CN112748474A - 一种高效的红外探测器结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高效的红外探测器结构，通过相邻支撑壁、反射结构和红外频段选择结构形成反射空腔；红外射线自开口入射进入所述反射空腔，经所述反射结构反射至所述红外频段选择结构；所述红外频段选择结构选择吸收特定波长的红外射线，输出红外响应信号，提高特定波长的红外射线的能量吸收效率，进而提高红外探测器的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光学器件领域，更具体地，涉及一种高效的红外探测器结构。
背景技术
当前检测技术受限于探测器的响应频段和响应灵敏度，特别地，在包含众多生物特征谱的红外及远红外频段，探测器所能覆盖的频率范围有限，根本原因在于当前探测器响应频段对应于探测器材料固有的跃迁能带宽度，通过当前能带工程，能带宽度的设计灵活度已有了大幅度的提高，但仍然不能满足很好覆盖红外频段，而热效应的存在导致通过子带间跃迁的能带设计往往需要极其苛刻的实现条件，如探测器的低温真空状态等。目前红外/远红外频段的探测器主要有两类技术实现，一类是光学往下，主要沿用可见光、近红外等固态器件技术，基于半导体能带工程实现对应频段的探测器，但此类探测器具有低温，成本高的限制；另一类技术，主要是通过电子学技术往上，即基于传统的毫米波/微波器件，通过频率倍增并结合相干技术，实现对应频段的信号检测，该类技术同样具有成本高，***不稳定且体积大的缺陷，同样难以实用。
研究显示，近几年所出现的基于共振感应效应的电磁波探测技术，是可能解决上述问题的一个潜在模式。基于此，我们提出了一种采用复合结构的红外探测器，一方面通过设计特殊的结构以对目标频段信号进行响应，实现频段定制功能，另一方面，采用反馈耦合腔体增强信号吸收效率，提高响应灵敏度，以综合提高固态红外探测器性能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种高效的红外探测器结构，包括：
反射结构；
若干支撑壁，位于所述反射结构上；
红外频段选择结构，位于所述支撑壁上，且悬空覆盖所述反射结构，所述红外频段选择结构具有若干开口；其中，
相邻所述支撑壁、反射结构和所述红外频段选择结构形成反射空腔；红外射线自所述开口入射进入所述反射空腔，经所述反射结构反射至所述红外频段选择结构；所述红外频段选择结构选择吸收特定波长的红外射线，输出红外响应信号。
优选地，所述支撑壁沿第一方向平行排列；所述红外频段选择结构包括若干红外频段阵列，所述红外频段阵列分设在所述支撑壁上，且沿第一方向并行排列，相邻所述红外频段阵列之间通过端部相连且形成所述开口，所述开口具有垂直于所述第一方向的开口宽度；最外侧的所述红外频段阵列的端部引出用作所述红外响应信号的输出端。
优选地，相邻所述红外频段阵列的首尾端部相连形成S字形串联，所述开口宽度正比于所述特定波长。
优选地，所述开口宽度正比于所述特定波长2～10倍；所述红外频段阵列包含若干频选单元，所述频选单元在二维平面方向周期性排布，且具有几何图形。
优选地，所述开口宽度为4μm；所述频选单元的排布周期为2000nm；所述几何图形包括环形、十字形、类光栅形中的一种或多种组合。
优选地，所述几何图形为十字形，所述十字形具有垂直于所述第一方向的十字宽度，以及平行于所述第一方向的十字长度，所述十字宽度为400nm，所述十字长度为800nm～1700nm。
优选地，所述频选单元包括自下而上设置的第一介质层、第二介质层和金属层。
优选地，所述第一介质层的材料包括重掺杂硅材料；所述第二介质层的材料包括氧化硅；所述金属层的材料包括Ti、Al中的一种或两种组合。
优选地，所述第一介质层厚度为75nm～135nm；所述第二介质层厚度为40nm～60nm；所述金属层为双层结构，所述双层结构包括自下而上的Al层和Ti层，所述Al层的厚度为60nm～120nm，所述Ti层的厚度为18nm～22nm。
优选地，所述反射空腔具有空腔高度，所述空腔高度为所述反射结构表面与所述红外频段选择结构底面的垂直距离，所述空腔高度为所述特定波长的半波长的偶数倍。
本发明通过相邻支撑壁、反射结构和红外频段选择结构形成反射空腔；红外射线自开口入射进入所述反射空腔，经所述反射结构反射至所述红外频段选择结构；所述红外频段选择结构选择吸收特定波长的红外射线，输出红外响应信号，提高特定波长的红外射线的能量吸收效率，进而提高红外探测器的灵敏度，具有显著的意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明实施例的一种高效的红外探测器结构的剖面示意图
图2示出了本发明实施例的一种高效的红外探测器结构的俯视示意图
图3示出了本发明实施例的一种高效的红外探测器结构的红外频段阵列的局部放大俯视示意图
图4示出了本发明实施例的一种高效的红外探测器结构的频选单元的俯视示意图
图5示出了本发明实施例的一种高效的红外探测器结构的频选单元的剖面示意图
