水＝1∶1∶1∶2；
以上述矩形区域两条长边中点连线为对称轴分为左右对称的左半部分和右半部分，然后采用光刻工艺分别在两个部分依次刻蚀，刻蚀先后不做具体限定，本实施例先对右半部分进行刻蚀；得到两个相互对称的阶梯状斜面，再以矩形区域另外两条对边中点连线为对称轴分为上下对称的上半部分和下半部分，采用同样的光刻工艺在制得具有两个相互对称的阶梯状斜面的镍铬层的上半部分和下半部分依次刻蚀，刻蚀先后不做具体限定，本实施例先对上半部分进行刻蚀；从而在镍铬层表面得到四个阶梯状斜面形成的金字塔结构；
本发明每一个阶梯状斜面均要经过多次光刻，具体地，光刻工艺操作如下：
步骤A1：在矩形区域的镍铬层表面均匀涂覆聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，将右半部分进行曝光显影，本实施例采用的显影剂为乙酰唑胺，然后使用上述制得的酸性刻蚀液对右半部分刻蚀，通过控制反应时间控制刻蚀深度，刻蚀完成后进行除胶处理，本实施例采用去胶溶剂为乙醇溶液；
步骤A2：在前一步骤制得镍铬层的表面整体涂覆PMMA，使得左半部分涂覆层和右半部分涂覆层位于同一平面，然后将曝光区域向右平行外移8nm，再使用上述酸性刻蚀液对上述曝光显影后无光刻胶保护部分进行刻蚀，通过控制反应时间控制刻蚀深度为8nm，刻蚀完成后进行除胶处理；
步骤A3：重复步骤A2的操作直至在镍铬层右半部分得到阶梯状结构，再通过同样步骤对左半部分进行处理，从而在矩形区域内得到两个相互对称的阶梯状斜面；
步骤A4：以步骤A3制得的镍铬层矩形表面另外两条对边中点连线为对称轴分为上下对称的上半部分和下半部分，首先在具有两个阶梯状斜面的镍铬层表面均匀涂覆PMMA，使得上半部分涂覆层和下半部分涂覆层位于同一平面，将上半部分进行曝光显影，然后使用酸性刻蚀液对上半部分刻蚀，通过控制反应时间控制刻蚀深度为8nm，刻蚀完成后进行除胶处理；
步骤A5：在前一步骤制得镍铬层的表面整体涂覆PMMA，使得上半部分涂覆层和下半部分涂覆层位于同一平面，然后将曝光区域向上平行外移8nm，再使用酸性刻蚀液对上述曝光显影后无光刻胶保护部分进行刻蚀，通过控制反应时间以控制刻蚀深度为8nm，刻蚀完成后进行除胶处理；
步骤A6：重复步骤A5的操作直至在镍铬层上半部分得到阶梯状结构，再通过同样步骤对下半部分进行处理，得到上下相互对称的阶梯状结构，从而在镍铬层表面得到具有四个阶梯状斜面形成的金字塔型结构；
步骤B：整体刻蚀；采用酸性刻蚀液对步骤A制得的镍铬层表面金字塔结构进行整体刻蚀，使得侧面的阶梯结构消失，得到具有平滑斜面的微型金字塔单元，进而在镍铬层表面形成金字塔阵列结构。
实施例2：
一种热释电探测器吸收层表面金字塔阵列结构的制备方法，包括部分刻蚀和其后的整体刻蚀；选择长和宽均为1.2mm，厚度为200nm的镍铬片，首先将上述镍铬片表面划分为4800×4800个小正方形区域，每个小正方形区域边长为250nm，本实施例中所有小正方形区域的刻蚀处理同步进行，因此，以下为任意一个小正方形区域的刻蚀过程：
步骤A：部分刻蚀；
首先配制酸性刻蚀液，作为优选实施方式，本发明采用的酸性刻蚀液可以在常温下对镍铬层进行快速高效的刻蚀，缩短了反应时间；所述酸性刻蚀液具体组成包括浓硝酸、浓盐酸、冰乙酸和水，各组分体积比为浓硝酸∶浓盐酸∶冰乙酸∶水＝1∶1∶1∶2；
