[发明专利]一种低热导的太赫兹探测单元微桥结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及太赫兹探测，以及非制冷红外探测领域，具体涉及一种用于太赫兹微测辐射热计的微桥结构与制备方法。

背景技术

红外探测器把不可见的红外辐射转化为可检测的电信号，实现对外界事物的观察。红外探测器分为量子探测器和热探测器两类。热探测器又称非制冷红外探测器，可以在室温下工作，具有重量轻，集成度高，成本低可靠性强等多优点，在军事，商业和民用等领域具有广泛的应用前景。非制冷红外探测器主要包括热释电，热电偶，热敏电阻三种类型。其中给予热敏电阻的微测辐射热计是焦平面探测器，是今年发展迅猛的，应用极为广泛的一种非制冷红外探测器(Leonard P.Chen，“Advanced FPAs for Multiple Applications”Proc.SPIE，4721，1-15)。

太赫兹波常指频率在0.1THz-10THz范围内的电磁波。由于所处频段较特殊，属于宏观电子学和微观光子学的过渡范围，因此THz波表现出一系列不同于其他频段电磁波的独特性质，使之在军事和民用领域(如成像、通信、遥感、雷达、天文、生物医学等)具有重要的科研价值及广阔的应用。与其他波相比，太赫兹波的特点有①太赫兹辐射的频率范围很宽，它几乎覆盖了各种大分子的转动频率和震荡频率；②太赫兹辐射的能量很小，只有几毫电子伏特，不容易破坏被检测的物质；③太赫兹辐射有着很高的空间分辨率和时间分辨率；④太赫兹辐射具有对某些物质的穿透性；⑤太赫兹辐射的时域频谱信噪比很高，目前，对太赫兹辐射强度测量的信噪比可大于10¹⁰。太赫兹探测器是是把更长的太赫兹波段(30-3000μm)的电磁波辐射转化为可检测的电信号，实现对外界事物的观察，同样具有重要的军事和民用前景。太赫兹探测器也有多种型号，其中非制冷太赫兹飞测辐射热计与红外微测辐射热计具有类似的结构。可以通过对后者的改进来获取，是太赫兹的重要应用面。微测辐射热计是红外及太赫兹探测器件的重要应用之一，微测辐射热计的红外或者太赫兹探测过程，主要通过悬浮的微桥结构来完成，其主要原理是光吸收层接受外界的太赫兹辐射导致微桥温度发生变化，温度的变化导致热敏电阻薄膜的电阻发生变化，这种电学性能的变化通过电极检测，并传寄到读出电路，完成信号处理、成像。所以悬浮微桥是影响此类探测器制造成败或者性能高低的性能的关键因素因素，其中微桥的形状和结构，桥腿的稳定性和绝缘性等是重要的影响因素。

对于非制冷探测器的性能的主要限制因素是热绝缘问题，两条细长的桥腿起到机械支撑、电连通和热绝缘三个作用。20世纪90年代Honeywell公司首先研制出I型桥腿结构的非制冷红外微测辐射焦平面，参见1994年2月15日授权的Honeywell公司Barrett E.Cole申报的美国专利USP5286976。但是这种微桥结构的优点是结构简单，性能稳定，制备工艺容易实现。但是微桥桥腿并没有达到良好的绝热效果。同时桥腿占据了一定的桥面面积，减少了光学吸收面积，导致器件性能下降，限定了器件的进一步提高。所以传统的微桥结构很难满足器件高性能的要求。

随后在这种结构基础上，BAE SYSTEMS研制出L型桥腿非制冷红外探测器，增加了桥腿的长度，减小了桥面面积，用这种设计的探测器性能有所提升，但是随着桥面面积的减小，光学填充因子也随之下降，降低了器件的灵敏度。基于这一点，2003年12月23日授权的Raytheon公司Michael Bay申报的美国专利USP6667479，提出一种新型S型双层微桥结构。这种双层微桥结构包括上下两个独立的桥面，其中敏感层及光吸收层都集中在上桥面，如传统的单层桥面结构；下桥面仅由电极及介质材料构成，且下桥面呈弯曲S型结构，隐藏在桥面下方。这种结构S型桥腿较长，所以绝缘性较好，但是S型桥腿的力学稳定相对较差，容易导致桥腿曲变，薄膜脱落，甚至坍塌。

另一种典型的双层结构是2001年12月23日授权的Boeing公司Eugene T.Fitzgibbons申报的美国专利USP6307194.这种微桥结构的特点是器件的敏感层处在下桥面，而光吸收层独立处在桥面上，上下两个桥面之间通过一根导热连接柱连接起来，呈伞型双层结构。这种结构的优点是将光吸收层和热敏薄膜独立分开，伞状吸收平面提升了器件的填充率。这种结构还能相应的调整热容和热导，有利于最大限度的吸收光辐射，提高响应率，降低了噪声损耗。伞状结构比S型结构更加稳定，工艺也相对简单，适合大规模生产。但是伞状结构上下两层只是通过一根导热连接柱连接，这使得下层桥面受热匀，导致热敏薄膜转化电信号不均匀，输出信号不稳定，而极大的影响了器件性能。