CN110118605A - 一种谐振型宽光谱非制冷红外探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种谐振型宽光谱非制冷红外探测器及其制备方法涉及红外探测与成像技术领域，解决了对红外辐射吸收率低、光谱响应带宽窄和制备困难的问题，探测器包括由下至上依次设置的集成读出电路衬底层、热绝缘微桥、热敏电阻传感层、钝化绝缘层、金属反射层和由吸收单元组成的阵列层；热敏电阻传感层通过热绝缘微桥电连接集成读出电路衬底层；金属反射层的厚度值大于红外辐射在其内的趋肤深度值；吸收单元包括N个谐振机构，N为≥2的整数，谐振机构包括谐振单元，谐振单元由金属层和介质层组成，金属层位于介质层的上表面上，谐振机构之间金属层的尺寸互不相同。本发明通过金属反射层和阵列层实现对红外辐射吸收率高，具有宽的光谱响应带宽。
Description
技术领域
本发明涉及红外探测与成像技术领域，具体涉及一种谐振型宽光谱非制冷红外探测器及其制备方法。
背景技术
红外探测器是热成像***的核心部件，随着红外热成像技术的发展和进步，红外探测器在军事、航空等高端领域以及工业、医学、环境、农林等民用领域发挥了巨大的应用价值。按照工作温度的不同，红外探测器一般分为制冷型和非制冷型红外探测器，其中非制冷红外探测器采用先进的凝视阵列技术，与制冷红外探测器复杂的光学元件和光机扫描结构相比，具有更小的器件体积和低的制造成本。虽然在响应时间、探测灵敏度方面较制冷型红外探测器存在差距，但其可在室温条件下工作而无需附加复杂庞大、昂贵的制冷机构，从而在质量、体积、寿命、成本、功耗、启动速度及稳定性等方面具有突出优势。由于这些优点，非制冷红外探测器在军用的搜索侦查、导弹防御和民用的监控、无损检测等诸多领域有着广泛的应用场景。广泛的应用领域使得市场亟需高性能、低功耗的非制冷红外探测器。
红外吸收结构的设计与集成是制备高性能非制冷红外探测器的关键因素，它决定了探测器对红外辐射的吸收及利用率。常见的吸收结构是具有共振吸收的辐射吸收层，共振吸收结构是利用光在多层介质薄膜中的干涉效应来增强特定波段的吸收率，但该方法受材料制备应力限制，材料选择范围有限并且增加吸收结构厚度，会影响探测器性能。近年来，随着微纳光学的发展，一种人造二维材料超表面的应用也被扩展到非制冷红外探测器领域。超表面是由一系列平面型亚波长人工微结构按照一定的排列方式构建而成的薄平面阵列，它与电磁波相互作用时会在金属表面激发等离子体共振，从而产生强的局域场增强和对光近乎完美吸收的独特光学现象。宽光谱吸收结构具有宽的光谱响应带宽，用于红外探测器时可获得多个波长范围的光信号，提高热成像质量。近年来许多关于红外超表面吸收结构的设计方法层出不穷，但是设计出工作在长波红外区的宽光谱高吸收结构并将其集成在非制冷红外探测器的研究不是很多，这些结构存在着平均吸收率不足、吸收带宽窄以及制备工艺困难等问题。
发明内容
为了解决现有非制冷红外探测器对红外辐射吸收率低、光谱响应带宽窄和制备工艺困难的问题，本发明提供一种谐振型宽光谱非制冷红外探测器及其制备方法。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种谐振型宽光谱非制冷红外探测器，包括由下至上依次设置的集成读出电路衬底层、热绝缘微桥、热敏电阻传感层、钝化绝缘层、金属反射层和由吸收单元组成的阵列层；所述热敏电阻传感层通过热绝缘微桥电连接集成读出电路衬底层；所述金属反射层的厚度值大于红外辐射在其内的趋肤深度值；所述吸收单元包括N个谐振机构，N为大于等于2的整数，所述谐振机构包括M个谐振单元，M为大于等于1的整数，当M>1时，M个所述谐振单元上下堆叠设置；谐振单元由金属层和介质层组成，所述金属层位于介质层的上表面上，谐振机构之间金属层的尺寸互不相同。
