本發(fā)明涉及一種用于非制冷式紅外探測(cè)器的紅外輻射吸收層，以及利用該吸收層制備的紅外探測(cè)器。

背景技術(shù)：

紅外探測(cè)器是紅外儀器的核心部件，可以分為光子型探測(cè)器和光熱型探測(cè)器。其中，光子型紅外探測(cè)器需要在制冷環(huán)境下工作，儀器復(fù)雜笨重；后者為非制冷式，可在室溫下工作，重量輕、功耗小、使用更加靈活方便。因此，非制冷式紅外成像系統(tǒng)在軍用和民用領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

光熱型紅外探測(cè)器的基本原理是吸收紅外輻射和，光吸收層溫度升高，基于光熱電效應(yīng)，產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)力、電阻率變化、自發(fā)極化等易于測(cè)量的電學(xué)信號(hào)，通過(guò)對(duì)電學(xué)信號(hào)強(qiáng)度的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)光探測(cè)。

常用的熱敏電阻型材料主要有金屬和半導(dǎo)體材料，其中一個(gè)關(guān)鍵的性能參數(shù)是電阻溫度系數(shù)（TCR）。半導(dǎo)體材料的TCR較金屬材料更高，是目前常用的熱敏感材料，例如氧化釩就是一種較為優(yōu)異的光熱型吸收層材料。當(dāng)溫度升高時(shí)，半導(dǎo)體材料的電荷載流子濃度和遷移率增大，電阻率減小，表現(xiàn)出負(fù)的TCR。因此，吸收層對(duì)紅外光輻射的吸收特性，決定了探測(cè)器的光譜響應(yīng)范圍，也在一定程度上影響了光電響應(yīng)度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于石墨烯夾層式紅外吸收層以及紅外探測(cè)器，對(duì)紅外線(xiàn)具有高吸收率。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為 ：一種基于石墨烯夾層式紅外吸收層，包括熱敏層，所述熱敏層上方覆蓋有石墨烯薄膜，下方貼附有Si₃N₄薄膜。到達(dá)熱敏層的紅外線(xiàn)有三種途徑：部分紅外線(xiàn)反射回石墨烯層，部分被熱敏層吸收紅生熱，剩余的紅外線(xiàn)透過(guò)熱敏層輻照到Si₃N₄薄膜。本發(fā)明是讓從熱敏層反射和透射的紅外線(xiàn)，盡可能又重新被反射回?zé)崦魧?，形成“溫室效?yīng)”的腔體結(jié)構(gòu)。

作為一種改進(jìn)，所述熱敏層和Si₃N₄薄膜之間加設(shè)有一層石墨烯薄膜。在熱敏層和Si₃N₄薄膜之間增加一層石墨烯層，形成熱敏層底層雙反射層結(jié)構(gòu)。另外，石墨烯層也可以吸收紅外線(xiàn)生熱，且石墨烯吸收波段覆蓋了從可見(jiàn)到遠(yuǎn)紅外，能較大的利用熱敏層不能吸收的光譜波段，再通過(guò)光子或聲子形式將熱量傳遞至熱敏層。

作為一種改進(jìn)，所述熱敏層為非晶硅(α-Si:H)、非晶鍺硅(α-SiGe)或氧化釩(VO_x)中的一種。金屬釩的氧化物氧化釩中釩的價(jià)態(tài)復(fù)雜，目前用于紅外吸收層的氧化釩包括：混合相VO_x、準(zhǔn)VO₂和亞穩(wěn)態(tài)相VO₂(B)薄膜。其次，氫化非晶硅(α-Si:H)、非晶鍺硅(α-SiGe)也極具非制冷式紅外探測(cè)器用的吸收層的潛力。

本發(fā)明還提供一種紅外探測(cè)器，包括上述的基于石墨烯夾層式紅外吸收層，所述基于石墨烯夾層式紅外吸收層利用支撐橋腿架空固定在具有讀出電路的襯底上方；所述襯底表面設(shè)置有反射層。