图6示出了本发明实施例的一种高效的红外探测器结构的响应频谱示意图
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。
所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员应意识到，没有特定细节中的一个或更多，或者采用其它的方法、组元、材料等，也可以实践本发明的技术方案。在某些情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明。
根据本发明的主旨构思，本发明的高效的红外探测器结构包括：反射结构；若干支撑壁，位于所述反射结构上；红外频段选择结构，位于所述支撑壁上，且悬空覆盖所述反射结构，所述红外频段选择结构具有若干开口；其中，相邻所述支撑壁、反射结构和所述红外频段选择结构形成反射空腔；红外射线自所述开口入射进入所述反射空腔，经所述反射结构反射；所述红外频段选择结构吸收反射后的所述红外射线，输出红外响应信号。
下面结合附图和实施例对本发明的技术内容进行进一步地说明。
请参见图1，其示出了本发明实施例的一种高效的红外探测器结构的剖面示意图，其中，相邻所述支撑壁110、反射结构100和所述红外频段选择结构120形成反射空腔。
反射结构100可以是包括衬底和位于衬底表面的金属反射层，所述金属反射层具有对红外射线高反低透的特点，保证红外射线在反射空腔内完成多次反射，从而提高所述红外频段选择结构120对所述红外射线的能量吸收效率。所述反射结构100还可以是金属反射基底。
所述支撑壁110沿第一方向平行排列于所述反射结构100的表面，所述支撑壁110作为所述红外频段选择结构120的支撑，底部悬空的所述红外频段选择结构120架设于所述支撑壁110上。
红外频段选择结构120用于红外频段的选择，所述红外频段选择结构120包括若干红外频段阵列，所述红外频段阵列分设在所述支撑壁110上，且沿第一方向并行排列；相邻所述红外频段阵列之间通过端部相连且形成所述开口。在本实施例中，所述开口具有垂直于所述第一方向的开口宽度，开口宽度正比于所述特定波长，具体地，所述开口宽度正比于所述特定波长的红外射线的中心波长2～10倍，本实施例中，所述开口宽度为4μm。
在本实施例中，所述红外频段选择结构120包括基底，所述红外频段阵列位于所述基底上，通过刻蚀技术在红外频段选择结构120的基底与所述反射结构100之间形成反射空腔。具体的，通过相邻所述红外频段阵列之间的所述开口实现所述红外频段选择结构120的基底的底部刻蚀，从而形成所述反射空腔。
所述开口用作红外射线进入反射空腔的入口，在本实施例中，相邻所述红外频段阵列之间通过端部相连且形成所述开口。所述开口还可以形成在所述红外频段阵列内的所述频选单元之间。所述开口的开口尺寸正比于红外射线的中心波长。
红外射线通过所述开口进入所述反射空腔，然后经反射结构100和所述支撑壁100反射、散射，所述红外频段选择结构129吸收特定波长的红外射线，输出红外响应信号。经过多次反射和散射的所述特定波长的红外射线，其能量转换效率得到提升，进而提高了高效的红外探测器结构的灵敏度。
所述反射空腔具有空腔高度，所述空腔高度为所述反射结构表面与所述红外频段选择结构底面的垂直距离，所述空腔高度为所述特定波长的半波长的偶数倍。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面进一步结合图2至图5进行说明。
如图2所示，图2示出了本发明实施例的一种高效的红外探测器结构的俯视示意图。相邻所述红外频段阵列的首尾端部相连形成S字形串联，最外侧的所述红外频段阵列的端部引出用作所述红外响应信号的输出端。所述红外频段阵列包含若干频选单元，所述频选单元在二维平面方向周期性排布，且具有几何图形。所述几何图形包括环形、十字形、类光栅形中的一种或多种组合，在本实施例中，以十字形为例进行说明。
图3示出了本发明实施例的一种高效的红外探测器结构的红外频段阵列的局部放大俯视示意图。如图3所示，所述频选单元等效于开环振荡器，通过所述频选单元的尺寸和结构设计，调节开环振荡器的电容C和电感L，共振频率f0的正比于1/(LC)1/2，从而实现共振频率f0的定制，进而实现不同频段的红外射线的选择效果。
作为一优选实施例，所述频选单元的排布周期为2000nm。所述频选单元常被称为ERR(电子环形振荡器)，所述ERR与电磁波信号接触，通过与特定频率/段的电磁波产生共振效应，完成对电磁波信号的能量吸收，吸收能量之后，ERR或ERR紧邻的材料温度变化，然后导致材料的电学参数变化，最后通过检测响应电信号对电磁波进行表征。
图4示出了本发明实施例的一种高效的红外探测器结构的频选单元的俯视示意图。如图4所示，所述频选单元的所述几何图形为十字形，所述十字形具有垂直于所述第一方向的十字宽度S2，以及平行于所述第一方向的十字长度S1，所述十字宽度为400nm，所述十字长度为800nm～1700nm。