一种谐振型宽光谱非制冷红外探测器的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、采用聚酰亚胺材料或氧化多孔硅材料在集成读出电路衬底层上制备第一牺牲层，第一牺牲层覆盖衬底层上表面，采用光刻掩膜版通过刻蚀第一牺牲层制备孔洞，读出电极通过孔洞露出，得到第二牺牲层；
步骤二、采用氮化硅材料在第二牺牲层上制备支撑层，采用光刻掩膜版并刻蚀支撑层得到第一支撑体和第二支撑体，且露出孔洞；
步骤三、在第一支撑体和第二支撑体上形成电极结构光刻胶图形，在电极结构光刻胶图形上沉积金属，剥离电极结构光刻胶图形，得到桥面电极层、第一电极层和第二电极层；
步骤四、在孔洞上形成接触孔光刻胶图形，在接触孔光刻胶图形上沉积金属铝，剥离接触孔光刻胶图形，得到接触孔；
步骤五、在桥面电极层上形成热敏电阻光刻胶图形，生长热敏电阻材料，剥离热敏电阻光刻胶图形，得到热敏电阻传感层；所述热敏电阻材料采用氧化钒或非晶硅；
步骤六、在热敏电阻传感层上制备钝化绝缘层；
步骤七、在钝化绝缘层上形成金属反射层光刻胶图形，沉积金属钛制备金属反射层，剥离金属反射层光刻胶图形得到金属反射层；
步骤八、制备阵列层；
步骤九、刻蚀第二牺牲层，红外探测器制备完成。本发明的有益效果是：
1、本发明的红外探测器通过谐振单元在介质层中有效地激发谐振腔模式，从而增强对红外辐射的吸收，向上叠加谐振单元的层数，可利用相邻介质层中谐振腔模式的耦合作用进一步增强吸收。
2、本发明的红外探测器通过金属反射层和阵列层取代了传统的共振吸收结构，对红外辐射吸收率高，具有宽的光谱响应带宽，能实现在长波红外区尤其是8-14μm范围的宽带高效的吸收作用。阵列层通过采用谐振机构之间灵活的不同尺寸的金属层，可以同时满足目标波段所需的工作带宽和吸收效率，通过调节谐振机构的结构参数可以很容易地实现以目标波段为中心宽光谱范围的高吸收，获得宽光谱范围的红外光信号，提高红外探测器的响应度。相比较具有同等宽光谱吸收的红外探测器来说，本发明的红外探测器制作容易，简化了制造工艺。
3、本发明的一种谐振型宽光谱非制冷红外探测器及其制备方法是通过MEMS微加工工艺将金属反射层和阵列层集成在热绝缘微桥上，与传统非制冷红外探测器加工工艺兼容，不增加工艺复杂度，有利于大规模低成本制备。通过该方法制备的谐振型宽光谱非制冷红外探测器响应度高、能实现宽光谱范围的高吸收。
附图说明
图1为本发明的一种谐振型宽光谱非制冷红外探测器的结构示意图。
图2为本发明的一种谐振型宽光谱非制冷红外探测器的截面图。
图3为本发明的一种谐振型宽光谱非制冷红外探测器实施例一的超表面红外吸收层主视图。
图4为本发明的一种谐振型宽光谱非制冷红外探测器实施例一的超表面红外吸收层的俯视图
图5为本发明的一种谐振型宽光谱非制冷红外探测器实施例二的超表面红外吸收层主视图。
图6为本发明的一种谐振型宽光谱非制冷红外探测器实施例二的超表面红外吸收层的俯视图。