作為一種改進(jìn)，所述熱敏層為非晶硅(α-Si:H)、非晶鍺硅(α-SiGe)或氧化釩(VO_x)中的一種。

作為一種改進(jìn)，所述于石墨烯夾層式紅外吸收層的熱敏層和Si₃N₄薄膜之間增加一層石墨烯薄膜。

作為一種改進(jìn)，所述襯底為Si制作，其上表面敷設(shè)有SiO₂層，SiO₂層的目的是阻止吸收層與襯底的載流子傳導(dǎo)。

作為一種優(yōu)選，所述反射層由金屬制作，其厚度為30～100nm。金屬對(duì)紅外線(xiàn)反射率高，特別是Au、Al、Ag等薄膜。

本發(fā)明還提供一種制備上述紅外探測(cè)器的方法，包括以下步驟：

步驟1. 在帶有讀出電路的基底上制備反射層；

步驟2. 在反射層之上制備犧牲層；

步驟3. 在犧牲層上制備Si₃N₄薄膜；

步驟4. 在Si₃N₄薄膜上制備熱敏層；

步驟5. 制備石墨烯薄膜，并將石墨烯薄膜移植到熱敏層上；

步驟6. 在由石墨烯薄膜、光敏層、Si₃N₄薄膜組成的基于石墨烯夾層式紅外吸收層上形成光敏陣列

步驟7. 去除犧牲層，剩余一部分犧牲層作為在Si₃N₄薄膜與襯底之間的支撐橋腿。

本發(fā)明的有益之處在于：該吸收層同基底結(jié)合牢固，在8～14μm有90%以上的吸收率，具有優(yōu)異的非制冷式紅外探測(cè)性能。本吸收層結(jié)構(gòu)適用于單元器件和面陣式紅外探測(cè)器的制備，制備工藝重復(fù)性較高。

附圖說(shuō)明

圖1為基于石墨烯夾層式紅外吸收層的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為紅外探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中標(biāo)記：1 石墨烯薄膜、2熱敏層、3 Si₃N₄薄膜、4Si襯底、5反射層、6支撐橋腿、7SiO₂層。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)的說(shuō)明。

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1所示，本發(fā)明提供基于石墨烯夾層式紅外吸收層，包括熱敏層2，所述熱敏層2上方覆蓋有石墨烯薄膜1，下方貼附有Si₃N₄薄膜3。熱敏層2和Si₃N₄薄膜3之間加設(shè)有一層石墨烯薄膜1。熱敏層2為非晶硅(α-Si:H)、非晶鍺硅(α-SiGe)或氧化釩(VO_x)中的一種。

如圖2所示，本發(fā)明提供一種紅外探測(cè)器，包括上述的基于石墨烯夾層式紅外吸收層，所述基于石墨烯夾層式紅外吸收層利用支撐橋腿6架空固定在具有讀出電路的襯底4上方；所述襯底4表面設(shè)置有反射層5。反射層5由金屬制作，其厚度為30～100nm。熱敏層2為非晶硅(α-Si:H)、非晶鍺硅(α-SiGe)或氧化釩(VO_x)中的一種。

石墨烯夾層式紅外吸收層的熱敏層2和Si₃N₄薄膜3之間增加一層石墨烯薄膜1。襯底4為Si制作，其上表面敷設(shè)有SiO₂層7。

實(shí)施例1包括以下步驟：

步驟1，選用帶有讀出電路的基底，并在基底上沉積金屬反射層，反射層厚度30～100nm；

步驟2，在上述金屬層反射層上制備犧牲層；

步驟3，在犧牲層上制備Si₃N₄薄膜作為熱敏層；

步驟4，在Si₃N₄薄膜上制備熱敏層非晶硅(α-Si:H)薄膜；

步驟5，制備石墨烯薄膜，并將石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移至熱敏層薄膜上；

步驟6，通過(guò)光刻、顯影、刻蝕，形成光敏陣列；

步驟7，刻蝕犧牲層，剩余一部分犧牲層作為在Si₃N₄薄膜與襯底之間的支撐橋腿。

實(shí)施例2，

室溫下，Si、Ge晶格常數(shù)相差較小，且性質(zhì)相近，它們可以形成無(wú)限共熔體合金Si_xGe_1-x。

在如實(shí)例1中步驟3之后，在Si₃N₄薄膜上制備石墨烯薄膜。

采用化學(xué)氣相沉積法制備了Si_0.8Ge_0.2薄膜作為光敏層。

生長(zhǎng)石墨烯薄膜，選擇質(zhì)量合格的區(qū)域的石墨烯轉(zhuǎn)移至Si_0.8Ge_0.2薄膜上。

按照40×40μm²的像素尺寸，刻蝕紅外吸收層，形成像素陣列。

刻蝕犧牲層，形成支撐橋腿矗立在Si₃N₄薄膜與襯底之間。

實(shí)施例3，

步驟1，在帶有讀出電路的基底上制備金屬反射層；

步驟2，在反射層之上制備犧牲層和Si₃N₄薄膜；

步驟3，將濺射室抽至10^-4Pa級(jí)真空，通入Ar氣預(yù)濺釩靶表面約5分鐘，然后調(diào)節(jié)Ar/O₂氣流和氣壓，在Si₃N₄薄膜上沉積氧化釩薄膜，并在高溫500℃真空環(huán)境下退火60分鐘。

步驟4，在高溫氣相沉積爐生長(zhǎng)石墨烯薄膜，并轉(zhuǎn)移至氧化釩薄膜上。

余下步驟與實(shí)施例1相同。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。