CN106206830A - 一种基于石墨烯夹层式红外吸收层的红外探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于石墨烯夹层式红外吸收层的红外探测器，还公开了该红外探测器的制备方法。基于石墨烯夹层式红外吸收层包括热敏层，所述热敏层上方覆盖有石墨烯薄膜，下方贴附有Si3N4薄膜。到达热敏层的红外线有三种途径：部分红外线反射回石墨烯层，部分被热敏层吸收红生热，剩余的红外线透过热敏层辐照到Si3N4薄膜。本发明是让从热敏层反射和透射的红外线，尽可能又重新被反射回热敏层，形成“温室效应”的腔体结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于非制冷式红外探测器的红外辐射吸收层，以及利用该吸收层制备的红外探测器。
背景技术
红外探测器是红外仪器的核心部件，可以分为光子型探测器和光热型探测器。其中，光子型红外探测器需要在制冷环境下工作，仪器复杂笨重；后者为非制冷式，可在室温下工作，重量轻、功耗小、使用更加灵活方便。因此，非制冷式红外成像***在军用和民用领域的应用越来越广泛。
光热型红外探测器的基本原理是吸收红外辐射和，光吸收层温度升高，基于光热电效应，产生温差电动势力、电阻率变化、自发极化等易于测量的电学信号，通过对电学信号强度的检测实现光探测。
常用的热敏电阻型材料主要有金属和半导体材料，其中一个关键的性能参数是电阻温度系数（TCR）。半导体材料的TCR较金属材料更高，是目前常用的热敏感材料，例如氧化钒就是一种较为优异的光热型吸收层材料。当温度升高时，半导体材料的电荷载流子浓度和迁移率增大，电阻率减小，表现出负的TCR。因此，吸收层对红外光辐射的吸收特性，决定了探测器的光谱响应范围，也在一定程度上影响了光电响应度。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明提供一种基于石墨烯夹层式红外吸收层以及红外探测器，对红外线具有高吸收率。
本发明采用的技术方案为 ：一种基于石墨烯夹层式红外吸收层，包括热敏层，所述热敏层上方覆盖有石墨烯薄膜，下方贴附有Si3N4薄膜。到达热敏层的红外线有三种途径：部分红外线反射回石墨烯层，部分被热敏层吸收红生热，剩余的红外线透过热敏层辐照到Si3N4薄膜。本发明是让从热敏层反射和透射的红外线，尽可能又重新被反射回热敏层，形成“温室效应”的腔体结构。
作为一种改进，所述热敏层和Si3N4薄膜之间加设有一层石墨烯薄膜。在热敏层和Si3N4薄膜之间增加一层石墨烯层，形成热敏层底层双反射层结构。另外，石墨烯层也可以吸收红外线生热，且石墨烯吸收波段覆盖了从可见到远红外，能较大的利用热敏层不能吸收的光谱波段，再通过光子或声子形式将热量传递至热敏层。
作为一种改进，所述热敏层为非晶硅(α-Si:H)、非晶锗硅(α-SiGe)或氧化钒(VO x )中的一种。金属钒的氧化物氧化钒中钒的价态复杂，目前用于红外吸收层的氧化钒包括：混合相VOx、准VO2和亚稳态相VO2(B)薄膜。其次，氢化非晶硅(α-Si:H)、非晶锗硅(α-SiGe)也极具非制冷式红外探测器用的吸收层的潜力。
本发明还提供一种红外探测器，包括上述的基于石墨烯夹层式红外吸收层，所述基于石墨烯夹层式红外吸收层利用支撑桥腿架空固定在具有读出电路的衬底上方；所述衬底表面设置有反射层。
作为一种改进，所述热敏层为非晶硅(α-Si:H)、非晶锗硅(α-SiGe)或氧化钒(VO x )中的一种。
作为一种改进，所述于石墨烯夹层式红外吸收层的热敏层和Si3N4薄膜之间增加一层石墨烯薄膜。
作为一种改进，所述衬底为Si制作，其上表面敷设有SiO2层，SiO2层的目的是阻止吸收层与衬底的载流子传导。
作为一种优选，所述反射层由金属制作，其厚度为30～100nm。金属对红外线反射率高，特别是Au、Al、Ag等薄膜。
本发明还提供一种制备上述红外探测器的方法，包括以下步骤：
步骤1. 在带有读出电路的基底上制备反射层；
步骤2. 在反射层之上制备牺牲层；
步骤3. 在牺牲层上制备Si3N4薄膜；
步骤4. 在Si3N4薄膜上制备热敏层；
步骤5. 制备石墨烯薄膜，并将石墨烯薄膜移植到热敏层上；
步骤6. 在由石墨烯薄膜、光敏层、Si3N4薄膜组成的基于石墨烯夹层式红外吸收层上形成光敏阵列
步骤7. 去除牺牲层，剩余一部分牺牲层作为在Si3N4薄膜与衬底之间的支撑桥腿。
本发明的有益之处在于：该吸收层同基底结合牢固，在8～14μm有90%以上的吸收率，具有优异的非制冷式红外探测性能。本吸收层结构适用于单元器件和面阵式红外探测器的制备，制备工艺重复性较高。
附图说明
图1为基于石墨烯夹层式红外吸收层的结构示意图。
图2为红外探测器的结构示意图。