图中：1、集成读出电路衬底层，2.1、桥支撑，2.11、接触孔，2.2、桥臂，2.3、桥面电极层，3、热敏电阻传感层，4、钝化绝缘层，5、金属反射层，6、阵列层，6.1、吸收单元，6.2、谐振机构，6.3、金属层，6.4、介质层。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
一种谐振型宽光谱非制冷红外探测器，包括超表面红外吸收层、钝化绝缘层4、热敏电阻传感层3、热绝缘微桥、集成读出电路衬底层1。结构如图1和图2所示。
超表面红外吸收层、钝化绝缘层4、热敏电阻传感层3、热绝缘微桥、集成读出电路衬底层1从上至下依次设置。热绝缘微桥位于集成读出电路衬底层1上表面上，热敏电阻传感层3位于热绝缘微桥的上表面上，钝化绝缘层4位于热敏电阻传感层3上表面上，超表面红外吸收层位于钝化绝缘层4上表面上。热敏电阻传感层3通过热绝缘微桥电连接集成读出电路衬底层1。
超表面红外吸收层包括阵列层6和金属反射层5，金属反射层5设置在钝化绝缘层4上表面上，阵列层6设置在金属反射层5上表面上，金属反射层5的厚度值大于电磁波在其内的趋肤深度值，金属反射层5的厚度值大于红外辐射在其内的趋肤深度值，趋肤深度由电磁波和金属反射层5的金属材质决定。阵列层6为吸收单元6.1组成的阵列，吸收单元6.1参见图1的虚线框，吸收单元6.1包括N个谐振机构6.2，N为大于等于2的整数，谐振机构6.2包括M个谐振单元，M为大于等于1的整数；当M大于1时，谐振单元之间上下堆叠设置。谐振单元由金属层6.3和介质层6.4组成，金属层6.3位于介质层6.4上表面上，以三个谐振单元为例，从上至下依次为金属层6.3-介质层6.4-金属层6.3-介质层6.4-金属层6.3-介质层6.4，最下侧的介质层6.4连接金属反射层5。N个谐振机构6.2的尺寸互不相同，任意两个谐振机构6.2的尺寸不相同，任意两个谐振机构6.2内的金属层6.3的尺寸不相同，介质层6.4配合金属层6.3用于激发谐振模式，因此任意两个谐振机构6.2内的介质层6.4的尺寸也可以不相同，优选的是任意一个谐振机构6.2内金属层6.3和该谐振机构6.2内介质层6.4的尺寸形状均相同，制备容易。图3和图4，N＝4、M＝1，四个谐振机构6.2，每个谐振机构6.2内只有一层谐振单元，谐振机构6.2内的介质层6.4与金属层6.3的尺寸相同、形状也相同，四个谐振机构6.2内各自金属层6.3的尺寸互不相同、各自介质层6.4之间的尺寸也不相同。如图5和图6，N＝6、M＝2，6个谐振机构6.2，每个谐振机构6.2内有两层谐振单元。谐振单元的形状不限，例如圆形、方形等均可。
通过不同尺寸的谐振单元组成阵列层6，阵列层6的吸收光谱为不同尺寸的谐振单元中的金属层6.3所吸收的光谱相互叠加得到，因而实现宽光谱吸收。其中不同尺寸主要是限制金属层6.3的大小。阵列层6可以是多层的结构，即谐振机构6.2为多层谐振单元，通过向上堆叠谐振单元的层数，可以进一步增加吸收效率。谐振单元可称为图形化的金属-介质对，金属-介质对可以在介质层中有效地激发谐振腔模式，从而增强对红外辐射的吸收，若向上叠加金属-介质对的层数，可利用相邻介质层中谐振腔模式的耦合作用进一步增强吸收。
