熱電堆紅外探測器及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及熱電堆紅外探測器技術(shù)，尤其涉及一種利用超材料結(jié)構(gòu)作為紅外吸收 體來增強光吸收的熱電堆紅外探測器及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 熱電堆紅外探測器是最早研宄并實用化的紅外成像器件之一，作為一種非致冷型 的紅外探測器，因其具有尺寸小、重量輕、無需致冷、靈敏度高等優(yōu)點，在安全監(jiān)視、醫(yī)學(xué)治 療、生命探測和消費產(chǎn)品等方面有廣泛應(yīng)用，并且其發(fā)展也更為迅速。
[0003] 熱電堆探測器的工作原理主要基于塞貝克效應(yīng)：兩種不同的材料或材料相同但逸 出功不同的物體A和B在熱結(jié)端相連，如果熱結(jié)與冷區(qū)間存在溫度差A(yù) T，那么在冷區(qū)的兩 個梁間就會產(chǎn)生開路電勢差A(yù) V，亦稱溫差電效應(yīng)，通過檢測該電勢差A(yù) V可以反應(yīng)出溫度 差A(yù) T，而探測紅外信號的過程也就是"光-熱-電"兩級傳感轉(zhuǎn)換的過程。
[0004] 熱電堆紅外探測器主要包括熱電堆和紅外吸收體。其中，紅外吸收體吸收輻射的 紅外光，導(dǎo)致紅外吸收體的溫度升高，紅外吸收體所對應(yīng)的位置為熱電堆的熱結(jié)區(qū)，而冷結(jié) 區(qū)所對應(yīng)的襯底溫度通常與環(huán)境溫度一致，從而引起熱電堆兩端的溫度差。利用紅外吸收 層對紅外輻射光譜的高吸收特性，可以提高探測器的性能。
[0005] 為了提高熱電堆紅外探測器的紅外吸收率，一般在熱結(jié)區(qū)涂覆一層高紅外吸收的 材料，如金黑和銀黑等涂層。然而，這種方案的制作工藝涉及到金屬蒸發(fā)和金屬納米顆粒的 凝集等工序，與常規(guī)CMOS工藝的兼容性差。
[0006] 直接利用CMOS工藝中的介電層材料（例如氧化硅和氮化硅）作為紅外吸收材料， 雖可以避免涂黑工藝，但這些介電層材料在常用的紅外波長范圍內(nèi)的吸收率并不高，導(dǎo)致 紅外探測器的響應(yīng)率有限。
[0007] 此外，現(xiàn)有技術(shù)中還存在多種可作為紅外吸收區(qū)的結(jié)構(gòu)來增強光吸收，譬如在紅 外吸收層的上方加一聚焦透鏡。然而，透鏡彎曲度及與芯片距離難以控制，容易產(chǎn)生聚焦的 偏咼。
[0008] 又譬如，有諧振腔結(jié)構(gòu)利用介質(zhì)層厚度與入射紅外光的1/4波長相匹配時產(chǎn)生的 諧振效果增強光吸收。然而，受諧振條件的限制，該結(jié)構(gòu)只是對某一特定波長的光輻射有增 強。
[0009] 雖然上述技術(shù)都提供了一定程度的紅外吸收的增強，然而其制作工藝與CMOS工 藝的兼容性以及紅外吸收性能的提升還需進(jìn)一步的探索，需要更有效的技術(shù)方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明要解決的問題是提供一種熱電堆紅外探測器及其制作方法，能夠?qū)崿F(xiàn)紅外 波段寬光譜范圍的完美吸收，進(jìn)而提高熱電堆探測器的紅外吸收率和響應(yīng)率，并且其制作 方法也能與常規(guī)CMOS工藝兼容。
[0011] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種熱電堆紅外探測器，包括：
[0012] 襯底，所述襯底內(nèi)具有空腔；
[0013] 介質(zhì)支撐膜，位于所述空腔上方并由所述襯底支撐；
[0014] 熱電堆，位于所述空腔上方的介質(zhì)支撐膜上；
[0015] 超材料結(jié)構(gòu)，位于所述熱電堆上方，所述超材料結(jié)構(gòu)包括：
[0016] 金屬平面反射鏡；
[0017] 中間介質(zhì)層，位于所述金屬平面反射鏡上；
[0018] 金屬微結(jié)構(gòu)層，位于所述中間介質(zhì)層上，其中，所述金屬微結(jié)構(gòu)層包括一種或多種 結(jié)構(gòu)周期單元，所述結(jié)構(gòu)周期單元包括一種或多種在紅外光譜范圍內(nèi)具有光吸收增強效應(yīng) 的幾何圖形單元。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述超材料結(jié)構(gòu)的阻抗為350歐姆?400歐姆。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述中間介質(zhì)層和金屬微結(jié)構(gòu)層的數(shù)量為多個，所述 多個中間介質(zhì)層和多個金屬微結(jié)構(gòu)層在垂直方向上以相互間隔的方式依次級聯(lián)，疊置在所 述金屬平面反射鏡上。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述多個金屬微結(jié)構(gòu)層中，不同的金屬微結(jié)構(gòu)層中包 含不同的結(jié)構(gòu)周期單元，以分別吸收不同波段的紅外光。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述熱電堆紅外探測器還包括：
