一种具有谐振选频功能的金属微腔红外探测器的制作方法

本发明涉及红外窄带以及光谱探测器，具体是指探测器台面集成了具有共振选频功能的金属微腔，可以在像元级尺寸实现窄带探测以及光谱探测的红外焦平面芯片。

背景技术：

红外探测和成像技术一直是目标红外信息获取的主要途径。针对红外探测领域中的窄带探测以及光谱成像探测，本发明给出了一种与传统红外焦平面工艺兼容的，可以实现窄带探测或光谱成像探测的新的红外焦平面芯片技术。

窄带红外探测器目前广泛应用于工业领域的气体成像探测方面，例如在长波红外波段可探测sf6气体(其指纹波长为10.6微米)。sf6气体作为高压断路器和开关设备中作为绝缘介质，一旦发生泄漏就会对电力设施、环境以及人员造成危害，因此及时发现和定位sf6泄漏点对电力设施的维护和平稳运行具有重要意义。在对气体成像探测中，由于气体在其指纹波长处具有较强的吸收，当气体存在时，到达光敏元的辐射会因气体的存在而明显区别于周围空气背景，从而在所拍摄的图像上呈现出明显的烟雾状态，因此可用来实时探测气体泄漏。由于气体特征波长处的带宽往往较窄，为了增强气体成像对比度，通常需要探测器的响应带宽较窄，目前典型的方法是在探测器前加滤光片或分光光栅，使探测相机的光敏元只接收特定波段的红外辐射。我们提出的微腔结构红外探测器，由于微腔结构自身的谐振选频功能，使得探测器天然具有窄带探测的功能，因此可以实现无滤光或分光的窄带探测。

光谱红外成像探测技术主要应用于遥感探测中的地面矿物识别、环境检测、农林灾害监测测预报等领域。红外光谱成像技术由于既能得到目标的辐射强度信息，同时又能得到其光谱维度的信息，因此在对物体的识别探测方面具有重要优势，成为探测器技术进一步发展的必然趋势。

目前的红外光谱探测大多都采用先分光，再探测的工作模式。其中分光和探测分属不同的探测元件，各自独立制备完成后，通过系统光学设计实现探测器元件与分光元件在探测系统上的有效耦合。其中分光元件可以是诸如滤光片、光栅、棱镜、分束器等，而探测器是常用的宽谱探测器件(如碲镉汞红外探测器(mct)等)。这类技术途径在应用中存在许多实际的问题。举例来说，对于利用集成窄带滤光片实现红外分光的探测模式，这种分光方式往往存在通道之间的串扰以及关于入射角敏感等问题。此外由于红外波段窄带滤光片材料选择有限，多为软膜，因此红外波段的集成窄带滤光片多难以制备。再比如，另外一种通过光栅进行红外分光的模式，其光学系统的设计往往比较复杂，需要2块甚至更多的反射镜(透射镜)以及一定的空间才能达到所需的分光要求。这使得系统体积难以小型化。而且在红外波段，这些部件本身的红外热辐射也会对器件的光谱探测形成很强的背景干扰，为了屏蔽这些背景红外信号，它们也需要额外的光学滤光或制冷降温处理，这也增加了系统的制冷功率和设备功耗。本发明将金属微腔集成到探测器台面上，利用金属微腔的共振选频特性实现了探测波长可由台面尺寸调控的光谱型红外探测器，是一种分光与探测有效集成的像元级光谱成像探测器件。本发明不需要额外的分光部件就可实现红外光谱成像探测。

技术实现要素：

本发明提出一种集成了金属微腔的红外焦平面探测器芯片，具体是指探测器台面集成了具有共振选频功能的金属微腔，该金属微腔经过特殊设计可以使特定波长的红外光耦合进来形成共振腔模，然后被台面内的低吸收探测器材料(比如量子阱红外探测器材料，量子级联探测器材料)所吸收，从而在像元级尺寸实现窄带选频探测。金属微腔的共振波长随台面尺寸变化而变化，据此可以设计针对单一波长的窄带红外焦平面，也可以用一系列尺寸渐变的台面组合成一个大像元组实现能够同时探测不同波长的多通道红外光谱成像焦平面。

本发明的技术方案是：金属微腔红外探测器由低吸收探测器材料和金属微腔组成，其结构如附图1所示。探测器材料从下往上依次是下电极层、光吸收层和上电极层。探测器台面刻蚀到下电极层，每个台面的上表面根据需要刻蚀出特定形状的光栅槽(比如线形槽和矩形阵列槽等)来增加光耦合效率，以线性槽为例，其宽度为w，数量超过2个时，以距离p排列。台面表面和侧壁覆盖一层绝缘介质，然后整个台面再覆盖一层金属薄膜形成金属微腔。红外光从下电极层入射到金属微腔内。探测器台面根据所需探测波长设计合适的长、宽、高等尺寸参数，使得最后形成的金属微腔支持所需的共振模式。上、下电极可通过铟柱引出到信号读出电路。

