一种非制冷红外焦平面阵列探测器的制作方法

1.本发明涉及非制冷红外探测设备技术领域，具体为一种非制冷红外焦平面阵列探测器。


背景技术：

2.自从美国honeywell公司在上个世纪九十年代公开其基于氧化钒的非制冷红外焦平面探测器专利以来，很多国家对非制冷红外探测技术就进行深入的研究。非制冷红外探测技术是无需制冷系统对外界物体的红外辐射进行感知并转化成电信号经处理后在显示终端输出的技术，广泛地应用于夜视、观瞄、导引、制导等军事领域，以及疫情防控、城市安防、森林防火、无人辅助驾驶等民用领域。
3.非制冷红外焦平面阵列探测器的单元通常采用悬臂梁微桥结构，通过设计悬空的间距达到红外波长(8-14um)的最大吸收，同时为了减少热损失，采用微桥结构减少真空状态下的热传导。其工作原理是：被探测物体红外热辐射能量被非制冷红外焦平面阵列探测器的红外热辐射增强吸收层与钝化吸收层薄膜所吸收，红外热辐射增强吸收层与钝化吸收层将吸收辐射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，通过衬底的电学读出电路读出这种变化，最终实现对红外辐射的探测。
4.在传统的非制冷红外焦平面阵列探测器结构的设计中由于传统器件设计思路的影响，非制冷红外焦平面阵列探测器像元形状一般都会是矩形，在加上桥墩，桥臂的图形尺寸，最终使得整体上的有效面积减少，不仅造成红外的吸收面降低，红外吸收层填充比率不高，还降低了像元的集成度，增大了芯片尺寸。特别是在随着非制冷红外焦平面阵列探测器的像元的尺寸从17um
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17um变化到12um
×
12um、10μm
×
10μm、8um
×
8um甚至更小尺寸的器件小型化发展方向，其影响也是越来越突出，因此我们需要提出一种非制冷红外焦平面阵列探测器。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种非制冷红外焦平面阵列探测器，结构为类圆形并引入增强吸收层的设计，并且不同形状的类圆形探测器的阵列面按照对应边数进行灵活排列，提高非制冷红外探测焦平面器件的红外吸收率，提高该探测器像元的集成度，降低芯片尺寸，达到高分辨率的要求，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种非制冷红外焦平面阵列探测器，包括硅衬底、支撑桥墩、桥臂层、桥面层，所述硅衬底和桥面层的的形状设置为类圆形结构，所述硅衬底包括反射层和读出电路，所述反射层设置于读出电路的上端，所述支撑桥墩设置于反射层的上端，且支撑桥墩呈对称设置有两组，所述支撑桥墩和桥臂层均由介质钝化层和金属导电连接层组成，所述桥臂层设置于反射层的上端，且桥臂层呈悬空设置，所述桥面层设置于支撑桥墩和桥臂层的上端，所述桥面层和桥臂层通过桥臂层的金属导电连接层
与支撑桥墩的金属导电连接层相连接，所述桥面层包括第一钝化吸收层、热敏层、第二钝化吸收层和红外热辐射增强吸收层，所述桥面层和反射层之间形成红外谐振腔。
7.优选的，非制冷红外焦平面阵列探测器设置有若干组，相邻所述非制冷红外焦平面阵列探测器连接方式设置为支撑桥墩复用的方式。
8.优选的，所述桥臂层设置为两层，两层所述桥臂层呈交错设置，两层所述桥臂层均与桥面层的侧面呈平行设置。
9.优选的，所述反射层设置为金属反射层，所述反射层的材料设置为铝、钛铝、铝铜或镍铬合金中的一种。
10.优选的，所述红外谐振腔的高度为0.5um-3um。
