熱電堆紅外探測器及其制作方法技術

本發明專利技術提供一種熱電堆紅外探測器及其制作方法，該熱電堆紅外探測器包括：襯底，所述襯底內具有空腔；介質支撐膜，位于所述空腔上方并由所述襯底支撐；熱電堆，位于所述空腔上方的介質支撐膜上；超材料結構，位于所述熱電堆上方，所述超材料結構包括：金屬平面反射鏡；中間介質層，位于所述金屬平面反射鏡上；金屬微結構層，位于所述中間介質層上，其中，所述金屬微結構層包括一種或多種結構周期單元，所述結構周期單元包括一種或多種在紅外光譜范圍內具有光吸收增強效應的幾何圖形單元。本發明專利技術能夠實現紅外波段寬光譜范圍的完美吸收，進而提高熱電堆探測器的紅外吸收率和響應率，并且其制作方法也能與常規CMOS工藝兼容。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及熱電堆紅外探測器技術，尤其涉及一種利用超材料結構作為紅外吸收 體來增強光吸收的。
技術介紹
熱電堆紅外探測器是最早研宄并實用化的紅外成像器件之一，作為一種非致冷型 的紅外探測器，因其具有尺寸小、重量輕、無需致冷、靈敏度高等優點，在安全監視、醫學治 療、生命探測和消費產品等方面有廣泛應用，并且其發展也更為迅速。 熱電堆探測器的工作原理主要基于塞貝克效應：兩種不同的材料或材料相同但逸 出功不同的物體A和B在熱結端相連，如果熱結與冷區間存在溫度差A T，那么在冷區的兩 個梁間就會產生開路電勢差A V，亦稱溫差電效應，通過檢測該電勢差A V可以反應出溫度 差A T，而探測紅外信號的過程也就是"光-熱-電"兩級傳感轉換的過程。 熱電堆紅外探測器主要包括熱電堆和紅外吸收體。其中，紅外吸收體吸收輻射的 紅外光，導致紅外吸收體的溫度升高，紅外吸收體所對應的位置為熱電堆的熱結區，而冷結 區所對應的襯底溫度通常與環境溫度一致，從而引起熱電堆兩端的溫度差。利用紅外吸收 層對紅外輻射光譜的高吸收特性，可以提高探測器的性能。 為了提高熱電堆紅外探測器的紅外吸收率，一般在熱結區涂覆一層高紅外吸收的 材料，如金黑和銀黑等涂層。然而，這種方案的制作工藝涉及到金屬蒸發和金屬納米顆粒的 凝集等工序，與常規CMOS工藝的兼容性差。 直接利用CMOS工藝中的介電層材料（例如氧化硅和氮化硅）作為紅外吸收材料， 雖可以避免涂黑工藝，但這些介電層材料在常用的紅外波長范圍內的吸收率并不高，導致 紅外探測器的響應率有限。 此外，現有技術中還存在多種可作為紅外吸收區的結構來增強光吸收，譬如在紅 外吸收層的上方加一聚焦透鏡。然而，透鏡彎曲度及與芯片距離難以控制，容易產生聚焦的 偏咼。 又譬如，有諧振腔結構利用介質層厚度與入射紅外光的1/4波長相匹配時產生的 諧振效果增強光吸收。然而，受諧振條件的限制，該結構只是對某一特定波長的光輻射有增 強。 雖然上述技術都提供了一定程度的紅外吸收的增強，然而其制作工藝與CMOS工 藝的兼容性以及紅外吸收性能的提升還需進一步的探索，需要更有效的技術方案。
技術實現思路
本專利技術要解決的問題是提供一種，能夠實現紅外 波段寬光譜范圍的完美吸收，進而提高熱電堆探測器的紅外吸收率和響應率，并且其制作 方法也能與常規CMOS工藝兼容。 為解決上述技術問題，本專利技術提供了一種熱電堆紅外探測器，包括： 襯底，所述襯底內具有空腔； 介質支撐膜，位于所述空腔上方并由所述襯底支撐； 熱電堆，位于所述空腔上方的介質支撐膜上； 超材料結構，位于所述熱電堆上方，所述超材料結構包括： 金屬平面反射鏡； 中間介質層，位于所述金屬平面反射鏡上； 金屬微結構層，位于所述中間介質層上，其中，所述金屬微結構層包括一種或多種 結構周期單元，所述結構周期單元包括一種或多種在紅外光譜范圍內具有光吸收增強效應 的幾何圖形單元。 根據本專利技術的一個實施例，所述超材料結構的阻抗為350歐姆?400歐姆。 根據本專利技術的一個實施例，所述中間介質層和金屬微結構層的數量為多個，所述 多個中間介質層和多個金屬微結構層在垂直方向上以相互間隔的方式依次級聯，疊置在所 述金屬平面反射鏡上。 根據本專利技術的一個實施例，所述多個金屬微結構層中，不同的金屬微結構層中包 含不同的結構周期單元，以分別吸收不同波段的紅外光。 根據本專利技術的一個實施例，所述熱電堆紅外探測器還包括： 鈍化層，覆蓋所述熱電堆，所述超材料結構位于所述鈍化層上。 根據本專利技術的一個實施例，所述鈍化層的材料為氧化硅或氮化硅，或者所述鈍化 層為氧化硅與氮化硅形成的復合介質膜。 