本发明的优点是：

1、对于本发明所能实现的窄带探测要求，本发明利用探测像元的微腔结构进行谐振选频从而实现窄带探测，不需要额外的分光组件，这就避免了附加分光组件带来的工艺难度和额外的制冷功耗。

2、对于光谱分辨率更小的光谱探测，本发明可以作为基础单元与滤光片或者光栅等分光组件集成，因为探测器本身是窄带探测器，不需要再对探测波段外的光谱进行截止滤波。

3、利用台面的尺寸就可以很方便的调控探测波长，比如增大台面宽度或高度就可以将探测波长向长波移动。在微电子工艺中横向的尺寸很容易调控，不同的横向尺寸可以在同一步工艺中同时实现。

4、敏感元台面尺寸可以做到与像元尺寸匹配，在成像应用中可以只用一个台面尺寸设计像元，做成单一探测波长的窄带成像焦平面，一般用于红外气体成像。也可以用一系列尺寸渐变的独立台面组合成一个大像元组，做成多通道光谱成像焦平面。每个台面都可单独设计，台面之间可以任意组合，设计自由度很高，可以开发很多新型的光谱成像仪器。

5、本发明还可以利用探测器台面特殊设计来实现偏振探测。此时，探测器台面可以设计为长方形，金属微腔只沿台面的宽度方向覆盖，台面上也只沿长度方向开线形光栅槽，即只在宽度方向上限制和耦合入射光并产生腔模共振。这样金属微腔就对入射光具有很强的偏振选择性，所以利用本发明的探测器还可以很容易的实现偏振探测。

附图说明

图1为本发明金属微腔红外探测器的结构示意图。

图2为吸收峰位在10.6μm波长处的gaas和alxga1-xas量子阱材料结构参数。

图3为本发明实施案例1中金属微腔红外探测器内吸收层的归一化吸收谱，这里是用有限元方法模拟得到的结果，其中吸收层的吸收系数设定为α＝0.02μm^-1。

图4为本发明实施案例2中金属微腔红外探测器内吸收层的归一化吸收谱，这里是用有限元方法模拟得到的结果，其中吸收层的吸收系数设定为α＝0.02μm^-1。

图5为本发明实施案例3中金属微腔红外探测器内吸收层的归一化吸收谱，这里是用有限元方法模拟得到的结果，其中吸收层的吸收系数设定为α＝0.01μm^-1。

图6为本发明实施案例3中红外焦平面的示意图。

图7为本发明实施案例4中金属红外探测器内吸收层的归一化吸收谱，这里是用有限元方法模拟得到的结果，其中吸收层的吸收系数设定为α＝0.01μm^-1。

具体实施方式

根据本发明的技术方案，集成了金属微腔的探测器可以实现红外波的选频和窄带探测。本发明的基本结构如附图1所示，下面用gaas和alxga1-xas量子阱材料作为探测器材料对本发明的金属微腔红外探测器的具体实施方式做进一步详细说明。

本发明的金属微腔红外探测器结构包括探测器台面、绝缘介质和金属薄膜，如附图1所示。这里探测器材料采用gaas和alxga1-xas量子阱材料，量子阱材料的吸收峰位可通过al组分x和阱宽调节，根据所需探测波长设计合适的量子阱材料参数，然后采用分子束外延技术进行生长，附图2给出了一个典型的量子阱材料结构。基于附图1所示的结构形式，根据所需的共振波长设计探测器的台面尺寸，比如台面宽度、高度以及光栅槽的宽度和间距等，最终的探测器台面尺寸和光栅槽的结构和尺寸，可通过有限元方法进一步优化确定。然后通过半导体工艺将量子阱材料加工成如附图1所示的台面结构，其中材料衬底和腐蚀阻挡层会在器件倒焊互联后经过机械减薄和化学腐蚀等工艺去掉。

将本发明的金属微腔红外探测器作为基础像元组件可以实现很多新型的红外成像焦平面，比如将某一波长的探测器按像元阵列进行排布，就可以实现免滤光片或分光光栅的窄带红外焦平面，或者将探测波长不同的两个探测器台面组合成一个像元，可以实现双敏感元信号差分红外气体成像焦平面(本发明人之前申请的一项专利，申请号：cn201810089425.2)，或者将一系列探测波长渐变的多个探测器台面组合成一个大的像元组，可以实现多通道的红外光谱成像焦平面。