超表面红外吸收层用于最大限度地吸收覆盖目标波段范围的红外光，并且将吸收的红外辐射转化为热信号，改变热敏电阻传感层3的阻值。其中金属层6.3和金属反射层5的材料可选用金、银、铝、钛、钨等金属材料，介质层6.4的材料可选用硅、锗、硫化锌、氧化铝、氧化硅、氮化硅、氟化镁等材料。
钝化绝缘层4将超表面红外吸收层与热敏电阻传感层3隔开，避免对热敏电阻传感层3性能受到超表面红外吸收层的影响，超表面红外吸收层的热量如果直接传到热敏电阻传感层3将影响热敏电阻传感层3性能，同时钝化绝缘层4实现超表面红外吸收层与热敏电阻传感层3的电气隔离。钝化绝缘层4可采用氧化硅、氧化铝、氮化硅、氮化硼等材料。
热敏电阻传感层3用于传感红外辐射转化成的热信号并将传感的热信号转化为阻值信息。热敏电阻传感层3可采用氧化钒、非晶硅等。热敏电阻传感层3通过热绝缘微桥电连接集成读出电路衬底层1。
热绝缘微桥包括桥面电极层2.3、桥臂2.2和桥支撑2.1。桥支撑2.1连接集成读出电路衬底层1的上表面，桥臂2.2一端连接桥面电极层2.3，另一端连接桥支撑2.1，桥支撑2.1用于支撑桥臂2.2，桥臂2.2用于支撑着桥面电极层2.3。桥支撑2.1上设有接触孔2.11，接触孔2.11电连接桥臂2.2和集成读出电路衬底层1，具体为桥支撑2.1包括第一支撑体和第一电极层，第一电极层位于第一支撑体上表面上，接触孔2.11设置在第一支撑体上，且连接第一电极层。桥臂2.2包括第二支撑体和位于第二支撑体上表面的第二电极层，第二电极层电连接桥面电极层2.3。第一支撑体连接集成读出电路衬底层1和第二支撑体。集成读出电路衬底层1电连接接触孔2.11，接触孔2.11电连接第一电极层，第一电极层电连接第二电极层，第二电极层电连接桥面电极层2.3。热敏电阻传感层3设置在桥面电极层2.3的上表面上，热敏电阻传感层3依次通过桥面电极层2.3、桥臂2.2的第二电极层、桥支撑2.1的第二电极层和桥支撑2.1的接触孔2.11电连接集成读出电路衬底层1。
集成读出电路衬底层1可选用为硅或锗衬底，在衬底上集成CMOS电路得到集成读出电路衬底层1。集成读出电路衬底层1具备电路放大和降低噪声功能，每个像元具备两个读出电极，即集成读出电路衬底层1上表面上设有两个读出电极，读出电极连接接触孔2.11，即集成读出电路衬底层1通过读出电极电连接接触孔2.11。
超表面红外吸收层吸收的红外辐射在超表面红外吸收层中被转化为热信号，热信号经钝化绝缘层4传输至热敏电阻传感层3，热信号使热敏电阻阻值发生变化得到阻值信息，热敏电阻传感层3将阻值信息转化为电信号，电信号通过热绝缘微桥传输至读出电级，也就是传输至集成读出电路衬底层1，集成读出电路衬底层1获得目标的红外信息，实现宽谱红外探测成像。
本发明的红外探测器通过超表面红外吸收层以取代传统的共振吸收结构，对红外辐射吸收率高，具有宽的光谱响应带宽，能实现在长波红外区尤其是8-14μm范围的宽带高效的吸收作用。阵列层6通过采用谐振机构6.2之间灵活的不同尺寸的金属层6.3，可以同时满足目标波段所需的工作带宽和吸收效率，通过调节谐振机构6.2的结构参数可以很容易地实现以目标波段为中心宽光谱范围的高吸收，获得宽光谱范围的红外光信号，提高红外探测器的响应度。相比较具有同等宽光谱吸收的红外探测器来说，本发明的红外探测器制作容易，简化了制造工艺。
一种谐振型宽光谱非制冷红外探测器的制备方法
