[发明专利]一种基于微腔谐振选频的高性能窄带红外探测器

说明书

本发明公开了一种基于微腔谐振选频的高性能窄带红外探测器。探测器利用材料的红外吸收特性结合器件结构的特定设计进而可以实现红外波段的窄带探测。具体来说，通过将探测器设计成特定的微腔结构，基于微腔结构的共振模式，可以实现对入射红外光的窄带选频探测，并且这种共振模式可极大提高器件的吸收量子效率。通过调节掺杂浓度，在提高吸收量子效率的同时还可以有效的降低器件的暗电流，从而实现一种高性能的、免滤波的窄带红外气体探测器。此外，该器件的器件工艺与现有的红外焦平面工艺完全兼容，可以很方便地实现一种具有本征窄带探测性能的红外焦平面探测器芯片。

技术领域

本发明涉及窄带红外气体探测技术，具体是指通过对探测器材料以及器件结构的特殊设计，可以实现一种完全免滤波的，具有像元级窄带探测功能的高性能红外焦平面芯片技术。

背景技术

红外气体成像探测是利用被测气体在特定波段(通常指气体的指纹波长)的红外吸收特性进行红外成像探测的。在对气体成像探测中，通常将探测器的工作波段设计到气体的指纹波长处，由于气体在其指纹波长处具有较强的红外吸收，当气体存在时，到达探测器光敏元的辐射会因气体的存在而明显区别于周围空气背景，从而在所拍摄的图像上呈现出明显的烟雾状态，因此可用来实时监测气体泄漏。红外气体成像探测是一种可以将不可见气体可视化的技术，由于具有探测灵敏度高，可远距离工作，安全，快速，可靠等优点，目前已被广泛应用于工业领域的气体检测。如，石油石化行业中可燃气体(甲烷以及碳氢化合物等)的检测；煤炭开采中有毒有害以及可燃气体的检测；食品、药品行业中制冷剂的泄露检测等。

从技术角度考虑，在红外气体成像探测中，由于气体特征波长处的带宽往往较窄(200nm)，为了提高气体探测灵敏度，通常要求探测器在指纹波长处的响应带宽也较窄(300nm～400nm)，此时探测器将主要接受目标气体的红外辐射信号，而对响应带宽以外的背景信号则可有效屏蔽，这将大大提高系统的探测灵敏度。目前典型的基于带间跃迁的红外探测器(如碲镉汞红外探测器,锑化铟探测器等)，其响应带宽普遍较宽，为了满足气体探测的需求，通常采用的方法是在探测器前加滤光片或分光光栅，使特定波段的红外辐射进入红外探测相机，进而达到提高探测灵敏度的目的。

量子阱红外探测器作为一种基于子带间跃迁的红外探测器，其响应带宽相对较窄(1μm-2μm)，同时大面阵器件性能良好，成品率高，这成为其应用于气体红外成像探测的重要优势。例如在长波红外波段已有基于量子阱红外探测器的用于监测SF₆气体泄漏的(其指纹波长为10.55μm)商用红外成像检测设备(美国FLIR公司)。(注：SF₆气体作为高压断路器和开关设备中作为绝缘介质，一旦发生泄漏就会对电力设施、环境以及人员造成危害)。总体来说，量子阱红外探测器的响应带宽对气体探测而言仍然较宽，现有商业设备依然需要用额外附加的滤光片等来压缩响应带宽进而提升探测灵敏度。另一方面，量子阱红外探测器的吸收量子效率偏低，这也是制约器件性能的重要因素。因此，如果有一种技术，在压缩量子阱红外探测器响应带宽的同时可提高器件吸收量子效率，提升器件总体性能，则对气体的红外成像探测将有重要的应用价值。本发明给出了一种与传统红外焦平面工艺兼容的，可以实现窄带气体探测的高性能红外焦平面芯片技术。其中量子阱材料被设计成特定的微腔结构，利用微腔结构自身的谐振选频功能以及对材料参数的有效优化，使得探测器天然具有窄带探测的功能，同时还可有效提升器件性能。

发明内容