下面用四个实施案例对本发明的金属微腔红外探测器的具体效果和其在窄带气体探测和光谱探测的应用上做进一步说明。

实施例一：针对5μm附近波段的金属微腔红外探测器。

这里探测器台面宽度2.8-3.6μm，其中上电极层厚0.3μm，吸收层厚0.5μm，下电极层厚0.3μm，台面高度0.9μm，台面上有1条1μm宽的线形槽，深度0.2μm。附图3给出了不同台面宽度下本实施例中金属微腔探测器内吸收层的归一化吸收谱，这里是用有限元方法模拟得到的结果，其中吸收层的吸收系数设定为α＝0.02μm^-1。

实施例二：针对20μm附近波段的金属微腔红外探测器。

这里探测器台面宽度13-15μm，其中上电极层厚0.8μm，吸收层厚1.8μm，下电极层厚1μm，台面高度3.1μm，台面上有2条宽度w＝2μm的线形槽，深度0.8μm，两槽的距离p＝5.9-6.9μm。附图4给出了不同台面宽度下本实施例中金属微腔探测器内吸收层的归一化吸收谱，这里是用有限元方法模拟得到的结果，其中吸收层的吸收系数设定为α＝0.02μm^-1。

实施例三：免滤光或分光的sf6气体成像焦平面。

sf6气体的指纹波长在10.6μm，所以量子阱材料的本征吸收峰位需要设计在10.6μm附近，它的材料结构如附图2所示。探测器台面结构的尺寸要支持10.6μm处的腔模共振。这里台面宽度13.8μm，台面高度2.2μm。台面上共两个光栅槽，宽度w＝1μm，深度0.4μm，两个槽的距离p＝6.3μm。本实例中所用的绝缘介质为hfo2，通过原子层沉积工艺生长，厚度50nm。台面表面和侧壁用300nmau膜作为金属薄膜，au膜和绝缘膜之间会先生长约5nmti膜来增加au膜的粘附性。

要实现探测功能还需要在每个台面的上、下电极层制备欧姆接触电极，然后分别引出信号到读出电路，具体到本实例中是在台面一端留出20μm的一段区域，这段区域不覆盖绝缘介质膜和ti、au膜，在该区域和公共电极区域(下电极层)上生长厚度分别为50nm、20nm和350nm的auge、ni和au薄膜，然后通过快速热退火处理形成欧姆接触电极，之后用铟柱将电极和外部电路进行倒焊互联。此外，还可以直接在台面的上表面制备欧姆接触电极，之后整个台面和侧壁再覆盖绝缘介质，在覆盖金属薄膜前把台面上的绝缘介质刻蚀掉，这样上电极层上的欧姆接触电极就和金属薄膜相连，最后通过铟柱再连接到外部电路。

附图5是本实例中金属微腔探测器内吸收层的归一化吸收谱，这里是用有限元方法模拟得到的结果，其中由量子阱层构成的吸收层的吸收系数设定为α＝0.01μm^-1。将上述探测器台面按红外成像焦平面的像元阵列排布，就可实现免滤光或分光组件的sf6气体成像焦平面。附图6给出了这种成像焦平面台面的示意图。

实施例四：多通道红外光谱成像焦平面。

本实例针对8μm附近波段的红外探测设计。量子阱材料的吸收峰位设计在8μm附近，其中上电极层厚0.5μm，量子阱层构成的吸收层厚1μm，下电极层厚0.6μm。这里台面宽度7.2-8μm，台面高度1.8μm，台面上有两条1μm宽的线列槽，距离p＝2.9-3.3μm。附图7给出了不同台面宽度下本实施例中金属微腔内吸收层的归一化吸收谱，这里是用有限元方法模拟得到的结果，其中吸收层的吸收系数设定为α＝0.01μm^-1。从图中可以看出，随着探测器台面尺寸的改变，探测器的中心探测波长可以得到有效调节。将这些探测波长不同的台面组合成线列然后再按红外焦平面的像元阵列排布，就可以在同一芯片上方便地实现多通道的红外光谱成像焦平面。

本发明的所用的探测器材料包含但不仅限于上述实例所采用的gaas和alxga1-xas量子阱材料。构造金属微腔的台面结构包括但不仅限于上述实例所采用的矩形，台面上的光耦合结构包括但不仅限与上述实例所采用的线形光栅槽。上述实施实例和相关示意图只是对本发明的技术方案和原理的进一步详细说明，并未对本发明作任何限制，凡是依据本发明的技术实质，所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本专利的保护范围内。