專利名稱：室溫鐵電薄膜紅外焦平面探測器的吸收層及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及室溫鐵電薄膜紅外焦平面探測器，具體是指探測器靈敏元表面的吸收層及制備方法。
背景技術(shù)：
在室溫鐵電薄膜紅外焦平面探測器的制備中，吸收層的制備工藝是一項關(guān)鍵技術(shù)。吸收層的作用是最大限度地吸收輻射到探測器靈敏元表面的紅外光，將其轉(zhuǎn)換成熱并將熱量傳遞給與其相鄰的鐵電薄膜，使其溫度變化而形成熱釋電電流。因此不僅要求吸收層有盡可能高的吸收系數(shù)，還要求其熱傳導(dǎo)好。在已經(jīng)成熟的鐵電陶瓷材料紅外探測器的設(shè)計制備中，采用簡單的熱蒸發(fā)制備的金黑是一種很好的吸收層材料，見“[R W Whatmore，Rep.Prog.Phys.49(1986)pp.1335-1386”。為了將金黑吸收層用于焦平面列陣中，Masaki Hirota等報道了一種將熱蒸發(fā)的金黑層刻成圖形的方法，但工藝過程復(fù)雜，見“Masaki Hirota andShinichi Morita，SPIE.Vol.3436，pp.623-634(1998)”。方塊電阻與空間電磁波阻抗匹配的金屬電極可以兼做對入射輻照波長無選擇的吸收層，但吸收率不會高于50％，見“K.C.Liddiard，″Application of interferometric enhancement toself-absorbing thin film thermal IR detectors″，Infrared Phys.，vol.34，pp.379-387(1993)”。利用半透明電極與鐵電薄膜介質(zhì)層以及金屬底電極形成共振腔結(jié)構(gòu)，理論上對一特定波長吸收可達100％，但由于器件工藝的限制，從紅外長波探測器光學(xué)吸收優(yōu)化設(shè)計角度出發(fā)所需要的鐵電薄膜厚度太厚，會與器件的其他性能指標(biāo)發(fā)生矛盾，見林鐵，博士論文，2005。因此在焦平面列陣光敏面上制備吸收層一直是鐵電薄膜室溫紅外焦平面探測器制備技術(shù)的一項研究課題。文獻報道鎳鉻(NiCr)可以作為焦平面探測器吸收層材料，但吸收率小于80％，見“S.Bauer，S.Bauer-Gogonea，W.Becker，R.Fitting，B.Ploss，and W.Ruppel，Sensors and Actuators A，vol.37-38，pp.497-501，1993.”。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種可以克服上述已有技術(shù)存在的種種問題的室溫鐵電薄膜紅外焦平面探測器的吸收層及吸收層制備方法。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的，一種室溫鐵電薄膜紅外焦平面探測器的吸收層，所述的室溫鐵電薄膜紅外焦平面探測器，包括襯底，在襯底上依次排列生長有隔熱層、底電極、鐵電薄膜和上電極。所述的吸收層是置在上電極層上的與上電極層牢固結(jié)合的鈦與二氧化鈦混合的多孔薄層。由于鈦與二氧化鈦混合的多孔薄層具有良好的導(dǎo)電性，因此該吸收層同時還可以作為上電極層。
所述的鐵電薄膜是鋯鈦酸鉛或鈦酸鍶鋇。
一種室溫鐵電薄膜紅外焦平面探測器吸收層的制備方法，具體步驟如下A.首先采用直流磁控濺射方法將金屬Ti濺射在鐵電薄膜上或上電極層上，厚度為400nm-1200nm；B.然后按照器件圖形要求采用常規(guī)的光刻方法，將光敏元以外的Ti膜腐蝕掉；C.最后用含量為15-18％、溫度為45-55℃的雙氧水對生長的Ti薄膜層進行腐蝕，形成呈多孔結(jié)構(gòu)的鈦與二氧化鈦混合膜層。
本發(fā)明是利用化學(xué)腐蝕的方法，將鈦膜腐蝕成多孔態(tài)，目的是為了降低薄膜中自由電子密度，將其等離子吸收邊調(diào)節(jié)到探測器應(yīng)用的紅外波長。薄膜多孔結(jié)構(gòu)中高密度的表面態(tài)對入射進來的電磁波進一步吸收使之不同于通常金屬。
本發(fā)明的優(yōu)點與常規(guī)的金黑吸收層工藝相比，本吸收層制備工藝簡單，可以通過光刻以及腐蝕或干法刻蝕等途徑制備成分立靈敏元結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的吸收層熱容量小。


圖1為室溫鐵電薄膜紅外焦平面探測器的結(jié)構(gòu)示意圖，a圖為上電極層和吸收層分開的一種結(jié)構(gòu)；b圖為吸收層同時作為上電極層的一種結(jié)構(gòu)。
圖2為生長在Pt電極層上的吸收層的紅外反射譜。