[0023] 鈍化層，覆蓋所述熱電堆，所述超材料結(jié)構(gòu)位于所述鈍化層上。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述鈍化層的材料為氧化硅或氮化硅，或者所述鈍化 層為氧化硅與氮化硅形成的復(fù)合介質(zhì)膜。
[0025] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述結(jié)構(gòu)周期單元的數(shù)量為多個，所述多個結(jié)構(gòu)周期 單元在二維方向上周期排布。
[0026] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述多個結(jié)構(gòu)周期單元在二維方向上的排布周期為1 微米?10微米。
[0027] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述金屬微結(jié)構(gòu)層的厚度為0. 01微米?0. 2微米。
[0028] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述金屬微結(jié)構(gòu)層的材料為金、銀、銅、鋁、鈦、鎳和鉻 中的任意一種或任意組合。
[0029] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述金屬平面反射鏡的厚度大于50納米。
[0030] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述金屬平面反射鏡的材料為金、銀、銅、鋁、鈦、鎳和 鉻中的任意一種或任意組合。
[0031] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述中間介質(zhì)層的厚度為10納米?1500納米。
[0032] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述中間介質(zhì)層的材料為二氧化硅、氮化硅、碳化硅、 硅、鍺、聚酰亞胺、三氧化二鋁中的任意一種或任意組合。
[0033] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述介質(zhì)支撐膜的材料為氧化硅或氮化硅，或者所述 介質(zhì)支撐膜為氧化娃與氮化娃形成的復(fù)合介質(zhì)膜。
[0034] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述熱電堆包括第一熱偶條以及與所述第一熱偶條對 應(yīng)配合的第二熱偶條，所述第一熱偶條和第二熱偶條部分相接，部分通過絕緣層隔離。
[0035] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述第一熱偶條和第二熱偶條的材料為A1和多晶硅、 Ti和多晶硅、Au和多晶硅，或者N型摻雜多晶硅和P型摻雜多晶硅。
[0036] 為了解決上述問題，本發(fā)明還提供了一種熱電堆紅外探測器的制造方法，包括：
[0037] 提供襯底；
[0038] 在所述襯底上形成介質(zhì)支撐膜；
[0039] 在所述介質(zhì)支撐膜上形成熱電堆；
[0040] 在所述熱電堆上方依次形成金屬平面反射鏡、中間介質(zhì)層和金屬微結(jié)構(gòu)層，以形 成超材料結(jié)構(gòu)，其中，所述金屬微結(jié)構(gòu)層包括一種或多種結(jié)構(gòu)周期單元，所述結(jié)構(gòu)周期單元 包括一種或多種在紅外光譜范圍內(nèi)具有光吸收增強效應(yīng)的幾何圖形單元；
[0041] 對所述襯底進(jìn)行刻蝕和/或濕法腐蝕，以在所述熱電堆下方形成空腔。
[0042] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，對所述襯底進(jìn)行刻蝕和/或濕法腐蝕，以在所述熱電 堆下方形成空腔包括：
[0043] 在所述熱電堆和超材料結(jié)構(gòu)周圍刻蝕形成刻蝕孔，所述刻蝕孔的底部暴露出所述 襯底；
[0044] 通過所述刻蝕孔對所述襯底的正面進(jìn)行刻蝕和/或濕法腐蝕，以形成所述空腔。
[0045] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，對所述襯底進(jìn)行刻蝕和/或濕法腐蝕，以在所述熱電 堆下方形成空腔包括：
[0046] 對所述襯底的背面進(jìn)行刻蝕和/或濕法腐蝕，以形成所述空腔。
[0047] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述超材料結(jié)構(gòu)的阻抗為350歐姆?400歐姆。
[0048] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述中間介質(zhì)層和金屬微結(jié)構(gòu)層的數(shù)量為多個，所述 多個中間介質(zhì)層和多個金屬微結(jié)構(gòu)層在垂直方向上以相互間隔的方式依次級聯(lián)，疊置在所 述金屬平面反射鏡上。
[0049] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述多個金屬微結(jié)構(gòu)層中，不同的金屬微結(jié)構(gòu)層中包 含不同的結(jié)構(gòu)周期單元，以分別吸收不同波段的紅外光。
