[发明专利]基于黒硅的高性能MEMS热电堆红外探测器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种红外探测器及其制备方法，尤其是一种基于黒硅的高性能MEMS热电红外探测器及其制备方法，属于MEMS红外探测器的技术领域。

背景技术

MEMS热电堆红外探测器是传感探测领域的一种典型器件，是组成温度传感器、均方根转换器、气敏传感器、热流量计等传感探测器件的核心部件之一，与此同时，小尺寸热电堆红外探测器还可构建红外焦平面阵列（FPA）器件实现红外成像。热电堆红外探测器与基于其它工作原理的红外探测器（如热释电型红外探测器和热敏电阻型红外探测器等）相比具有可测恒定辐射量、无需加偏置电压、无需斩波器、更适用于移动应用与野外应用等明显的综合优点。因而，MEMS热电堆红外探测器对于实现更为宽广的红外探测应用具有非常重要的意义，其民用、军用前景广阔，商业价值和市场潜力非常巨大。可以说，关于MEMS热电堆红外探测器的研究开发工作已形成21世纪一个新的高技术产业增长点。可以预见，MEMS热电堆红外探测器将在传感探测的众多方面形成更加广泛的应用。特别是，随着微机电技术，包括器件设计、制造、封装和测试等技术手段的日益成熟，MEMS热电堆红外探测器将凸显更加重要的地位。

响应率和探测率是描述红外探测器的两个重要性能指标，决定了红外探测器在不同领域的应用潜力。其中，响应率是器件输出电信号与入射红外辐射功率的比值，表征了红外探测器响应红外辐射的灵敏度，同时又很大程度地影响着探测率的值。对热电堆红外探测器而言，热偶条热端与冷端之间的温度差是反映器件响应率和探测率大小的一个重要参数。为了增大温度差以提高器件的响应率和探测率，需要尽可能保持冷端温度与基底温度相一致，同时热端能有效传递红外吸收区所吸收的热量至热偶条。为了达到这一效果，在冷端与基底材料之间以及热端与红外吸收区之间制作热导通结构就显得十分必要；考虑到热电偶之间电学串联的特点，该热导通结构还需同时具备电学隔离的作用。现有的热电堆红外探测器一般将衬底作为热沉体，使热偶条的冷端与衬底直接搭连，又使热端与吸收区直接搭连，因为衬底和吸收区材料可能具有一定的导电能力，因而采用这种直接搭连的方法将影响热电堆红外探测器的输出特性，最终影响器件的性能。

对于结构（包括热导通/电隔离结构）、尺寸参数以及热偶材料等均已确定的热电堆红外探测器，其响应率和探测率的值取决于红外吸收区对红外辐射的吸收效率。氮化硅薄膜在红外探测器的研究中常用作红外吸收区的材料，然而氮化硅在1-12μm波长范围内所能达到的最高红外吸收效率仅为35%左右，进而，基于氮化硅红外吸收层的热电堆红外探测器无法获得很高的响应率和探测率。鉴于此，要提高探测器的响应率和探测率，应增大红外吸收区的吸收效率。在对红外探测器进行研究的数十年中，科研人员已经开发出了多种具有高吸收率且可作为红外吸收区的材料或结构。其中，金黑因其表面的纳米粗糙结构而具有很好的红外吸收效果，又因其热容较低，进而在红外探测器的研究中成为一种倍受欢迎的材料。采用金黑材料为红外吸收区时，器件的响应率和探测率可相应提高。然而，金黑的制备工艺涉及到金属蒸发和金属纳米颗粒的凝集等工序，过程较为复杂，并且其与CMOS工艺的兼容性也较差，一般只能在器件结构加工完成后再将其制作在结构的表面。鉴于此，以黑金为吸收区的探测器其大批量的生产就受到了限制。1/4波长谐振结构利用介质层厚度与入射红外光波的1/4波长相匹配时所产生的谐振效果使红外吸收区的吸收效率达到最大。然而，受谐振条件的制约，以1/4波长谐振结构为吸收区的探测器只能敏感中心波长为某一特定值的红外辐射。此外，制备1/4波长谐振结构时对工艺参数的要求极其严格苛刻，若介质层厚度与波长之间稍有不匹配，将造成红外吸收效率的极大衰减。