[发明专利]一种立体双层结构的热释电非制冷自选频红外探测器

说明书

技术领域

本发明属于红外探测领域，尤其涉及一种与CMOS工艺兼容的立体双层结构的热释电非制自选频冷红外探测器。

背景技术

红外探测技术已经成为衡量一个国家科技实力的重要技术指标之一，在许多国家的重大需求中都有充分的体现。作为红外探测技术的分支，非制冷红外探测技术因其具有功耗小、响应频谱宽等特征在国防和民用方面持续不断的需求牵引下显示出越来越重要的作用。基于热释电材料的非制冷红外探测技术(热释电探测)因其具有响应速度快、性能高等特点，在国防安全、医学、警戒等众多领域具有广泛的用途，从而受到高度重视。

目前基于CMOS工艺的热释电非制冷红外探测器普遍采用传统的平面热电偶，由铝和多晶硅构成。因为铝的热导率很高，极易将热电偶热端的热量传递给冷端，造成两端的温度差变小，使得热电偶产生的电势差变小，这就要求电压读出电路具有更高的灵敏度和分辨率。

另外，红外吸收器也是热释电非制冷红外探测器的关键原件。传统的红外吸收器通常利用材料本身的吸收性纸，但其吸收率不高，在50％以下。基于黑金和碳纳米管的红外吸收器虽吸收效率极高，但难以与CMOS工艺兼容，且成本高，对特定波长探测时需要滤光片，增加系统的复杂度。

因此，如果能克服以上的不足，将极大地有利于提高热释电非制冷红外探测器的性能。

发明内容

为了解决现有技术缺点，本发明提供一种立体双层结构的热释电非制冷自选频红外探测器。本发明的解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种立体双层结构的热释电非制冷自选频红外探测器，包括硅基底、多个立体双层结构的热电偶、一种三层结构的自选频红外吸收器、接触高电极、接触低电极和二氧化硅薄膜。

一种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。

一种三层结构的自选频红外吸收器置于二氧化硅薄膜上，俯视形状为正方形，四边分别与多个立体双层结构的热电偶的热端接触。每个立体双层结构的热电偶位于二氧化硅薄膜上，且每个立体双层结构的热电偶之间有一条贯穿整个二氧化硅薄膜的缝隙，作为立体双层结构热电偶之间的热隔离。二氧化硅薄膜下的硅基底是一个空腔。

一种立体双层结构的热电偶，包括n型多晶硅、p型多晶硅、第一金属导电片、第二金属导电片、第三导金属导电片、第四金属导电片、第五金属导电片、第六金属导电片和二氧化硅绝缘层。

用二氧化硅绝缘层将长方体形状的n型多晶硅与外界环境隔离开。在n型多晶硅上方的二氧化硅绝缘层上沉积体积稍小的长方体p型多晶硅，用二氧化硅绝缘层将p型多晶硅与外界隔离开。

在n型多晶硅两端上方的二氧化硅绝缘层上各开一小口，将第一金属导电片和第二金属导电片通过这两个小口分别与n型多晶硅接触。在p性多晶硅两端上方的二氧化硅绝缘层上各开一小口，将第三金属导电片和第四金属导电片通过这两个小口分别与p型多晶硅接触。同侧的第一金属导电片和第三金属导电片用第五金属导电片连接，另一侧的第四金属导电片用第六金属导电片连接，并引入到立体双层结构的热电偶的一侧。

将两个或两个以上立体双层结构的热电偶并排放置，通过串联方式构成一个热电堆。

两个立体双层结构的热电偶具体的串联方式为：将第一立体双层结构的热电偶的第六金属导电片与第二立体双层结构的热电偶的第二金属导电片接触；将第一立体双层结构的热电偶的第二金属导电片和第二立体双层结构的热电偶的第六金属导电片分别作为高电极和低电极进行电压输出。

本发明的有益效果是：

(1)与传统的掺杂多晶硅和铝构成的单层结构热电偶相比，本发明的热电偶由一对n 型多晶硅和p型多晶硅构成，铝在其中的作用是连接n型和p型多晶硅并输出电压，热量只能在掺杂多晶硅中传输；由于多晶硅相对于铝具有更高的塞贝克系数、更低的热导率，本发明所述的热电偶具有更高的温度灵敏度和更大的输出电压；双层结构n/p的两种掺杂在不同材料层，烧结过程不会导致两种载流子的相互作用，因此可以更紧密的排布热电偶，提高空间利用率，进而提高器件的性能。

(2)本发明采用的一种三层结构的自选频红外吸收器，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