图5示出了本发明实施例的一种高效的红外探测器结构的频选单元的剖面示意图。如图5所示，所述频选单元包括自下而上设置的第一介质层、第二介质层和金属层。位于顶层的所述金属层用于耦合入射电场信号，所述第一介质层和所述第二介质层用于耦合入射信号磁场信号。通过所述频选单元的结构和所述第二介质层的厚度实现对共振频率f0的定制功能：
f0∝1/(LC)1/2
其中，f0为共振频率，L为电感，C为电容。
电容C主要由所述频选单元的面积与所述第二介质层的厚度决定；所述频选单元的面积、电感L与十字宽度S2和十字长度S1相关，所以通过调节频选单元的结构参数S2和S1，从而实现特定波长的红外射线的吸收，进而对红外射线的共振频率进行定制设计。
所述频选单元的材料可以根据具体工艺而定，如传统CMOS工艺中用到的金属材料Al、二氧化硅等，或是红外MEMS工艺中用到的氧化钒等材料。所述第一介质层的材料包括重掺杂硅材料；所述第二介质层的材料包括氧化硅；所述金属层的材料包括Ti、Al中的一种或两种组合。
具体地，在本实施例中，所述第一介质层的材料为重掺杂硅材料，所述第一介质层厚度为75nm～135nm；所述第二介质层的材料包括氧化硅，所述第二介质层厚度为40nm～60nm；所述金属层为双层结构，所述双层结构包括自下而上的Al层和Ti层，所述Al层的厚度为60nm～120nm，所述Ti层的厚度为18nm～22nm。
图6示出了本发明实施例的一种高效的红外探测器结构的响应频谱示意图。如图6所示，通过有限元法模拟得到响应频谱结果，随着十字长度S1的变化，探测器模拟响应频率随之变化，在本实施例中，所述十字长度等于所述十字宽度，其中心响应频率为4um，与初始设计相符。
综上所述，本发明通过相邻所述支撑壁、反射结构和所述红外频段选择结构形成反射空腔；红外射线自所述开口入射进入所述反射空腔，经所述反射结构反射至所述红外频段选择结构，提高特定波长的红外射线的能量吸收效率，进而提高红外探测器的灵敏度；通过所述红外频段选择结构吸收特定波长的红外射线，电学特性发生变化，输出红外响应信号。本发明通过结合超材料频率定制化特点和微腔工艺技术，提高固态红外探测器性能，推动其向廉价化、常温化和易集成化的实用方向发展，具有显著的意义。
以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种高效的红外探测器结构，其特征在于，包括：
反射结构；
若干支撑壁，位于所述反射结构上；
红外频段选择结构，位于所述支撑壁上，且悬空覆盖所述反射结构，所述红外频段选择结构具有若干开口；其中，
相邻所述支撑壁、反射结构和所述红外频段选择结构形成反射空腔；红外射线自所述开口入射进入所述反射空腔，经所述反射结构反射至所述红外频段选择结构；所述红外频段选择结构选择吸收特定波长的红外射线，输出红外响应信号。
2.如权利要求1所述的高效的红外探测器结构，其特征在于，所述支撑壁沿第一方向平行排列；所述红外频段选择结构包括若干红外频段阵列，所述红外频段阵列分设在所述支撑壁上，且沿第一方向并行排列，相邻所述红外频段阵列之间通过端部相连且形成所述开口，所述开口具有垂直于所述第一方向的开口宽度；最外侧的所述红外频段阵列的端部引出用作所述红外响应信号的输出端。
3.如权利要求2所述的高效的红外探测器结构，其特征在于，相邻所述红外频段阵列的首尾端部相连形成S字形串联，所述开口宽度正比于所述特定波长。
4.如权利要求3所述的高效的红外探测器结构，其特征在于，所述开口宽度正比于所述特定波长2～10倍；所述红外频段阵列包含若干频选单元，所述频选单元在二维平面方向周期性排布，且具有几何图形。
5.如权利要求4所述的高效的红外探测器结构，其特征在于，所述开口宽度为4μm；所述频选单元的排布周期为2000nm；所述几何图形包括环形、十字形、类光栅形中的一种或多种组合。
6.如权利要求5所述的高效的红外探测器结构，其特征在于，所述几何图形为十字形，所述十字形具有垂直于所述第一方向的十字宽度，以及平行于所述第一方向的十字长度，所述十字宽度为400nm，所述十字长度为800nm～1700nm。
7.如权利要求4所述的高效的红外探测器结构，其特征在于，所述频选单元包括自下而上设置的第一介质层、第二介质层和金属层。
8.如权利要求7所述的高效的红外探测器结构，其特征在于，所述第一介质层的材料包括重掺杂硅材料；所述第二介质层的材料包括氧化硅；所述金属层的材料包括Ti、Al中的一种或两种组合。
9.如权利要求7所述的高效的红外探测器结构，其特征在于，所述第一介质层厚度为75nm～135nm；所述第二介质层厚度为40nm～60nm；所述金属层为双层结构，所述双层结构包括自下而上的Al层和Ti层，所述Al层的厚度为60nm～120nm，所述Ti层的厚度为18nm～22nm。
10.如权利要求1所述的高效的红外探测器结构，其特征在于，所述反射空腔具有空腔高度，所述空腔高度为所述反射结构表面与所述红外频段选择结构底面的垂直距离，所述空腔高度为所述特定波长的半波长的偶数倍。
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