CN203774351U - 正入射浸没式非制冷薄膜型红外探测器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种正入射浸没式非制冷薄膜型红外探测器，所述的红外探测器敏感元薄膜表面有一能会聚红外信号的锗单晶半球透镜，探测器的敏感元薄膜位于锗透镜聚光中心焦点位置。本实用新型设计的器件结构制备工艺简单，只需进行一次图形光刻，两次切片和两次掩膜镀金，即能将薄膜型红外探测器的电极由薄膜表面引到衬底背面，实现了红外敏感元薄膜的正入射浸没式探测，避免了背入射条件下红外辐射信号因衬底反射和吸收而造成的光损失，大幅提高了薄膜型红外探测器的响应率和探测率，降低了器件的响应时间；且所设计的器件结构利于引线和封装，可用于正入射浸没式薄膜型红外探测器的批量生产。

Description

正入射浸没式非制冷薄膜型红外探测器
技术领域
本专利涉及红外探测器，具体涉及一种正入射浸没式非制冷薄膜型红外探测器。
背景技术
非制冷红外探测器是一种重要的红外探测器，相比光子型红外探测器而言，具有制备成本低廉、无需低温冷却***、宽波段响应、能在高温下工作、器件封装简单等优点，在军事、民用和工业等领域有着广泛的应用。过去，人们对非制冷红外探测器的研究主要集中在体材料上。体材料因晶粒间的不完全接触和空洞等缺陷的影响，致使器件的重复性、稳定性较差，且器件存在热容大、响应速度慢等不利因素。随着薄膜生长技术和微电子工艺的不断发展，器件的薄膜化已成必然趋势。薄膜型探测器相比体材料器件具有响应速度快、可靠性和稳定性高、重复性好、易于集成化等优点，且器件薄膜化将使得非制冷红外探测器制作成阵列焦平面成为可能，这将大大扩展其应用领域。
但是，一般的非制冷薄膜型红外探测器普遍存在灵敏度低、时间常数大、器件响应率和探测率不高等问题。本专利通过对器件结构的合理设置，实现了基于化学溶液法[见参考文献一、二]制备锰钴镍氧薄膜的正入射浸没式非制冷红外探测器。该发明所述的正入射浸没式薄膜型红外探测器的性能优异，制备工艺简单，只需进行一次图形光刻，两次切片和两次掩膜镀金，即能将锰钴镍氧薄膜型探测器的电极由薄膜表面引到衬底背面，实现了红外敏感元薄膜的正入射浸没式探测，避免了背入射条件下红外光信号因衬底反射和吸收而造成的损失，且所设计的器件结构利于引线和封装。制得的正入射浸没式薄膜型器件具有响应率大（大于2.5×103V/W），探测率高（高于6×108cm·Hz0.5/W）和时间常数小（小于5毫秒）等优点。
以上涉及的参考文献如下：
1.Hou,Y.,et al.,Characterization of Mn(1.56)Co(0.96)Ni(0.48)O(4)films for infrared detection.Applied Physics Letters,2008.92(20).
2.侯云，黄志明等,锰钴镍薄膜热敏材料的制备方法.发明专利,200610030144.7。
发明内容
本专利的目的是提出一种制备方法简单，结构新颖，具有时间常数小和探测率高的正入射浸没式薄膜型非制冷红外探测器。解决了传统非制冷薄膜型器件响应率和探测率不高、时间常数大、响应波段窄等问题，扩展了非制冷薄膜型红外探测器的应用范围。
本专利公开了一种正入射浸没式非制冷薄膜型红外探测器结构及其制备方法，器件结构的侧面图和俯视图如图1和2所示，其特征在于在所述的红外敏感元薄膜表面有一能会聚红外信号的锗单晶半球透镜4，探测器的敏感元6位于锗透镜聚光中心焦点位置。
所述的锗单晶半球透镜4为折射率n=4、电阻率大于30Ωcm、表面镀制有抗反射层的锗半球晶体，在其底面镀有作为介质层与红外探测器进行粘接的硒砷化合物薄膜。
本专利所设计的探测器结构通过以下具体的工艺步骤来实现：
