[发明专利]一种响应波段可选的非制冷红外探测器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种响应波段可选的非制冷红外探测器及其制备方法。器件直接采用硅基CMOS读出电路作为衬底，可实现单片式集成。选用具有宽波段响应特性的锰钴镍氧热敏电阻薄膜作为红外吸收层，采用无传统微桥的新型探测器结构，不存在微桥结构可能面临的桥面坍塌风险，提高了成品率，降低了制备成本，并可实现全波段响应。在此基础上，结合三个大气窗口的带通滤光片的循环切换，通过对不同波段的信号数据进行加减融合等算法处理，实现单波段、双波段、三波段和全波段探测功能，可获取更丰富的目标信息，提高成像对比度，增加目标识别能力。本发明器件及其制备方法工艺成熟，与标准的硅集成电路工艺兼容，适用于单元、线列及面阵红外探测器。

技术领域

本发明涉及红外探测器，具体是指一种具有单波段、双波段、三波段和全波段探测功能的响应波段可选的热敏电阻薄膜型非制冷红外探测器及其制备方法。

背景技术

红外探测器在民用和国防军事领域都有着非常广泛的用途，如红外热成像、气象遥感、防火报警、非接触测温、医疗诊断、导弹预警和拦截等诸多方面。红外探测器通常分为制冷型和非制冷型两大类。以碲镉汞等传统窄禁带半导体为代表的光子型探测器，为获得器件的高性能响应，需要复杂的制冷装置，高成本限制了其广泛推广应用。非制冷型红外探测器无需复杂的制冷系统，可在室温下工作，虽然探测性能低于制冷型探测器，但已能满足绝大多数民用和军事应用，特别是其具有低成本优势，已经占据了当前红外探测器市场的绝大多数份额。非制冷红外探测器是未来红外探测器进一步大规模推广应用的发展趋势。

宽光谱、多波段或多色探测是下一代红外探测器的主要发展方向和要求，相比于单波段探测，可探测更丰富的目标信号，获得更多的光谱信息，提升温度的探测精度，提高成像的对比度，降低目标的虚警率，增加目标的识别能力。目前已实现多色探测功能的主要是基于碲镉汞、量子阱和超晶格等三类制冷型探测器，这些探测器属于光子探测型的，通过调节材料组分或能带制备成叠层结构来实现多波段响应，其制备工艺复杂，对组成器件的各功能层材料的表面、界面性能要求苛刻，目前能够实现的探测器件主要还是局限于双波段或双色响应。热敏电阻型红外探测器是一类非常重要的非制冷红外探测器，基本原理是通过测量目标红外热辐射引起的热敏材料电阻的变化来实现对红外热辐射的探测。热敏电阻材料的电阻温度系数(Temperature coefficient of resistance，TCR)是决定探测性能的重要参数之一。目前，以氧化钒(VO_x)、非晶硅(a-Si)等传统热敏材料为代表的热敏电阻型红外探测器已商业化应用，但在室温下这些材料的TCR绝对值相对偏低，比如室温下VO_x和a-Si的TCR都约为-2％/K，限制了探测性能的提升。因此，需要进一步开发具有高TCR绝对值的新型热敏材料。此外，这类非制冷型探测器采用了微桥谐振腔结构，通常微桥的高度设计成1/4波长，导致响应波段单一，比如针对室温物体探测(如300K，对应～10μm的辐射峰值波长)，需设计微桥高度约为2.5μm，探测器相应的光谱响应范围约为8-14μm。微桥结构的使用会增加器件工艺的复杂性，为形成微桥，需要额外制备牺牲层、支撑层和钝化层，需要额外的刻蚀工艺，如果高度高的话，难度还会增加，存在桥面坍塌的风险，成品率会降低，进而增加制备成本。此外，传统的微桥制备工艺与标准的硅集成电路工艺不兼容，比如微桥制备包含诸如约750度的高温工艺要求，而硅基读出电路的最高耐温只有约450度。

关于双色/多色非制冷红外探测器，目前公开报道的文献相对很少。专利[甘先锋，杨水厂，王宏臣，陈文礼，“一种非制冷双色红外探测器MEMS芯片及其制造方法”，授权公告号：CN 107117578 B]公开了一种非制冷红外探测器的制备结构和制备方法，采用两种不同高度的微桥结构组合的方式来实现双波段的探测，但这种双微桥结构将显著增加制备工艺难度，降低成品率，进一步推升制备成本。

发明内容

基于上述已有技术存在的种种问题，本发明的目的是提出一种具有单波段、双波段、三波段和全波段探测功能的响应波段可选的热敏电阻薄膜型非制冷红外探测器及其制备方法。