以上述正方形区域两条对边中点连线为对称轴分为左右对称的左半部分和右半部分，然后采用光刻工艺分别在两个部分依次刻蚀，刻蚀先后不做具体限定，本实施例先对左半部分进行刻蚀，得到两个相互对称的阶梯状斜面；再以正方形区域另外两条对边中点连线为对称轴分为上下对称的上半部分和下半部分，采用同样的光刻工艺在制得两个相互对称的阶梯状斜面的镍铬层的上半部分和下半部分依次刻蚀，刻蚀先后不做具体限定，本实施例先对下半部分进行刻蚀；在镍铬层表面得到四个阶梯状斜面形成的金字塔结构；
本发明每一个阶梯状斜面均要经过多次光刻，具体地，光刻工艺操作如下：
步骤A1：以正方形区域两条对边中点连线为对称轴划分为对称的左半部分和右半部分，在正方形区域的镍铬层表面均匀涂覆聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，将左半部分进行曝光显影，本实施例采用的显影剂为乙酰唑胺，然后使用上述制得的酸性刻蚀液对上述曝光显影后无光刻胶保护部分刻蚀，通过控制反应时间控制刻蚀深度，刻蚀完成后进行除胶处理，本实施例采用去胶溶剂为乙醇溶液；
步骤A2：在前一步骤制得镍铬层的表面整体涂覆PMMA，使得左半部分涂覆层和右半部分涂覆层位于同一平面，然后将曝光区域向左平行外移10nm，再使用上述酸性刻蚀液对上述曝光显影后无光刻胶保护部分进行刻蚀，通过控制反应时间控制刻蚀深度为10nm，刻蚀完成后进行除胶处理；
步骤A3：重复步骤A2的操作直至在镍铬层左半部分得到阶梯状结构，再通过同样步骤对右半部分进行处理，从而在正方形区域内的镍铬层表面得到两个相互对称的阶梯状斜面；
步骤A4：以步骤A3制得的镍铬层正方形表面另外两条对边中点连线为对称轴分为上下对称的上半部分和下半部分，首先在具有两个阶梯状斜面的镍铬层表面均匀涂覆PMMA，使得上半部分涂覆层和下半部分涂覆层位于同一平面，将下半部分进行曝光显影，然后使用酸性刻蚀液对上述曝光显影后无光刻胶保护部分刻蚀，通过控制反应时间控制刻蚀深度为10nm，刻蚀完成后进行除胶处理；
步骤A5：在前一步骤制得镍铬层的表面整体涂覆PMMA，使得上半部分涂覆层和下半部分涂覆层位于同一平面，然后将曝光区域向下平行外移10nm，再使用酸性刻蚀液对上述曝光显影后无光刻胶保护部分进行刻蚀，通过控制反应时间控制刻蚀深度为10nm，刻蚀完成后进行除胶处理；
步骤A6：重复步骤A5的操作直至在镍铬层下半部分得到阶梯状结构，再通过同样步骤对上半部分进行相同操作，得到上下相互对称的阶梯状结构，最终在镍铬层表面得到具有四个阶梯状斜面形成的金字塔型结构；
步骤B：整体刻蚀；采用酸性刻蚀液对步骤A制得的镍铬层表面金字塔结构进行整体刻蚀，使得斜面的阶梯结构消失，得到具有平滑斜面的微型金字塔单元，进而在镍铬层表面形成金字塔阵列结构。
实施例3：
一种热释电探测器吸收层表面金字塔阵列结构的制备方法，包括部分刻蚀和其后的整体刻蚀；选择长和宽均为1.2mm，厚度为200nm的镍铬片，首先将上述镍铬片表面划分为4000×4000个小正方形区域，每个小正方形区域边长为300nm，本实施例中所有小正方形区域的刻蚀处理同步进行，因此，以下为任意一个小正方形区域的刻蚀过程：
步骤A：部分刻蚀；