（一）探测器敏感元的制备
1）制备红外敏感薄膜。采用化学溶液方法在100微米的非晶氧化铝衬底上制备厚度为6-8微米锰钴镍氧薄膜。
2）刻蚀掩膜。在锰钴镍氧薄膜表面光刻图形化，后采用氩离子/HBr湿法刻蚀工艺，制作出0.12×3mm2、间距为0.4毫米的细长条状薄膜台面。浮胶清洗。
3）划片。通过机械划片的方式，将薄膜衬底片划成0.4×3mm2的长条状。
4）薄膜表面镀制铬/金电极。利用金属掩膜的方式，将两片0.3毫米宽的金属掩膜片紧贴在锰钴镍氧薄膜表面，后采用双离子束溅射工艺在薄膜样品上淀积30纳米的铬和150纳米的金作为电极，得到两个锰钴镍氧薄膜面积为0.12×0.3mm2的灵敏元，并将镀制好电极的薄膜在400℃下进行10分钟的热处理以确保良好的欧姆接触。薄膜表面未做掩膜的部分，其侧面也将附着有铬/金，且与薄膜表面的铬/金电极相导通。
5）衬底背面镀制铬/金电极。将锰钴镍氧薄膜翻转到衬底背面，使用0.3毫米宽的金属掩膜片放置于其中一个灵敏元的正中间，盖住灵敏元；另一个灵敏元则用金属掩膜片完全盖住，然后采用双离子束溅射工艺在薄膜衬底背面上淀积30纳米的铬和150纳米的金作为电极（由于衬底片很薄，薄膜表面的铬/金与衬底背面的铬/金是导通的）。
6）第二次划片。通过机械划片的方式，将衬底片划成锰钴镍氧薄膜面积为0.12×0.3mm2的两个0.4×1.5mm2的灵敏元，将衬底背面镀制有铬/金的作为器件的敏感元，而将衬底背面没有镀制铬/金的作为器件的补偿元。
（二）正入射浸没式薄膜型探测器的研制
7）敏感元粘合到锗浸没透镜上。选用硒砷化合物薄膜（粘合剂）作为介质层，在150摄氏度下使硒砷化合物薄膜软化，施加压力将敏感元薄膜表面粘合到锗单晶半球透镜上，使其位于锗透镜聚光中心焦点位置，而将补偿元衬底背面粘合到锗单晶半球透镜上，使其位于锗透镜的边缘区域。贴好后，将探测器放入干燥箱在室温下进行24小时的固化。
8）过渡电极点焊。使用超声波金丝球焊机（型号为HKD-2320TS），利用直径20微米金丝将探测器的电极与锗单晶半球透镜上的过渡电极相连接。
9）引线焊接与器件封装。将过渡电极引出的正负偏置端及信号端的电极引线分别焊接到管座对应的三个管脚上，盖上金属外壳。正入射浸没式探测器结构的侧面图和俯视图分别如图1和2所示。
本专利所设计的器件结构利用了锗透镜的聚光作用，将较小的红外信号会聚到探测器的敏感薄膜表面上，大大提高了器件的响应率；同时，该器件结构的制备工艺简单，只需进行一次图形光刻，两次切片和两次掩膜镀金，即能将薄膜型红外探测器的电极由薄膜表面引到衬底背面，使薄膜表面在浸没式的条件下直接受光，实现了器件的正入射浸没式探测，避免了背入射条件下红外光信号因衬底反射和吸收而造成的损失。基于此结构制作的薄膜型红外探测器具有响应率和探测率高、响应波段宽、时间常数小等优点。
附图说明：
图1正入射浸没式探测器侧面图，图中：1、正偏置电压2、信号输出端3、负偏置电压4、锗单晶半球透镜5、器件补偿元6、器件敏感元7、器件管壳8、硒砷薄膜介质层9、过渡电极。
图2正入射浸没式探测器俯视图，图中：10、器件电极。
图3正入射浸没式探测器在正负10V偏置电压下的响应率和探测率随频率的变化。
具体实施方式：
以下结合附图，通过具体实例对本专利做进一步详细说明，但本专利的保护范围并不限于以下实例。
实施例：
基于Mn1.56Co0.96Ni0.48O4热敏感薄膜材料，研制本专利所提供的探测器结构。具体通过以下步骤实现。
（一）Mn1.56Co0.96Ni0.48O4薄膜器件敏感元的制备
1）制备前驱体溶液。分别称取四水醋酸锰、四水醋酸钴、四水醋酸镍91.76g、57.39g、28.66g，按每100g醋酸盐加入400ml醋酸、100ml水的比例将粉体溶解，选用孔径为0.45μm的滤膜，滤除溶液中的杂质沉淀，得到Mn1.56Co0.96Ni0.48O4的前驱体溶液。
2）制备Mn1.56Co0.96Ni0.48O4氧化物薄膜。采用化学溶液法在100微米的非晶氧化铝衬底上制备厚度约为8微米的Mn1.56Co0.96Ni0.48O4薄膜。
3）刻蚀掩膜。在Mn1.56Co0.96Ni0.48O4薄膜表面光刻图形化，后采用氩离子/HBr湿法刻蚀工艺，制作出0.12×3mm2、间距为0.4毫米的细长条状薄膜台面。浮胶清洗。
4）划片。通过机械划片的方式，将薄膜衬底片划成0.4×3mm2的长条状。
5）薄膜表面镀制铬/金电极。利用金属掩膜的方式，将两片0.3毫米宽的金属掩膜片紧贴在Mn1.56Co0.96Ni0.48O4薄膜表面，后采用双离子束溅射工艺在薄膜样品上淀积30纳米的铬和150纳米的金作为电极，得到两个Mn1.56Co0.96Ni0.48O4薄膜面积为0.12×0.3mm2的灵敏元，并将镀制好电极的薄膜在400℃下进行10分钟的热处理以确保良好的欧姆接触。薄膜表面未做掩膜的部分，其侧面也将附着有铬/金，且与薄膜表面的铬/金电极相导通。
6）衬底背面镀制铬/金电极。将Mn1.56Co0.96Ni0.48O4薄膜翻转到衬底背面，使用0.3毫米宽的金属掩膜片放置于其中一个灵敏元的正中间，盖住灵敏元；另一个灵敏元则用金属掩膜片完全盖住，然后采用双离子束溅射工艺在薄膜衬底背面上淀积30纳米的铬和150纳米的金作为电极（由于衬底片很薄，薄膜表面的铬/金与衬底背面的铬/金是导通的）。
7）第二次划片。通过机械划片的方式，将衬底片划成Mn1.56Co0.96Ni0.48O4薄膜面积为0.12×0.3mm2的两个0.4×1.5mm2的灵敏元，将衬底背面镀制有铬/金的作为器件的敏感元，而将衬底背面没有镀制铬/金的作为器件的补偿元。
（二）Mn1.56Co0.96Ni0.48O4薄膜正入射浸没式探测器的研制
8）敏感元粘合到锗浸没透镜上。选用硒砷化合物薄膜（粘合剂）作为介质层，在150摄氏度下使硒砷化合物薄膜软化，施加压力将敏感元薄膜表面粘合到锗单晶半球透镜上，使其位于锗透镜聚光中心焦点位置，而将补偿元衬底背面粘合到锗单晶半球透镜上，使其位于锗透镜的边缘区域。贴好后，将探测器放入干燥箱在室温下进行24小时的固化。
9）过渡电极点焊。使用超声波金丝球焊机（型号为HKD-2320TS），利用直径20微米金丝将探测器的电极与锗单晶半球透镜上的过渡电极相连接。
10）引线焊接与器件封装。将过渡电极引出的正负偏置端及信号端的电极引线分别焊接到管座对应的三个管脚上，盖上金属外壳。
（三）Mn1.56Co0.96Ni0.48O4正入射浸没式探测器的测试
11）器件响应测试。采用黑体作为红外辐射源，对Mn1.56Co0.96Ni0.48O4正入射浸没式探测器进行测试与表征。正负偏置电压为10V的器件黑体响应随频率变化结果如图3所示。
经测试，基于本专利研制的正入射浸没式非制冷Mn1.56Co0.96Ni0.48O4薄膜型红外探测器具有较高的响应率、探测率，以及较小的时间常数，常温下的黑体响应率约为4.6×103V/W30Hz，探测率约为9×108cm·Hz0 . 5/W30Hz，时间常数为5毫秒。

Claims (1)

1.一种正入射浸没式非制冷薄膜型红外探测器，其特征在于：在所述的红外敏感元薄膜表面有一能会聚红外信号的锗单晶半球透镜（4），探测器的敏感元（6）位于锗透镜聚光中心焦点位置；所述的锗单晶半球透镜（4）为折射率n=4、电阻率大于30Ωcm、表面镀制有抗反射层的锗半球晶体，在其底面镀有作为介质层与红外探测器进行粘接的硒砷化合物薄膜。
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