具體實施例方式
下面以室溫鋯鈦酸鉛鐵電薄膜紅外焦平面探測器為實施例，對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步的詳細(xì)說明見圖1，探測器包括Si襯底1，在襯底上依次排列生長有多孔二氧化硅隔熱層2、鎳酸鑭底電極層3、鋯鈦酸鉛鐵電薄膜4和Pt上電極層5。所述的吸收層6是置在上電極層上的與上電極層牢固結(jié)合的鈦與二氧化鈦混合的多孔薄層。
吸收層6是采用直流磁控濺射方法將金屬Ti濺射在Pt電極層上，其厚度為400nm，濺射功率為1.27W/cm2，濺射速率為11.1nm/min。
然后按照器件光敏圖形要求光刻，使用稀釋的雙氧水或干法刻蝕將光敏元以外的鈦膜腐蝕掉。
最后用含量為18％、溫度為50℃的雙氧水對生長的Ti薄膜層進行腐蝕，腐蝕時間1分鐘，Ti薄膜層就形成呈多孔結(jié)構(gòu)的鈦與二氧化鈦混合膜層，該薄膜的反射光譜如圖2。在2000cm-1到8000cm-1范圍內(nèi)出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，這是由于Pt層上的多孔結(jié)構(gòu)的鈦與二氧化鈦混合膜層上下兩表面產(chǎn)生的干涉所致。考慮到襯底Pt的高反射率，可以認(rèn)為樣品的吸收主要由鈦與二氧化鈦混合薄膜層吸收。這樣可以計算出，在2000cm-1到8000cm-1范圍內(nèi)的鈦與二氧化鈦混合薄膜層吸收率為85％-95％。說明該薄膜有很好的吸收特性。
如果在Pt電極層上濺射1200nm厚的Ti薄膜層，腐蝕時間要8分鐘，Ti薄膜層才能形成呈多孔結(jié)構(gòu)的鈦與二氧化鈦混合膜層，其吸收特性與400nm厚的Ti薄膜層基本相同。
另外，由于混合薄膜具有良好的導(dǎo)電能力，也可以直接生長在鐵電探測器的鐵電薄膜層之上，同時作為探測器的上電極層和吸收層。生長方法同上，只是省略了Pt層制備，如圖1b所示。
權(quán)利要求
1.一種室溫鐵電薄膜紅外焦平面探測器的吸收層，所述的室溫鐵電薄膜紅外焦平面探測器，包括襯底(1)，在襯底上依次排列生長有隔熱層(2)、底電極層(3)、鐵電薄膜(4)和上電極層(5)；其特征在于所述的吸收層是置在上電極層(5)上的與上電極層牢固結(jié)合的鈦與二氧化鈦混合的多孔薄層(6)。
2.一種室溫鐵電薄膜紅外焦平面探測器的吸收層，所述的室溫鐵電薄膜紅外焦平面探測器，包括襯底(1)，在襯底上依次排列生長有隔熱層(2)、底電極層(3)、鐵電薄膜(4)；其特征在于所述的吸收層是置在鐵電薄膜(4)上的與鐵電薄膜牢固結(jié)合的鈦與二氧化鈦混合的多孔薄層(6)。
3.一種室溫鐵電薄膜紅外焦平面探測器吸收層的制備方法，其特征在于具體步驟如下A.首先采用直流磁控濺射方法將金屬Ti濺射在鐵電薄膜上或上電極層上，厚度為400nm-1200nm；B.然后按照器件圖形要求采用常規(guī)的光刻方法，將光敏元以外的Ti薄膜層腐蝕掉；C.最后用含量為15-18％、溫度為45-55℃的雙氧水對生長的Ti薄膜層進行腐蝕，使其形成呈多孔結(jié)構(gòu)的鈦與二氧化鈦混合膜層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2的一種室溫鐵電薄膜紅外焦平面探測器的吸收層，其特征在于所說的鐵電薄膜可以是鋯鈦酸鉛或鈦酸鍶鋇。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種室溫鐵電薄膜紅外焦平面探測器的吸收層及制備方法，所說的吸收層是置在焦平面探測器的上電極層上的，或者是置在焦平面探測器的鐵電薄膜上的鈦與二氧化鈦混合的多孔薄層。制備方法首先采用直流磁控濺射方法將金屬Ti濺射鐵電薄膜上或上電極層上，然后利用化學(xué)腐蝕的方法，將鈦膜腐蝕成多孔態(tài)，目的是為了降低薄膜中自由電子密度，將其等離子吸收邊調(diào)節(jié)到探測器應(yīng)用的紅外波長。薄膜多孔結(jié)構(gòu)中高密度的表面態(tài)對入射進來的電磁波進一步吸收使之不同于通常金屬。本發(fā)明的優(yōu)點與常規(guī)的金黑吸收層工藝相比，本吸收層制備工藝簡單，可以通過光刻以及腐蝕或干法刻蝕等途徑制備成分立靈敏元結(jié)構(gòu)。
文檔編號G01J5/20GK1693858SQ20051002602
公開日2005年11月9日 申請日期2005年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月20日
發(fā)明者禇君浩, 林鐵, 孫璟蘭, 石富文, 胡志高, 陳靜, 孟祥建 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所