CN209387132U - 一种基于氧化钒相变特性的高灵敏度太赫兹单点探测器 - Google Patents

Abstract

本申请利用氧化钒薄膜电致相变的特性，提出了一种氧化钒太赫兹探测器。其摒弃了复杂的高电阻温度系数材料制备工艺探索，在传统水平探测器电路读出结构基础上，引入新的设计构架，即在氧化钒热敏薄膜上下两个面加电压，通过调节电压，调节氧化钒薄膜的电阻温度系数，进而改善探测器的灵敏度。本申请方案中新引入的电极亦可做为探测器的吸收层，通过仿真，探测器在30～100μm太赫兹波段有平均75％的吸收率。

Description

一种基于氧化钒相变特性的高灵敏度太赫兹单点探测器

技术领域

本申请涉及非制冷微测热辐射计技术领域，特别是涉及一种基于氧化钒的适用于太赫兹波段的探测器。

背景技术

基于氧化钒的非制冷微测热辐射计起源于上个世纪80年代末，该类型探测器设计之初是针对8～14μm远红外波段的探测，根据其热辐射探测机理，理论上可以探测涵盖近红外到毫米波范围的热辐射光。经过近30年的发展，基于氧化钒热阻敏感薄膜的非制冷微测热辐射计在探测率方面取得了很大进步，可以达到109cm﹒Hz^1/2/w,这比太赫兹波探测领域常用的氘代L-丙氨酸硫酸三甘肽(DLATGS)热释电探测器高一个数量级，但是比制冷型探测器，例如液氦制冷超导探测器仍然低至少一个数量级。不过，当前的非制冷微测热辐射计限于结构和材料还没有达到室温下背景噪声探测极限，因而还存在一定的改进空间。

目前，提高非制冷微测热辐射计性能主要方式是降低***的1/f噪声和提高氧化钒薄膜的电阻温度系数。其中，整个探测器***的1/f噪声主要取决于氧化钒薄膜自身的固有属性，降低的空间很小。因而，如何提高氧化钒薄膜的电阻温度系数一直都是该领域的主要研究方向。目前主要有两种手段提高氧化钒薄膜的电阻温度系数，一是利用激光脉冲沉积等先进设备制备高质量单晶氧化钒薄膜；二是利用掺杂一定比例的钨,氮等元素改善电阻温度系数。

不过，虽然激光脉冲沉积法和元素掺杂法可以分别获得高达4％和7％的电阻温度系数，但是两者的制备工艺仍然非常复杂，对设备、材料都有较高的要求，不利于大批量生产制作。

实用新型内容

有鉴于此，针对上述现有技术存在的技术问题，本实用新型提出一种新的探测器桥面结构，从优化探测器结构的角度能够极大地提高氧化钒的电阻温度系数，进而增强探测器在太赫兹波段探测的灵敏度。

具体地，本实用新型提出一种基于氧化钒相变特性的探测器，所述探测器的桥面包括氧化钒热敏薄膜以及与所述氧化钒热敏薄膜电连接的第一电极，其特征在于：在平行于所述氧化钒热敏薄膜探测面的方向上，所述第一电极的正负极分别位于所述氧化钒热敏薄膜的两侧；所述探测器的桥面还包括与所述氧化钒热敏薄膜电连接的第二电极；在垂直于所述氧化钒热敏薄膜探测面的方向上，所述第二电极的正负极分别位于所述氧化钒热敏薄膜的两侧。优选地，所述第二电极为钛电极，所述第二电极的厚度为2nm。

进一步，在所述第二电极和所述氧化钒热敏薄膜之间还具有氮化硅层。所述氮化硅层的厚度优选为10nm。

此外，所述探测器还包括单晶硅衬底和金属反射镜，所述金属反射镜位于所述单晶硅衬底的内侧；所述探测器的桥面与所述金属反射镜组合形成1/4波长谐振腔。优选地，所述单晶硅衬底为200μm厚度的单晶硅厚基片。所述金属反射镜由一个铝反射层构成。

其中，所述单晶硅衬底可以为“U”字型结构；设置在所述氧化钒热敏薄膜朝向所述谐振腔内侧的氮化硅层直接与所述单晶硅衬底相连以构成支撑层。进一步，所述第一电极可以直接搭载在设置于所述氧化钒热敏薄膜朝向所述谐振腔内侧的氮化硅层上。

根据本实用新型提出的具有经过优化的桥面结构的探测器，相对于现有技术中制备具有高电阻温度系数的单晶，或者在氧化钒薄膜中掺杂其它元素以提高电阻温度系数的方案相比，利用了氧化钒薄膜电致相变的特性，摒弃了复杂的材料制备工艺探索，在传统水平探测器电路读出结构的基础上，引入新的设计构架，即在氧化钒热敏薄膜上下两个面加电压，通过调节电压，实现氧化钒薄膜的电阻温度系数的提高，进而使得探测器灵敏度大增。另外，新引入的电极亦可做为探测器的吸收层，通过仿真，探测器在30-100μm太赫兹波段有平均75％的吸收率。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1示出了本申请的基于氧化钒相变特性的太赫兹波探测器的结构图；

图2示出了本申请的探测器太赫兹波段(30～100μm)的模拟吸收谱。

附图标记：

1.单晶硅衬底；2.氮化硅支撑层；3.第一电极；4.金属反射镜；5.第二电极；6.氧化钒热敏薄膜；7.氮化硅绝缘层。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