图中标记：1 石墨烯薄膜、2热敏层、3 Si3N4薄膜、4Si衬底、5反射层、6支撑桥腿、7SiO2层。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提供基于石墨烯夹层式红外吸收层，包括热敏层2，所述热敏层2上方覆盖有石墨烯薄膜1，下方贴附有Si3N4薄膜3。热敏层2和Si3N4薄膜3之间加设有一层石墨烯薄膜1。热敏层2为非晶硅(α-Si:H)、非晶锗硅(α-SiGe)或氧化钒(VO x )中的一种。
如图2所示，本发明提供一种红外探测器，包括上述的基于石墨烯夹层式红外吸收层，所述基于石墨烯夹层式红外吸收层利用支撑桥腿6架空固定在具有读出电路的衬底4上方；所述衬底4表面设置有反射层5。反射层5由金属制作，其厚度为30～100nm。热敏层2为非晶硅(α-Si:H)、非晶锗硅(α-SiGe)或氧化钒(VO x )中的一种。
石墨烯夹层式红外吸收层的热敏层2和Si3N4薄膜3之间增加一层石墨烯薄膜1。衬底4为Si制作，其上表面敷设有SiO2层7。
实施例1包括以下步骤：
步骤1，选用带有读出电路的基底，并在基底上沉积金属反射层，反射层厚度30～100nm；
步骤2，在上述金属层反射层上制备牺牲层；
步骤3，在牺牲层上制备Si3N4薄膜作为热敏层；
步骤4，在Si3N4薄膜上制备热敏层非晶硅(α-Si:H)薄膜；
步骤5，制备石墨烯薄膜，并将石墨烯薄膜转移至热敏层薄膜上；
步骤6，通过光刻、显影、刻蚀，形成光敏阵列；
步骤7，刻蚀牺牲层，剩余一部分牺牲层作为在Si3N4薄膜与衬底之间的支撑桥腿。
实施例2，
室温下，Si、Ge晶格常数相差较小，且性质相近，它们可以形成无限共熔体合金Si x Ge 1-x 。
在如实例1中步骤3之后，在Si3N4薄膜上制备石墨烯薄膜。
采用化学气相沉积法制备了Si 0.8 Ge 0.2 薄膜作为光敏层。
生长石墨烯薄膜，选择质量合格的区域的石墨烯转移至Si 0.8 Ge 0.2 薄膜上。
按照40×40μm2的像素尺寸，刻蚀红外吸收层，形成像素阵列。
刻蚀牺牲层，形成支撑桥腿矗立在Si3N4薄膜与衬底之间。
实施例3，
步骤1，在带有读出电路的基底上制备金属反射层；
步骤2，在反射层之上制备牺牲层和Si3N4薄膜；
步骤3，将溅射室抽至10-4Pa级真空，通入Ar气预溅钒靶表面约5分钟，然后调节Ar/O2气流和气压，在Si3N4薄膜上沉积氧化钒薄膜，并在高温500℃真空环境下退火60分钟。
步骤4，在高温气相沉积炉生长石墨烯薄膜，并转移至氧化钒薄膜上。
余下步骤与实施例1相同。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于石墨烯夹层式红外吸收层，包括热敏层，其特征在于：所述热敏层上方覆盖有石墨烯薄膜，下方贴附有Si3N4薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯夹层式红外吸收层，其特征在于：所述热敏层和Si3N4薄膜之间加设有一层石墨烯薄膜。
3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯夹层式红外吸收层，其特征在于：所述热敏层为非晶硅、非晶锗硅或氧化钒中的一种。
4.一种红外探测器，其特征在于：包括权利要求1所述的基于石墨烯夹层式红外吸收层，所述基于石墨烯夹层式红外吸收层利用支撑桥腿架空固定在具有读出电路的衬底上方；所述衬底表面设置有反射层。
5.根据权利要求4所述的一种红外探测器，其特征在于：所述于石墨烯夹层式红外吸收层的热敏层和Si3N4薄膜之间增加一层石墨烯薄膜。
6.根据权利要求4所述的一种红外探测器，其特征在于：所述热敏层为非晶硅、非晶锗硅或氧化钒中的一种。
7.根据权利要求4所述的一种红外探测器，其特征在于：所述衬底为Si制作，其上表面敷设有SiO2层。
8.根据权利要求4所述的一种红外探测器，其特征在于：所述反射层由金属制作。
9.根据权利要求8所述的一种红外探测器，其特征在于：所述反射层的厚度为30～100nm。
10.一种制备权利要求4所述的红外探测器的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1. 在带有读出电路的基底上制备反射层；
步骤2. 在反射层之上制备牺牲层；
步骤3. 在牺牲层上制备Si3N4薄膜；
步骤4. 在Si3N4薄膜上制备热敏层；
步骤5. 制备石墨烯薄膜，并将石墨烯薄膜转移到热敏层上；
步骤6. 在由石墨烯薄膜、光敏层、Si3N4薄膜组成的基于石墨烯夹层式红外吸收层上形成光敏阵列
步骤7. 去除牺牲层，剩余一部分牺牲层作为在Si3N4薄膜与衬底之间的支撑桥腿。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |