[实用新型]一种像素单元及其构成的红外成像探测器

说明书

技术领域

本实用新型属于红外探测技术领域，涉及具有纳结构光敏元的背照明红外探测像素单元、由该像素单元构成的非致冷红外成像探测器。

背景技术

当前基于微测辐射热计原理的非致冷红外成像探测器均采用前照明热敏薄膜吸收探测方式。图1为以前照明方式工作的微测辐射热计探测器的像素垂直截面图。含有光敏薄膜的红外吸收层12通过两侧的支撑桥腿13悬浮于含有读出电路(ROIC)的硅衬底21表面，支撑腿13表面同时还含有导电电极使得光敏单元的两端分别与ROIC的电接触点14连接，构成电回路。红外辐射入射到光敏单元上被吸收后转化成热使得敏感薄膜的电阻发生变化，该变化量被读出电路检出。大量像素单元组成二维阵列形成面阵探测器，可以实现凝视红外成像。

图1中的像素结构中含有光敏薄膜的红外吸收层不直接与硅衬底接触而是悬浮于硅衬底之上，其目的是减小热导，增强光吸收后的温升，获得更高的光响应率。同时为了获得快的响应时间实现高帧频探测，红外吸收层12常采用厚度小于1微米的低热质量多层膜结构，部分未被吸收的红外光被衬底表面的金属层11反射后返回红外吸收层。通过控制红外吸收层12与金属层11的间距使之组成四分之一波长谐振空腔，可以在谐振波长附近获得80％以上的吸收率。但是图1的像素结构由于支撑腿占用了一定的像素面积，故探测器的填充因子不高，红外光的能量利用率低，同时红外吸收层的热质量仍然较大，限制了响应速度的进一步提高。改进的技术采用三层结构，如美国专利USP6144030中通过增加中间第二层用于放置支撑腿，上层红外吸收层通过短而细的支撑柱与下方第二层的支撑腿连接，对于30μm×30μm的像素单元，填充因子可高于85％。但是这种改进的结构制备工艺复杂，可靠性差，成本难以降低。

实用新型内容

本实用新型提供了一种像素单元及其构成的红外成像探测器，目的在于提高探测器的填充因子和器件响应率，提高可靠性，并降低生产成本。

本实用新型提供的一种像素单元，其特征在于，它包括由下至上的依次设置的支撑层、键合层、介质层、光敏单元层、读出电路层以及微透镜层，所述读出电路层和光敏单元层位于硅衬底的同一面，所述微透镜层位于硅衬底的另一面，所述光敏单元为由导电金属或半导体材料制作的纳结构，并位于像素单元中心，所述光敏单元被读出电路环绕，且与读出电路互连，所述微透镜用于将入射的红外光会聚并聚焦至光敏单元，光敏单元用于吸收和探测红外光。

所述纳结构可以为纳米点、纳米线、纳米杆，或者星形、多边形或分形图形的纳米结构。

上述技术方案可以采用下述任一种或任几种方式进行改进：(一)所述光敏单元周围设有隔离槽，用于将光敏单元与四周的硅衬底进行热隔离，同时使电极引线部分悬空减少通过引线的的热传导损失；(二)所述支撑层表面设有凹腔阵列，凹腔内表面镀有金属反射膜，用于将光敏单元未被吸收但到达凹腔表面的光反射回光敏单元，以实现增强吸收；(三)所述光敏单元四周开有锥形槽，使像素中心区域形成一个上宽下窄的锥形台面，该锥形台面的侧面用于对微透镜会聚的红外光进行反射并使其进入到所述的光敏单元中；(四)所述光敏单元两端通过电极线与像素单元内的读出电路的电接触点进行电互连，所述光敏单元两侧设有天线，天线用于收集汇聚到锥形台面的部分红外谐振辐射收集，产生表面电流，并在纳米线附近激发增强的电磁场强，以提高纳米线对谐振红外辐射的吸收能力；(五)所述光敏单元为纳米线，纳米线两侧设有偶极天线，偶极天线的两臂与纳米线垂直，并覆盖天线中间的馈入点；(六)所述天线为对数天线、螺旋形天线或蝶形天线。

本实用新型提供了由上述像素单元构成的红外成像探测器，该红外成像探测器由呈二维阵列分布的像素单元构成。

本实用新型提供的背照明纳结构探测器的结构和具有这样的有益效果：(1)背面微透镜有助于提高填充因子,进而提高器件的响应率；(2)纳结构光敏单元的热质量很小，可显著提高探测器的响应速度；(3)制备工艺简单，有利于降低成本。

附图说明

图1是传统的非致冷探测器单个像素的垂直截面图；

图2是本实用新型的一种背照明非致冷红外探测器单个像素的垂直截面图；

图3是以二维阵列形式密集排列构成的探测器像素阵列的正面图(不含无源支撑片)；

图4是本实用新型的一种带有热隔离空腔和球面反射镜的背照明非致冷探测器单个像素的垂直截面图；

图5是本实用新型的一种有源片上带有锥形台面的背照明非致冷探测器单个像素的垂直截面图；