说明书附图1示出了本申请基于氧化钒相变特性的太赫兹波探测器的结构图。其包括一个U型单晶硅衬底1、氮化硅支撑层2、第一电极3、金属反射镜4、第二电极5、氧化钒热敏薄膜6、氮化硅绝缘层7。其中单晶硅衬底1可以是200μm厚度的单晶硅厚基片，所述金属反射镜4设置在所述单晶硅衬底1的内侧面，从而探测器桥面和所述金属反射镜4组合形成1/4波长谐振腔。太赫兹波从探测器上方进入，波长满足4倍长度谐振腔间距的太赫兹波将被近100％吸收。优选地，所述金属反射镜4可以由一个铝反射层构成。

在传统的氧化钒探测器中，桥面包括有电极和氧化钒热敏薄膜，在电极两端偏执恒流源，当氧化钒吸收太赫兹波而导致电阻发生变化时，测量电极两端的电压变化就能获得太赫兹波的光功率。而本申请在此基础上进一步对桥面结构进行优化。如图1所示，在氧化钒热敏薄膜6的上下两面还分别生长有通厚度的氮化硅层或者其它氧化硅绝缘层，从而起到必要的绝缘作用。具体地，例如使用氮化硅绝缘层，氧化钒热敏薄膜6上面的氮化硅即形成氮化硅绝缘层7，而氧化钒热敏薄膜6下面的氮化硅层可以直接与单晶硅衬底1相连接形成氮化硅支撑层2。优选地，所述氮化硅层的厚度为10nm。进一步，在所述氮化硅绝缘层7之上以及氮化硅支撑层2之下再分别生长一层金属材质的薄膜以形成第二电极5。考虑到整体结构对吸收率的要求，上述第二电极5的金属薄膜厚度为1-3nm，优选为2nm。金属的材质优选为钛。这样探测器桥面具有两个电极，即氧化钒热敏薄膜6上下两端的第二电极5以及氧化钒热敏薄膜6两侧的第一电极3。在本实施例中，氧化钒热敏薄膜6两侧的电极3也设置在所述氮化硅支撑层2上，优选地，该第一电极3为铝电极。

探测器工作时，在第二电极5例如钛电极上面施加一定的电压，从而使氧化钒热敏薄膜6内部发生电致相变，由于电致相变和温度相变有强烈的相关性，从而通过调节施加在第二电极5上的电压就可以改变所述氧化钒热敏薄膜6的电阻温度系数，进而获得较大的探测灵敏度。另外，所述第二电极5的设置还可以作为探测器的吸收层。

如此基于本申请所提出的探测器的架构，在所述第一电极3两端偏执恒流源，当具有优化的电阻温度系数的氧化钒热敏薄膜6吸收太赫兹波而导致电阻发生变化时，测量所述第一电极3两端的电压变化即可获得太赫兹波光功率。将氧化钒热敏薄膜6的厚度设置为40nm，其它参数如前文对结构的描述，通过仿真，参见说明书附图2，探测器在30-100μm太赫兹波段有平均75％的吸收率，较高的吸收率也说明探测器整体具有较高的灵敏度。

以上对本申请的基于氧化钒相变特性的探测器技术方案进行了说明。通过增加一对电极，利用氧化钒电致相变对电阻温度系数带来的调制，实现了探测器灵敏度的提高。与现有技术相比，本申请的技术方案无需复杂的工艺，且非常有利于大批量生产制作。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种基于氧化钒相变特性的高灵敏度太赫兹单点探测器，所述探测器的桥面包括氧化钒热敏薄膜(6)以及与所述氧化钒热敏薄膜(6)电连接的第一电极(3)，其特征在于：

在平行于所述氧化钒热敏薄膜(6)探测面的方向上，所述第一电极(3)的正负极分别位于所述氧化钒热敏薄膜(6)的两侧；

所述探测器的桥面还包括与所述氧化钒热敏薄膜(6)电连接的第二电极(5)；在垂直于所述氧化钒热敏薄膜(6)探测面的方向上，所述第二电极(5)的正负极分别位于所述氧化钒热敏薄膜(6)的两侧。

2.如权利要求1所述的探测器，所述第二电极(5)为钛电极。

3.如权利要求1或2所述的探测器，所述第二电极(5)的厚度为2nm。

4.如权利要求1或2所述的探测器，在所述第二电极(5)和所述氧化钒热敏薄膜(6)之间还具有氮化硅层。

5.如权利要求4所述的探测器，所述氮化硅层的厚度为10nm。

6.如权利要求1或2所述的探测器，还包括单晶硅衬底(1)和金属反射镜(4)，所述金属反射镜(4)位于所述单晶硅衬底(1)的内侧；

所述探测器的桥面与所述金属反射镜(4)组合形成1/4波长谐振腔。

7.如权利要求6所述的探测器，所述单晶硅衬底(1)为200μm厚度的单晶硅厚基片。

8.如权利要求6所述的探测器，所述金属反射镜(4)由一个铝反射层构成。

9.如权利要求6所述的探测器，所述单晶硅衬底(1)为“U”字型结构；设置在所述氧化钒热敏薄膜(6)朝向所述谐振腔内侧的氮化硅层直接与所述单晶硅衬底(1)相连。

10.如权利要求9所述的探测器，所述第一电极(3)搭载在设置于所述氧化钒热敏薄膜(6)朝向所述谐振腔内侧的氮化硅层上。