步骤一、在集成读出电路衬底层1上制备第一牺牲层，第一牺牲层覆盖衬底层上表面，采用光刻掩膜版通过刻蚀第一牺牲层制备孔洞，读出电极通过孔洞露出，第一牺牲层经过上述刻蚀得到第二牺牲层。其中第一牺牲层材料选用聚酰亚胺或氧化的多孔硅，第一牺牲层厚度范围为：2000-4000nm。
步骤二、在第二牺牲层上制备支撑层，此时支撑层覆盖了孔洞，采用光刻掩膜版并刻蚀支撑层得到桥支撑2.1的第一支撑体和桥臂2.2的第二支撑体，且露出孔洞。支撑层厚度为300-400nm。支撑层的材料可采用氮化硅。
步骤三、在第一支撑体和第二支撑体上形成电极结构光刻胶图形，在电极结构光刻胶图形上沉积金属，剥离电极结构光刻胶图形，形成电极结构，即得到桥支撑2.1的第一电极层、桥臂2.2的第二电极层、桥面电极层2.3。电极结构厚度为100-200nm。
步骤四、在孔洞上形成接触孔2.11光刻胶图形，在接触孔2.11光刻胶图形上沉积金属，沉积的金属和读出电极形成金属接触，剥离光刻胶，得到接触孔2.11。沉积金属的厚度为200-500nm。沉积金属的材料可为铝。
步骤五、在桥面电极层2.3上形成热敏电阻光刻胶图形，生长热敏电阻材料，剥离热敏电阻光刻胶图形，得到热敏电阻传感层3。热敏电阻传感层3厚度为50-150nm。热敏电阻材料可采用氧化钒或非晶硅。
步骤六、在热敏电阻传感层3上制备钝化绝缘层4。钝化绝缘层4厚度为100-300nm。
步骤七、在钝化绝缘层4上形成金属反射层5光刻胶图形，在金属反射层5光刻胶图形上沉积金属制备金属反射层5，剥离金属反射层5光刻胶图形，得到金属反射层5。金属反射层5厚度为100nm。金属反射层5的材料可选用钛。
步骤八、制备阵列层6，可采用电子束曝光或纳米压印技术。
步骤九、刻蚀第二牺牲层，桥面电极层2.3下出现镂空，桥臂2.2下出现镂空，即得到热绝缘微桥，一种谐振型宽光谱非制冷红外探测器制备完成。
实施方式一：
非制冷红外探测器结构如图1所示。超表面红外吸收结构如图3和图4所示，阵列层6为四种不同尺寸钛-锗立方块的周期阵列，即四个谐振机构6.2集成到一个被均分为四部分的超像元中，超像元即为吸收单元6.1(图4中示意性的展示了9个吸收单元6.1)，每个谐振机构6.2放置在每个部分的中心。谐振机构6.2为钛-锗立方块，金属层6.3采用钛，介质层6.4采用锗。钛-锗立方块具有四种不同宽度，分别为1微米、1.1微米、1.25微米和1.4微米。四种不同尺寸的谐振机构6.2分别对应着四个不同中心波长的吸收光谱，通过四种谐振机构6.2吸收光谱的相互叠加可以实现8微米至12微米红外波段范围的宽带高吸收。
实施方式一所示例的红外探测器的制备方法的步骤如下：
步骤一、在集成读出电路衬底层1上制备第一牺牲层，第一牺牲层覆盖集成读出电路衬底层1上表面。利用光刻掩膜技术，在第一牺牲层上刻蚀出孔洞，第一牺牲层机构刻蚀变成第二牺牲层。第一牺牲层材料选用聚酰亚胺，第一牺牲层和第二牺牲层的厚度均为2500nm。
步骤二、在第二牺牲层上制备支撑层，本实施方式中用化学气相沉积设备制备氮化硅支撑层，支撑层厚度为350nm，用光刻掩膜技术定义支撑层图形，刻蚀暴露的支撑层，得到第一支撑体和第二支撑体，同时重新得到孔洞，孔洞在第一支撑体上。
步骤三、在第一支撑体和第二支撑体上形成电极结构光刻胶图形，用电子束蒸发设备在电极结构光刻胶图形上沉积金属，厚度为100nm；湿化学方法剥离光刻胶形成电极结构，得到桥面电极层2.3、第一电极层和第二电极层。
