双层结构的非制冷红外焦平面阵列探测器制造技术

本发明专利技术涉及一种双层结构的非制冷红外焦平面阵列探测器，所述探测器由衬底、桥面层、至少一个桥腿层组成，为双层结构：上层桥面层与和下层桥腿层；所述桥面层由红外热辐射吸收层和热敏感层组成；所述桥腿层由支撑层和金属导电层组成；所述桥面层和桥腿层位于上下两个、相互平行的平面上且通过电传导锚柱固定连接；所述桥腿层悬空在衬底之上且通过另一电传导锚柱与衬底连接；所述衬底为读出集成电路衬底，表面上设置有红外辐射反射层。本发明专利技术通过将非制冷红外探测器分置成双层结构来实现，能够有效地提高探测器单元的填充效率，从而增强对红外热辐射的吸收，并且折线桥腿结构能够有效地提高探测器的绝热能力，降低其热量损失，提高了整体探测性能。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及一种双层结构的非制冷红外焦平面阵列探测器，所述探测器由衬底、桥面层、至少一个桥腿层组成，为双层结构：上层桥面层与和下层桥腿层；所述桥面层由红外热辐射吸收层和热敏感层组成；所述桥腿层由支撑层和金属导电层组成；所述桥面层和桥腿层位于上下两个、相互平行的平面上且通过电传导锚柱固定连接；所述桥腿层悬空在衬底之上且通过另一电传导锚柱与衬底连接；所述衬底为读出集成电路衬底，表面上设置有红外辐射反射层。本专利技术通过将非制冷红外探测器分置成双层结构来实现，能够有效地提高探测器单元的填充效率，从而增强对红外热辐射的吸收，并且折线桥腿结构能够有效地提高探测器的绝热能力，降低其热量损失，提高了整体探测性能。【专利说明】双层结构的非制冷红外焦平面阵列探测器
本专利技术涉及用于红外成像系统
中的一种双层结构的非制冷红外焦平面阵列探测器，针对的红外辐射波长范围是8?14 μ m。
技术介绍
根据普朗克黑体辐射定律，任何物体在绝度零度以上都会向外界发射红外电磁热辐射，这种辐射的光波范围约是0.8?1000 μ m,并不能为人眼所直接看见。在常温下(300K)，黑体辐射的发射谱中心波长正好在10 μ m波段附近；并且人体以及环境中温度相近的其它物体所发射的红外热辐射，38%的能量集中在波长8?14 μ m范围内，因此，该波段更适合强烈阳光、漆黑夜晚或者恶劣天气下的探测需要。能够探测红外光波的红外辐射探测器，按探测原理分为光子型和热敏电阻型探测器。光子型需要工作在液氮(约77K)制冷的环境中，而热敏电阻型探测器通常工作在常温下，是种“非制冷式”探测器，多个该种探测器单元以二维阵列的形式排列在芯片衬底上，并将芯片置于红外辐射成像系统聚焦透镜的焦平面上时，则构成了非制冷式红外焦平面阵列探测器(IRFPA)。这种非制冷式红外探测器(IRFPA)通常包括:一用于吸收红外辐射并将其转化为热的装置；一将该探测器对于衬底热绝缘并以便探测器在红外热辐射的作用下可以实现温升的装置；一热敏感装置，是在红外辐射的加热作用下，电阻或者电阻率随温度变化的电阻部件；一以及读取热敏感电阻变化的电路装置。对于非制冷式红外焦平面阵列探测器，探测器反映外界目标温度信息的探测机理是:目标发出含有自身温度信息的红外光波热辐射，被探测器的红外吸收层吸收，由于桥腿层的热绝缘作用，热量就在桥面层上累积从而加热其中的热敏感层，并导致其温度上升，进而引起热敏感层的电阻值(或者电阻率)发生变化，这种变化对应红外辐射量的信息，经转化为电信号后，就利用衬底上的集成电路依次顺序读出。上述过程可简单总结为“吸收红外辐射-热敏感层温度变化-电阻值变化-电路读出”。非制冷式红外探测器的一个重要灵敏度指标为噪声等效温差NETD，其涵义是:当被测红外热辐射黑体目标的温度变化，导致焦平面探测器输出端的电压等于噪声电压时，该温度变化量称为NETD，即探测器所能分辨的探测目标上最小温度变化量。NETD越小，灵敏度越高，在目前已装备的非制冷红外热象仪的NETD通常为20?IOOmK之间。NETD与热阻R和TCR之间的大致关系所下式:NETD 1/(R.A.η.TCR)其中，A为探测器单元面积，η为填充比率，A.n即为探测器单元的有效面积。NETD的影响因素是复杂的，上式仅仅说明其与热阻R、TCR以及探测器单元的有效面积A、填充比率η之间的关系。对于单层探测器结构而言，桥腿在桥面层的两侧甚至周围回折，降低了每个单元的填充比率，缩小了其有效红外吸收面积，难以获得较低的NETD。本公司2011年申请专利201110120925.6、名称为“一种非制冷式红外焦平面阵列探测器”的存在问题:主要是单层探测器结构的热阻做不大，而且填充比率没有双层的高。
