[发明专利]双层氧化钒薄膜组件及双波段红外探测单元及其制备方法

说明书

本发明公开了一种双层氧化钒薄膜组件，属于红外探测与成像技术领域，解决了现有的双波段阵列探测器的微桥结构存在的需要使氧化钒薄膜发生半导体相‑金属相的可逆相变，且在红外波段只是针对长波红外(8～14μm)的探测应用的问题，包括下层连续氧化钒薄膜和上层周期结构氧化钒薄膜，上层周期结构氧化钒薄膜固定于下层连续氧化钒薄膜的上表面上；上层周期结构氧化钒薄膜内集成二维周期性光陷阱结构吸收近红外线(0.7～2.5μm)或中红外线(3～5μm)辐射，因此能够覆盖两个红外波段的大气窗口，下层连续氧化钒薄膜和上层周期结构氧化钒薄膜同时作为两个红外波段的热敏感层。

技术领域

本发明涉及红外探测与成像技术领域，具体涉及一种双层氧化钒薄膜组件。

背景技术

红外探测技术作为对人类感官的补充和扩展，在民用和军用方面得到了广泛的应用。目前比较成熟的光子探测器已经应用到了通信、医学、军事等领域，但因为其工作时必须制冷，造成整个系统庞大，结构复杂而且成本偏高，从而无法大规模的推广应用。大规模集成电路技术的发展使非制冷红外探测器的研制成为可能。目前非制冷红外焦平面阵列(IRFPA)技术已经成为红外探测技术最主流的方向，这种技术使我们在常温下就能获得具有很高敏感性能的红外探测器。另外，其成本低、体积小、重量轻、功耗小和响应波段宽等很多优点，使其大规模的市场化成为可能。

目前非制冷红外焦平面探测器的主流技术为热敏电阻式微测热辐射计。要实现室温下的红外探测，探测结构的设计是非制冷红外焦平面器件的关键。微桥结构是一种典型的探测结构。采用光刻方法在牺牲层上制作出支撑层和敏感层图案而最后去除牺牲层的方法，可以形成一个独立式的热绝缘微桥结构。微桥由桥墩、桥腿和桥面组成，制作在带有读出电路的衬底上，桥墩支撑起桥腿和桥面，使桥腿和桥面悬空，红外吸收层与热敏薄膜淀积在桥面上。在器件工作时，采用锗制作的透镜来收集和聚焦红外辐射到位于光学系统焦平面上的敏感元件阵列上，目标红外辐射的变化被桥面上的红外探测薄膜探测到，反映到热敏薄膜温度和电阻的变化，通过制作在微桥中的电学通道将这一变化传递到衬底读出电路，还原成图像信息，实现对目标信号的探测。为了充分利用物体的红外辐射，通常在牺牲层底部增加一层反射结构以提高敏感层对红外辐射的吸收，通常认为敏感层与反射层距离为入射红外光线波长的1/4时形成的微腔吸收效果最好。

根据使用的热敏电阻材料的不同，非制冷红外焦平面探测器可以分为氧化钒(VOx)探测器和非晶硅探测器两种。氧化钒技术由美国的Honeywell公司在90年代初研发成功，目前其专利授权BAE、L-3/IR、FLIR-INDIGO、DRS、NEC、以及SCD等几家公司生产。非晶硅技术主要由法国的CEA/LETI/LIR实验室在九十年代末研发成功，目前主要由法国的SOFRADIR和ULIS公司生产。氧化钒对室温电阻温度变化很敏感，可得到较大的电阻温度系数(TCR，一般为–2％/K～–3％/K)，电阻值可控制在几千欧至几万欧，1/f噪声较低，同时薄膜沉积技术成熟，是目前非致冷红外焦平面探测器首选的热敏电阻材料。Raytheon、BAE、DRS、Indigo、NEC以及SCD等公司都能生产160×120～640×480阵列的氧化钒非致冷红外焦平面探测器，其噪声等效温差(NETD)为20～100mK。目前，BAE和DRS公司都正在研究1024×1024阵列、像元尺寸15μm、NETD为50mK的大规模氧化钒非致冷红外焦平面探测器。