根據本專利技術的一個實施例，所述結構周期單元的數量為多個，所述多個結構周期 單元在二維方向上周期排布。 根據本專利技術的一個實施例，所述多個結構周期單元在二維方向上的排布周期為1 微米?10微米。 根據本專利技術的一個實施例，所述金屬微結構層的厚度為0. 01微米?0. 2微米。 根據本專利技術的一個實施例，所述金屬微結構層的材料為金、銀、銅、鋁、鈦、鎳和鉻 中的任意一種或任意組合。 根據本專利技術的一個實施例，所述金屬平面反射鏡的厚度大于50納米。 根據本專利技術的一個實施例，所述金屬平面反射鏡的材料為金、銀、銅、鋁、鈦、鎳和 鉻中的任意一種或任意組合。 根據本專利技術的一個實施例，所述中間介質層的厚度為10納米?1500納米。 根據本專利技術的一個實施例，所述中間介質層的材料為二氧化硅、氮化硅、碳化硅、 硅、鍺、聚酰亞胺、三氧化二鋁中的任意一種或任意組合。 根據本專利技術的一個實施例，所述介質支撐膜的材料為氧化硅或氮化硅，或者所述 介質支撐膜為氧化娃與氮化娃形成的復合介質膜。 根據本專利技術的一個實施例，所述熱電堆包括第一熱偶條以及與所述第一熱偶條對 應配合的第二熱偶條，所述第一熱偶條和第二熱偶條部分相接，部分通過絕緣層隔離。 根據本專利技術的一個實施例，所述第一熱偶條和第二熱偶條的材料為A1和多晶硅、 Ti和多晶硅、Au和多晶硅，或者N型摻雜多晶硅和P型摻雜多晶硅。 為了解決上述問題，本專利技術還提供了一種熱電堆紅外探測器的制造方法，包括： 提供襯底； 在所述襯底上形成介質支撐膜； 在所述介質支撐膜上形成熱電堆； 在所述熱電堆上方依次形成金屬平面反射鏡、中間介質層和金屬微結構層，以形 成超材料結構，其中，所述金屬微結構層包括一種或多種結構周期單元，所述結構周期單元 包括一種或多種在紅外光譜范圍內具有光吸收增強效應的幾何圖形單元； 對所述襯底進行刻蝕和/或濕法腐蝕，以在所述熱電堆下方形成空腔。 根據本專利技術的一個實施例，對所述襯底進行刻蝕和/或濕法腐蝕，以在所述熱電 堆下方形成空腔包括： 在所述熱電堆和超材料結構周圍刻蝕形成刻蝕孔，所述刻蝕孔的底部暴露出所述 襯底； 通過所述刻蝕孔對所述襯底的正面進行刻蝕和/或濕法腐蝕，以形成所述空腔。 根據本專利技術的一個實施例，對所述襯底進行刻蝕和/或濕法腐蝕，以在所述熱電 堆下方形成空腔包括： 對所述襯底的背面進行刻蝕和/或濕法腐蝕，以形成所述空腔。 根據本專利技術的一個實施例，所述超材料結構的阻抗為350歐姆?400歐姆。 根據本專利技術的一個實施例，所述中間介質層和金屬微結構層的數量為多個，所述 多個中間介質層和多個金屬微結構層在垂直方向上以相互間隔的方式依次級聯，疊置在所 述金屬平面反射鏡上。 根據本專利技術的一個實施例，所述多個金屬微結構層中，不同的金屬微結構層中包 含不同的結構周期單元，以分別吸收不同波段的紅外光。 根據本專利技術的一個實施例，形成所述超材料結構之前，所述制作方法還包括：形成 鈍化層，所述鈍化層覆蓋所述熱電堆，所述超材料結構位于所述鈍化層上。 根據本專利技術的一個實施例，所述鈍化層的材料為氧化硅或氮化硅，或者所述鈍化 層為氧化硅與氮化硅形成的復合介質膜。 根據本專利技術的一個實施例，所述結構周期單元的數量為多個，所述多個結構周期 單元在二維方向上周期排布。 根據本專利技術的一個實施例，所述多個結構周期單元在二維方向上的排布周期為1 微米?10微米。 根據本專利技術的一個實施例，所述金屬微結構層的厚度為0. 01微米?0. 2微米。 根據本專利技術的一個實施例，所述金屬微結構層的材料為金、銀、銅、鋁、鈦、鎳和鉻 中的任意一種或任意組合。 根據本專利技術本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種熱電堆紅外探測器，其特征在于，包括：襯底，所述襯底內具有空腔；介質支撐膜，位于所述空腔上方并由所述襯底支撐；熱電堆，位于所述空腔上方的介質支撐膜上；超材料結構，位于所述熱電堆上方，所述超材料結構包括：金屬平面反射鏡；中間介質層，位于所述金屬平面反射鏡上；金屬微結構層，位于所述中間介質層上，其中，所述金屬微結構層包括一種或多種結構周期單元，所述結構周期單元包括一種或多種在紅外光譜范圍內具有光吸收增強效應的幾何圖形單元。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：孫福河，聞永祥，劉琛，季鋒，陳雪平，
申請(專利權)人：杭州士蘭集成電路有限公司，
類型：發明
國別省市：浙江;33