[发明专利]一种基于氮化钛纳米薄膜的三层结构的自选频红外吸收器

说明书

技术领域

本发明属于红外光探测领域，尤其涉及一种基于氮化钛纳米薄膜的三层结构的自选频红外吸收器。

背景技术

红外探测在火灾探测、火山喷发探测、气体传感等领域具有广泛的应用价值。红外吸收器是中红外探测设备的关键器件。传统的红外吸收器利用材料本身对红外光进行吸收，例如利用氮化硅、二氧化硅来吸收中红外光。但由于受限于材料本身的性质，其吸收率在50%以下。为了提高器件的吸收率，科学家制作了基于黑金和碳纳米管的红外吸收器。基于黑金的吸收器能对全红外波段进行全吸收，但这种材料无法与CMOS兼容，所以无法制作在基于CMOS的传感系统中。基于碳纳米管的红外吸收器也能对全红外波段进行全吸收，但利用后CMOS工艺才能集成在基于CMOS的传感系统中。另外，基于黑金和碳纳米管的红外吸收器制作成本昂贵，没有频率选择的特性，在对某一种物质的探测时，需要增加与此物质红外吸收峰波长对应的滤光片，例如CO₂的吸收峰为4.25μm，则需要在红外吸收器的前端增加透光波长为4.25μm的滤光片，这极大地增加了系统的复杂程度和制作成本。

因此，有必要开发一种既能与CMOS工艺兼容又能对特定波长的红外光进行吸收的高性能红外吸收器。

发明内容

为了解决现有技术缺点，本发明提供一种基于氮化钛纳米薄膜的三层结构的自选频红外吸收器。本发明的解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于氮化钛纳米薄膜的三层结构的自选频红外吸收器，包括氮化钛纳米薄膜、介电层和高电导率金属反射层。

介电层在高电导率金属反射层上，氮化钛纳米薄膜在介电层上。

进一步的，氮化钛纳米薄膜厚度为1nm，面电阻为189Ω/□；介电层的厚度对应的光程为所吸收的红外光波长的1/4。

红外光入射到氮化钛纳米薄膜上，由于1nm厚的氮化钛纳米薄膜与大气实现了阻抗匹配，氮化钛纳米薄膜对大气中红外光的反射为0。氮化钛纳米薄膜吸收了入射红外光能量的50%，剩余部分的入射红外光能量透射过氮化钛纳米薄膜进入到介电层。高电导率金属反射层又将介电层中的红外光全反射。由于介电层的厚度对应的光程为所吸收红外光波长的1/4，使得在介电层中该波长的红外光干涉增强，经过多次全反射，氮化钛纳米薄膜吸收剩余的50%红外光能量。因此，一种基于氮化钛纳米薄膜的三层结构的自选频红外吸收器能对特定波长的红外光具有100%的吸收率。

本发明的有益效果是：结构简单，制作成本低，无需额外的滤光器；兼容CMOS工艺，可直接制作在基于CMOS的红外传感器上；对特定波长的红外光实现几乎100%的高效吸收。

附图说明

图1为一种基于氮化钛纳米薄膜的三层结构的自选频红外吸收器的侧视图。

图2为吸收率与波长的关系图。

具体实施方式

下面结和附图与具体实施方式对本发明做进一步说明：

如图1所示，一种基于氮化钛纳米薄膜的三层结构的自选频红外吸收器，包括氮化钛纳米薄膜1、介电层2、高电导率金属反射层3。

具体的，介电层2在高电导率金属反射层3上，氮化钛纳米薄膜1在介电层2上。

进一步的，氮化钛纳米薄膜1厚度为1nm，对应的面电阻为189Ω/□；介电层2的厚度对应的光程为所吸收的红外光波长的1/4。

进一步的，高电导率金属反射层3采用Sputter方式制成；介电层2采用PECVD工艺制成；氮化钛纳米薄膜1采用ALD工艺制成。以上三种工艺均与CMOS工艺兼容。

一种基于氮化钛纳米薄膜的三层结构的自选频红外吸收器的原理如下：

红外光入射到氮化钛纳米薄膜1上，具有特定面电阻的氮化钛纳米薄膜1吸收50%的入射红外光能量。剩余的红外光能量全部投射过氮化钛纳米薄膜1进入到介电层2。高电导率金属反射层3又将介电层2中的红外光全反射至氮化钛纳米薄膜上1。由于介电层2的厚度为所吸收红外光波长的1/4，使得在介电层2形成的法布里-玻罗腔中特定波长的红外光干涉增强，而在氮化钛纳米薄膜1吸收该波长的红外光剩余的50%能量。因此，有特定厚度的氮化钛纳米薄膜1和介电层2，对特定波长的红外光具有几乎100%的吸收率。

一种基于氮化钛纳米薄膜的三层结构的自选频红外吸收器的吸收率为

其中，