[发明专利]一种柔性宽波段非制冷红外探测器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种柔性宽波段非制冷红外探测器及其制备方法。器件先采用硅片作为衬底，在其上生长水溶性牺牲层，最后通过在水中溶解牺牲层的剥离工艺去除硬质硅片衬底，剥离后的硅片可重复使用，制备成本低。器件本身是一种自支撑结构，热容量小，有利于提高器件响应速度。器件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，不含传统的微桥制备工艺，不会形成响应波段较窄的谐振腔结构，工艺简单易操作，可实现宽波段探测。器件柔韧性好，质量轻，防震性能高，易于转移到柔性读出电路上，应用于柔性可穿戴感知等智能化电子系统中。本发明器件及其制备方法工艺成熟，与标准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

本发明专利涉及红外探测器，具体是指一种柔性宽波段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

自然界中任何高于绝对零度(-273.13摄氏度)的物体都会向外辐射红外信号，红外探测器是一种将红外辐射信号转变为电信号输出的器件，在民用和军事领域都具有非常广泛的用途，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，是未来红外探测器进一步大规模推广应用的发展趋势。其中，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)和器件所采用的结构是决定探测器性能的两方面主要因素。

与金属热敏材料相比，半导体热敏材料具有较高的TCR绝对值，是研制非制冷红外探测器的首选，其中氧化钒(VO_x)、非晶硅(a-Si)等是常用的热敏电阻材料。虽然基于VO_x、a-Si等传统热敏电阻半导体材料的非制冷红外探测器已有商业化应用，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，传统的热敏型探测器通常采用微桥谐振腔结构，通常将微桥的高度设计成1/4波长，导致响应波段较窄，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，探测器相应的响应波段约为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。另外，如上所述，微桥谐振腔具有波长选择性，只能响应某一相对较窄的波段，而实际目标在全波段(如1～50μm)范围内都存在红外辐射，因此微桥谐振腔结构的使用在一定程度上还会导致许多有用的目标红外辐射信息的丢失。

随着信息技术的发展，具有传感功能的柔性电子元器件是未来智慧生活的发展需求，柔性电子的诞生为经典电子学的发展提供了新的方向，触发了新形态电子设备的产生，也将使人们的日常生活发生革命性的变化。如可折叠、可卷曲、柔性显示器将改变现有图片和影视的呈现形式，使手机、电视等消费电子产品的形态更新颖、轻便。对于红外传感领域，目前的红外探测器主要还是基于半导体热敏或光敏材料在硬质衬底上加工而成，结构刚性、笨重，形状固定不变，限制了在诸如柔性可穿戴感知等智能化电子系统中的应用。

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柔性的具有宽波段响应特征的新型热敏电阻薄膜型非制冷红外探测器及其制备方法。