[0050] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，形成所述超材料結(jié)構(gòu)之前，所述制作方法還包括：形成 鈍化層，所述鈍化層覆蓋所述熱電堆，所述超材料結(jié)構(gòu)位于所述鈍化層上。
[0051] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述鈍化層的材料為氧化硅或氮化硅，或者所述鈍化 層為氧化硅與氮化硅形成的復(fù)合介質(zhì)膜。
[0052] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述結(jié)構(gòu)周期單元的數(shù)量為多個，所述多個結(jié)構(gòu)周期 單元在二維方向上周期排布。
[0053] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述多個結(jié)構(gòu)周期單元在二維方向上的排布周期為1 微米?10微米。
[0054] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述金屬微結(jié)構(gòu)層的厚度為0. 01微米?0. 2微米。
[0055] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述金屬微結(jié)構(gòu)層的材料為金、銀、銅、鋁、鈦、鎳和鉻 中的任意一種或任意組合。
[0056] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述金屬平面反射鏡的厚度大于50納米。
[0057] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述金屬平面反射鏡的材料為金、銀、銅、鋁、鈦、鎳和 鉻中的任意一種或任意組合。
[0058] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述中間介質(zhì)層的厚度為10納米?1500納米。
[0059] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述中間介質(zhì)層的材料為二氧化硅、氮化硅、碳化硅、 硅、鍺、聚酰亞胺、三氧化二鋁中的任意一種或任意組合。
[0060] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述介質(zhì)支撐膜的材料為氧化硅或氮化硅，或者所述 介質(zhì)支撐膜為氧化娃與氮化娃形成的復(fù)合介質(zhì)膜。
[0061] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述熱電堆包括第一熱偶條以及與所述第一熱偶條對 應(yīng)配合的第二熱偶條，所述第一熱偶條和第二熱偶條部分相接，部分通過絕緣層隔離。
[0062] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述第一熱偶條和第二熱偶條的材料為A1和多晶硅、 Ti和多晶硅、Au和多晶硅，或者N型摻雜多晶硅和P型摻雜多晶硅。
[0063] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：
[0064] 本發(fā)明實施例的熱電堆紅外探測器利用依次疊置的金屬平面反射鏡、中間介質(zhì)層 和金屬微結(jié)構(gòu)層形成超材料結(jié)構(gòu)，其中，金屬微結(jié)構(gòu)層具有多個結(jié)構(gòu)周期單元，每一結(jié)構(gòu)周 期單元包含一種或多種在紅外光譜范圍內(nèi)具有光吸收增強效應(yīng)的幾何圖形單元，這樣的超 材料結(jié)構(gòu)可以獲得有效電磁參數(shù)的調(diào)控，通過優(yōu)化可以實現(xiàn)表面的阻抗匹配和透射的完全 抑制，具有共振引起的超強吸收特性，從而實現(xiàn)了紅外波段寬光譜范圍內(nèi)將近100%的光吸 收，有利于提高熱電堆探測器的紅外吸收率和響應(yīng)率。
[0065] 本發(fā)明實施例的熱電堆紅外探測器的制造方法中，超材料結(jié)構(gòu)中的金屬平面反射 鏡、中間介質(zhì)層和金屬微結(jié)構(gòu)層都可以利用常規(guī)CMOS工藝中的工藝方法來形成，可以和常 規(guī)CMOS工藝兼容，易于規(guī)模化生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0066] 圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的熱電堆紅外探測器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0067] 圖2是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的熱電堆紅外探測器的俯視圖；
[0068] 圖3A是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的熱電堆紅外探測器中一種金屬微結(jié)構(gòu)層的平面 結(jié)構(gòu)示意圖；
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