步骤四、在孔洞上形成接触孔2.11光刻胶图形，用电子束蒸发设备在接触孔2.11光刻胶图形上沉积金属铝，厚度为300nm，沉积的金属和读出电极形成金属接触，湿化学方法剥离光刻胶，得到接触孔2.11，即接触孔2.11连接集成读出电路衬底层1；
步骤五、在桥面电极层2.3上形成热敏电阻光刻胶图形，用磁控溅射设备生长热敏电阻材料氧化钒，厚度为100nm；湿化学方法剥离光刻胶，得到热敏电阻传感层3；
步骤六、采用化学气相沉积设备在热敏电阻传感层3上制备钝化绝缘层4，钝化绝缘层4厚度为150nm。
步骤七、在钝化绝缘层4上形成金属反射层5光刻胶图形，用电子束蒸发设备附着钛金属，钛金属厚度为150nm，剥离光刻胶得到金属反射层5；
步骤八、采用电子束曝光或纳米压印技术制备阵列层6，金属层6.3采用钛，介质层6.4采用锗。采用电子束曝光或纳米压印技术先制备介质层6.4，介质层6.4厚度为1000nm，再采用电子束曝光或纳米压印技术在介质层6.4上表面制备金属层6.3金属层6.3厚度为30nm。
步骤九、采用氧等离子体法刻蚀第二牺牲层，形成了微桥结构，得到热绝缘微桥，红外探测器制备完成。
步骤十、打线封装步骤九制备的红外探测器。
实施方式二
非制冷红外探测器结构如图1所示。超表面红外吸收层如图5和图6所示，由六种不同尺寸钛-锗-钛-锗方块以周期阵列得到的阵列层6和钛金属制备的金属反射层5组成。图6中示例了超表面红外吸收层的俯视图，谐振机构6.2为钛-锗-钛-锗方块，共六种不同尺寸，其中四种谐振机构6.2集成到一个被均分为四部分的超像元中，每个谐振机构6.2放置在每个部分的中心，另外两种谐振机构6.2一种放置在超像元四个框架中间，另一种放置在超像元四个顶角处。超像元中的四种钛-锗-钛-锗立方块谐振机构6.2具有四种不同宽度，分别为1.1微米、1.25微米、1.35微米和1.5微米(横截面为正方形)；超像元四边框架中间的矩形谐振机构6.2长为1.5微米，宽为0.75微米(横截面为长方形)；超像元四个顶角处的立方体谐振机构6.2宽度为0.8微米(横截面为正方形)；这六种谐振机构6.2可以灵活组合来同时满足目标波段所需的工作带宽和吸收率。当不需要宽的吸收带宽时，可以选择一系列相同尺寸的谐振机构6.2来实现高吸收。同样，宽带吸收也可以通过牺牲某一波段的吸收效率来实现。六种不同尺寸的双层谐振单元组成的谐振机构6.2分别对应着六个不同中心波长的吸收光谱，通过六种谐振机构6.2吸收光谱的相互叠加可以实现8微米至14微米红外波段范围的宽带高吸收。
实施方式二所示例的红外探测器的制备方法的步骤如下：
步骤一、在集成读出电路衬底层1上制备第一牺牲层，第一牺牲层覆盖衬底层上表面，采用光刻掩膜版定义第一牺牲层图形，通过刻蚀第一牺牲层制备孔洞，此时读出电极通过孔洞露出，得到第二牺牲层。第一牺牲层材料选用多孔硅，牺牲层厚度为1500nm。
步骤二、在第二牺牲层上制备支撑层，支撑层覆盖第二牺牲层，采用光刻掩膜版定义支撑层图形，刻蚀暴露的支撑层，得到第一支撑体和第二支撑体，且露出孔洞。
步骤三、在第一支撑体和第二支撑体上形成电极结构光刻胶图形，用电子束蒸发设备在电极结构光刻胶图形上沉积金属，湿化学方法去除电极结构光刻胶图形，得到桥面电极层2.3、第一电极层和第二电极层。
步骤四、在孔洞上形成接触孔2.11光刻胶图形，用电子束蒸发设备在接触孔2.11光刻胶图形上沉积金属铝，沉积厚度为300nm，湿化学方法去除接触孔2.11光刻胶图形，保留孔洞部位的金属得到接触孔2.11。