11.优选的，所述热敏层的材料设置为氧化钒、掺杂氧化钒、非晶锗或非晶硅中的一种。
12.优选的，所述红外热辐射增强吸收层的材料设置为金属铝、金属钒、金属钛、氮化钛、氧化钛中的一种，所述红外热辐射增强吸收层的红外热辐射波段设置为8-14um。
13.优选的，所述第一钝化吸收层和第二钝化吸收层均设置为氮化硅、氧化硅、氮氧化硅中的一种或两种或三种都包含。
14.优选的，所述支撑桥墩和桥臂层的介质钝化层均设置为氮化硅、氧化硅、氮氧化硅中的一种或两种或三种都包含。
15.优选的，所述支撑桥墩和桥臂层的金属导电连接层均设置为金属钛、氮化钛、钒、铝、钛铝钒合金、镍铬合金或铝铜中的一种。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
17.本发明通过将整个探测器像元是悬空在硅衬底之上，桥臂层为平行于类圆形桥面侧面的两条支撑桥臂所组成。桥面层与桥臂层在同一个平面，桥面层、桥臂层与硅衬底之间为红外谐振腔，高度为0.5um-3um,典型高度为2um，对红外波长λ：8um-14um长波段具有选择吸收的能力；
18.本发明通过采用类圆形结构非制冷红外焦平面探测器，满足了像元高集成度、高分辨率、高红外吸收率的需求，将传统的非制冷红外焦平面阵列探测器改进。同时采用类圆形结构并引入增强吸收层的设计，并且不同形状的类圆形探测器的阵列面按照对应边数进行灵活排列，且像元结构又采用相邻像元桥墩复用的形式，进一步节省面积，在同样的大小下能够包含更多的像元结构，可以有效地提高桥面层的有效吸收面积，具有很高的空间利用率，更多的红外辐射能量直接到达探测器单元。同时由于类圆形相邻排布的稳固性，可以保证探测器像元的平整性，稳定性，进而实现背景均匀一致的热成像效果。
附图说明
19.图1为本发明的一种非制冷红外焦平面阵列探测器的示意性结构图；
20.图2为根据本发明一个实施例的非制冷红外焦平面阵列探测器示意性结构图；
21.图3为根据图二的一个实施例所示的非制冷红外焦平面阵列探测器结构的俯视图
22.图中：1、反射层；2、读出电路；3、支撑桥墩；4、第一钝化吸收层；5、热敏层；6、第二钝化吸收层；7、红外热辐射增强吸收层；8、桥臂层；9、桥面层；10、红外谐振腔。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种非制冷红外焦平面阵列探测器，包括硅衬底、支撑桥墩3、桥臂层8、桥面层9，所述硅衬底和桥面层 9的的形状设置为类圆形结构，所述硅衬底包括反射层1和读出电路2，所述反射层1设置于读出电路2的上端，所述支撑桥墩3设置于反射层1的上端，且支撑桥墩3呈对称设置有两组，所述支撑桥墩3和桥臂层8均由介质钝化层和金属导电连接层组成，所述桥臂层8设置于反射层1的上端，且桥臂层8 呈悬空设置，所述桥面层9设置于支撑桥墩3和桥臂层8的上端，所述桥面层9和桥臂层8通过桥臂层8的金属导电连接层与支撑桥墩3的金属导电连接层相连接，所述桥面层9包括第一钝化吸收层4、热敏层5、第二钝化吸收层6和红外热辐射增强吸收层7，所述桥面层9和反射层1之间形成红外谐振腔10；
25.具体的，反射层1与下层的读出电路2相连接，所述红外谐振腔10的高度为0.5um-3um，具体为第一钝化吸收层4与反射层1组成谐振腔10，高度为0.5-3um，在一个具体实例中第一钝化吸收层4设置为氮化硅，反射层1设置为铝，红外谐振腔10的高度设置为2um,对红外波长λ为8-14um长波段具有λ/4较强选择吸收的能力；
26.非制冷红外焦平面阵列探测器设置有若干组，相邻所述非制冷红外焦平面阵列探测器连接方式设置为支撑桥墩3复用的方式；