首先配制酸性刻蚀液，作为优选实施方式，本发明采用的酸性刻蚀液可以在常温下对镍铬层进行快速高效的刻蚀，缩短了反应时间；所述酸性刻蚀液具体组成包括浓硝酸、浓盐酸、冰乙酸和水，各组分体积比为浓硝酸∶浓盐酸∶冰乙酸∶水＝1∶1∶1∶2；
以正方形区域两条对边中点连线为对称轴分为左右对称的左半部分和右半部分，然后采用光刻工艺分别在两个部分依次刻蚀，刻蚀先后不做具体限定，本实施例先对右半部分进行刻蚀，得到两个相互对称的阶梯状斜面，再以正方形区域另外两条对边中点连线为对称轴分为上下对称的上半部分和下半部分，采用同样的光刻工艺在制得两个相互对称的阶梯状斜面的镍铬层的上半部分和下半部分依次刻蚀，刻蚀先后不做具体限定，本实施例先对上半部分进行刻蚀；在镍铬层表面得到四个阶梯状斜面形成的金字塔结构；
本发明每一个阶梯状斜面均要经过多次光刻，具体地，光刻工艺操作如下：
步骤A1：在正方形区域的镍铬层表面均匀涂覆聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，将右半部分进行曝光显影，本实施例采用的显影剂为乙酰唑胺，然后使用上述制得的酸性刻蚀液对上述曝光显影后无光刻胶保护部分刻蚀，通过控制反应时间控制刻蚀深度，刻蚀完成后进行除胶处理，本实施例采用去胶溶剂为乙醇溶液；
步骤A2：在前一步骤制得镍铬层的表面整体涂覆PMMA，使得左半部分涂覆层和右半部分涂覆层位于同一平面，然后将曝光区域向右平行外移12nm，再使用上述酸性刻蚀液对上述曝光显影后无光刻胶保护部分进行刻蚀，通过控制反应时间控制刻蚀深度为12nm，刻蚀完成后进行除胶处理；
步骤A3：重复步骤A2的操作直至在镍铬层右半部分得到阶梯状结构，再通过同样步骤对左半部分进行处理，从而在正方形区域内镍铬层表面得到两个相互对称的阶梯状斜面；
步骤A4：以步骤A3制得的镍铬层正方形表面另外两条对边中点连线为对称轴分为上下对称的上半部分和下半部分，首先在具有两个阶梯状斜面的镍铬层表面均匀涂覆PMMA，使得上半部分涂覆层和下半部分涂覆层位于同一平面，将上半部分进行曝光显影，然后使用酸性刻蚀液对上述曝光显影后无光刻胶保护部分刻蚀，通过控制反应时间控制刻蚀深度为12nm，刻蚀完成后进行除胶处理；
步骤A5：在前一步骤制得镍铬层的表面整体涂覆PMMA，使得上半部分涂覆层和下半部分涂覆层位于同一平面，然后将曝光区域向上平行外移12nm，再使用酸性刻蚀液对上述曝光显影后无光刻胶保护部分进行刻蚀，通过控制反应时间控制刻蚀深度为12nm，刻蚀完成后进行除胶处理；
步骤A6：重复步骤A5的操作直至在镍铬层上半部分得到阶梯状结构，再通过同样步骤对下半部分进行相同操作，得到上下相互对称的阶梯状结构，最终在镍铬层表面得到具有四个阶梯状斜面形成的金字塔型结构；
步骤B：整体刻蚀；采用酸性刻蚀液对步骤A制得的镍铬层表面金字塔结构进行整体刻蚀，使得斜面的阶梯结构消失，制得具有平滑斜面的微型金字塔型单元，进而在镍铬层表面形成金字塔阵列结构。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。以上通过具体的实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限于这些具体的实施例。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。