步骤五、采用光刻技术在桥面电极层2.3上形成热敏电阻光刻胶图形，并用磁控溅射设备生长热敏电阻材料非晶硅，厚度为150nm；湿化学方法剥离热敏电阻光刻胶图形，得到热敏电阻传感层3。
步骤六、采用化学气相沉积设备在热敏电阻传感层3上制备钝化绝缘层4；钝化绝缘层4厚度为150nm。
步骤七、采用光刻技术在钝化绝缘层4上形成金属反射层5光刻胶图形，并用电子束蒸发设备附着钛金属，沉积金属制备金属反射层5，剥离金属反射层5光刻胶图形得到金属反射层5；金属反射层5厚度为150nm。
步骤八、采用纳米压印技术制备锗介质层6.4，厚度为900nm；在900nm锗介质层6.4上采用纳米压印技术制备钛金属层6.3，厚度为25nm；在25nm钛金属层6.3上采用纳米压印技术制备锗介质层6.4，厚度为650nm；在650nm锗介质层6.4上采用纳米压印技术制备钛金属层6.3，厚度为25nm，阵列层6制备完成。
步骤九、采用氧等离子体法刻蚀第二牺牲层，形成了微桥结构，得到热绝缘微桥，红外探测器制备完成。
步骤十、打线封装步骤九制备的红外探测器。
本发明的制备方法是通过MEMS微加工工艺将超表面红外吸收结构集成在非制冷红外探测器微桥上，与传统非制冷红外探测器加工工艺兼容，不增加工艺复杂度，有利于大规模低成本制备。通过该方法制备的谐振型宽光谱非制冷红外探测器响应度高、能实现宽光谱范围的高吸收。
Claims (10)
1.一种谐振型宽光谱非制冷红外探测器，其特征在于，包括由下至上依次设置的集成读出电路衬底层(1)、热绝缘微桥、热敏电阻传感层(3)、钝化绝缘层(4)、金属反射层(5)和由吸收单元(6.1)组成的阵列层(6)；所述热敏电阻传感层(3)通过热绝缘微桥电连接集成读出电路衬底层(1)；所述金属反射层(5)的厚度值大于红外辐射在其内的趋肤深度值；所述吸收单元(6.1)包括N个谐振机构(6.2)，N为大于等于2的整数，所述谐振机构(6.2)包括M个谐振单元，M为大于等于1的整数，当M>1时，M个所述谐振单元上下堆叠设置；谐振单元由金属层(6.3)和介质层(6.4)组成，所述金属层(6.3)位于介质层(6.4)的上表面上，谐振机构(6.2)之间金属层(6.3)的尺寸互不相同。
2.如权利要求1所述的一种谐振型宽光谱非制冷红外探测器，其特征在于，所述金属反射层(5)和阵列层(6)用于吸收红外辐射、将吸收的红外辐射转化为热信号、将热信号传输至钝化绝缘层(4)，钝化绝缘层(4)用于将热信号传输至热敏电阻传感层(3)，热敏电阻传感层(3)用于接收热信号、根据热信号其内的热敏电阻阻值发生变化得到阻值信息、将阻值信息转化为电信号传输至热绝缘微桥，热绝缘微桥用于将电信号传输至集成读出电路衬底层(1)。
3.如权利要求1所述的一种谐振型宽光谱非制冷红外探测器，其特征在于，所述热绝缘微桥包括桥支撑(2.1)、桥臂(2.2)和桥面电极层(2.3)，所述桥支撑(2.1)设置在集成读出电路衬底层(1)的上表面上，所述桥臂(2.2)一端连接桥支撑(2.1)、另一端连接桥面电极层(2.3)，所述桥面的上表面上设有热敏电阻传感层(3)，所述热敏电阻传感层(3)依次通过桥面电极层(2.3)、桥臂(2.2)和桥支撑(2.1)电连接集成读出电路衬底层(1)。