27.所述桥臂层8设置为两层，两层所述桥臂层8呈交错设置，两层所述桥臂层8均与桥面层9的侧面呈平行设置；
28.所述反射层1设置为金属反射层，所述反射层1的材料设置为铝、钛铝、铝铜或镍铬合金中的一种，在一个具体实例中反射层1的材料设置为金属铝，厚度为本发明反射层1不限于铝，其厚度也不限于
29.所述热敏层5的材料设置为氧化钒、掺杂氧化钒、非晶锗或非晶硅中的一种，所述红外热辐射增强吸收层7的材料设置为金属铝、金属钒、金属钛、氮化钛、氧化钛中的一种，所述红外热辐射增强吸收层7的红外热辐射波段设置为8-14um，所述第一钝化吸收层4和第二钝化吸收层6均设置为氮化硅、氧化硅、氮氧化硅中的一种或两种或三种都包含，在一个具体的实施方式中热敏层5设置为氧化钒，第一钝化吸收层4和第二钝化吸收层6设置为氮化硅，红外热辐射增强吸收层7设置为氮化钛；
30.所述支撑桥墩3和桥臂层8的介质钝化层均设置为氮化硅、氧化硅、氮氧化硅中的一种或两种或三种都包含，所述支撑桥墩3和桥臂层8的金属导电连接层均设置为金属钛、氮化钛、钒、铝、钛铝钒合金、镍铬合金或铝铜中的一种，在一个具体实例中支撑桥墩3和桥臂层8的钝化层设置为氮化硅，金属导电连接层设置为钛；
31.如图2所示，支撑桥墩3一方面与桥臂层8一起对悬的空桥面层9起到支撑固定作用，另一方面起到桥臂层8与下层读出电路2的连接，桥面层9、桥臂层8与支撑桥墩3之间的关系是桥面层9的热敏层5通过桥臂层8的金属导电连接层与支撑桥墩3的金属导电连接层
相互连接，桥臂层8悬空设置在桥面层9的两侧与桥面层9的侧面平行，桥面层9的第一钝化吸收层4与反射层1形成红外谐振腔10，需要声明的是，本发明不局限于本实例的支撑桥墩3连接方式；
32.桥面层9的第一钝化吸收层4和第二钝化吸收层6均设置为氮化硅，第一钝化吸收层4的厚度设置为第二钝化吸收层6的厚度设置为第一钝化吸收层4和第二钝化吸收层6的总厚度设置为红外热辐射增强吸收层7为设置氮化钛，厚度设置为根据探测器性能的需求这些厚度都是可变的，本实施案例的第一钝化吸收层4和第二钝化吸收层6的材料氮化硅由电感耦合等离子体化学气相沉积(icpcvd)工艺制备，红外热辐射增强吸收层7的材料氮化钛由反应物理气相沉积(reactive pvd)工艺制备；
33.桥面层9上的热敏层5材料设置为氧化钒，厚度设置为其厚度不局限于其tcr一般在-2.0％～-3.5％/℃之间，典型值是-2.5％/℃，该氧化钒通常反应物理气相沉积(reactive pvd)工艺制备；
34.桥臂层8上的介质钝化层设置为氮化硅，总的厚度为根据探测器的性能要求厚度是可变的，本实施案例的介质钝化层材料氮化硅由电感耦合等离子体化学气相沉积(icpcvd)工艺制备；
35.桥臂层8上的金属导电连接层设置为金属钛，厚度设置为其厚度不局限于本实施案例的通常由溅射(sputter)工艺制备。
36.本发明在具体使用时，采用类圆形结构的结构并引入增强吸收层的设计，并且不同形状的类圆形探测器的阵列面按照对应边数进行灵活排列，同时相邻非制冷红外焦平面探测器结构桥墩复用的方式不仅增强了非制冷红外探测焦平面器件的红外吸收率，进一步节省面积，在同样的大小下能够包含更多的像元结构，并且可以有效地提高桥面层的有效吸收面积，具有很高的空间利用率，更多的红外辐射能量直接到达探测器单元。同时由于类圆形相邻排布的稳固，从而可以保证探测器像元的平整性，稳定性，进而实现高红外吸收率，背景均匀一致的热成像效果。
37.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。