4.如权利要求3所述的一种谐振型宽光谱非制冷红外探测器，其特征在于，所述桥支撑(2.1)包括设置在集成读出电路衬底层(1)上的第一支撑体和位于第一支撑体上表面的第一电极层，所述第一支撑体上设有接触孔(2.11)，所述接触孔(2.11)电连接第一电极层和集成读出电路衬底层(1)；桥臂(2.2)包括连接第一支撑体的第二支撑体和位于第二支撑体上表面的第二电极层，所述第二电极层电连接第一电极层和桥面电极层(2.3)。
5.如权利要求4所述的一种谐振型宽光谱非制冷红外探测器，其特征在于，所述集成读出电路衬底层(1)的上表面上设有两个读出电极，所述集成读出电路衬底层(1)通过读出电极电连接接触孔(2.11)。
6.如权利要求1至5中任意一项所述的一种谐振型宽光谱非制冷红外探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、采用聚酰亚胺材料或氧化多孔硅材料在集成读出电路衬底层(1)上制备第一牺牲层，第一牺牲层覆盖衬底层上表面，采用光刻掩膜版通过刻蚀第一牺牲层制备孔洞，读出电极通过孔洞露出，得到第二牺牲层；
步骤二、采用氮化硅材料在第二牺牲层上制备支撑层，采用光刻掩膜版并刻蚀支撑层得到第一支撑体和第二支撑体，且露出孔洞；
步骤三、在第一支撑体和第二支撑体上形成电极结构光刻胶图形，在电极结构光刻胶图形上沉积金属，剥离电极结构光刻胶图形，得到桥面电极层(2.3)、第一电极层和第二电极层；
步骤四、在孔洞上形成接触孔(2.11)光刻胶图形，在接触孔(2.11)光刻胶图形上沉积金属铝，剥离接触孔(2.11)光刻胶图形，得到接触孔(2.11)；
步骤五、在桥面电极层(2.3)上形成热敏电阻光刻胶图形，生长热敏电阻材料，剥离热敏电阻光刻胶图形，得到热敏电阻传感层(3)；所述热敏电阻材料采用氧化钒或非晶硅；
步骤六、在热敏电阻传感层(3)上制备钝化绝缘层(4)；
步骤七、在钝化绝缘层(4)上形成金属反射层(5)光刻胶图形，沉积金属钛制备金属反射层(5)，剥离金属反射层(5)光刻胶图形得到金属反射层(5)；步骤八、制备阵列层(6)；
步骤九、刻蚀第二牺牲层，红外探测器制备完成。
7.如权利要求6所述的一种谐振型宽光谱非制冷红外探测器的制备方法，其特征在于，所述第一牺牲层厚度为2000nm-4000nm，支撑层厚度为300nm-400nm，第一电极层、第二电极层和桥面电极层(2.3)的厚度均为100nm-200nm，热敏电阻传感层(3)厚度为50-150nm；钝化绝缘层(4)的厚度为100-300nm。
8.如权利要求6所述的一种谐振型宽光谱非制冷红外探测器的制备方法，其特征在于，所述金属反射层(5)厚度为100nm。
9.如权利要求6所述的一种谐振型宽光谱非制冷红外探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤八具体为采用电子束曝光或纳米压印技术制备金属层(6.3)和介质层(6.4)，所述金属层(6.3)的材料为钛，所述介质层(6.4)的材料为锗。
10.如权利要求6所述的一种谐振型宽光谱非制冷红外探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤九之后还包括打线封装红外探测器的步骤。
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