技术实现思路
本专利技术的目的提供一种双层结构的非制冷红外焦平面阵列探测器，要解决的技术问题就是增加探测器热阻R的情况下保证较高的红外吸收层的有效面积，从而实现更低的探测分辨率。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的:一种双层结构的非制冷红外焦平面阵列探测器，所述探测器由衬底、桥面层、至少一个桥腿层组成，其特征在于由衬底、桥面层、桥腿层组成的每个单元为双层结构:上层的桥面层与和下层的桥腿层；所述的桥面层由红外热辐射吸收层和热敏感层组成；所述的桥腿层由支撑层和金属导电层组成；所述的桥面层和桥腿层位于上下两个、相互平行的平面上且通过电传导锚柱固定连接；所述的桥腿层悬空在衬底之上且通过另一电传导锚柱与衬底连接；所述的衬底为读出集成电路衬底，表面上设置有红外辐射反射层。所述的桥腿层的一边端部的金属导电层通过一电传导锚柱上的金属导线连接在桥面层上的热敏感层，桥腿层另一边端部的金属导电层通过另一电传导锚柱上的金属导线连接在衬底上的读出电路。所述的桥面层和桥腿层之间构成真空间隙层，高度为0.8?1.25 μ m。所述的桥腿层和衬底之间构成真空间隙层，高度为0.8?1.25 μ m。所述的桥面层从上到下为红外热辐射吸收层、热敏感层和红外热辐射吸收层。所述的桥腿层从上到下为支撑层、金属导电层和支撑层。所述的桥面层的热敏感层的材料为氢化非晶硅(a-S1:H)、非晶锗硅(a-SiGe)或氧化f凡(VOx)。所述的桥面层的红外辐射吸收层为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。所述的桥腿的支撑层为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅；所述的桥腿层的金属导电层为钛、氮化钛或镍铬合金。所述的衬底表面上红外辐射反射层的材料是铝、钛、金或金属合金，在8?14μ m红外波段的反射率范围为80%?100%。本专利技术的整个探测器单元是悬空在衬底之上，桥面层和桥腿层位于上下两个、相互平行的平面上，探测器单元的支撑通过桥腿20的两边端部分别通过电传导锚柱与桥面和衬底的连接来实现。桥面层和桥腿层、桥腿层和衬底之间构成高度为0.8?1.25 μ m真空间隙层，总共的真空间隙高度即为1.6?2.5 μ m，对红外波长λ =8?14 μ m长波段具有λ/4选择吸收的能力。在探测器单元中，桥面层上包含用于吸收红外辐射并将其转化为热的吸收层以及热敏感层。吸收层通常为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅薄膜层；热敏感层是探测器的核心材料，其特点是:当被吸收层吸收的红外热辐射加热后其温度发生变化，其自身电阻值也随之发生变化，描述该电阻温度变化特性的指标为电阻温度系数(TCR)。目前，这类热敏感层材料应用较多的为氢化非晶硅(a-S1:H)、非晶锗硅(a-SiGe )或氧化钒(VOx )，这些材料的TCR值较大，应用范围通常在2%-5%之间。在探测器单元中，桥腿层即是探测器上起到对于衬底热绝缘作用的装置。描述该热隔离度大小的指标为热阻R。热阻R越大，就意味着吸收的红外辐射能量损失就越小，桥面层上的温升越高，探测器热敏感层电阻在该温升下的变化就越明显，电压响应率相对就会越大，灵敏度就越闻。桥腿的热阻R不仅和其材料的热传导率有关，还和桥腿的长、宽以及厚度尺寸有关。为了获得较大的热阻R，通常会采取的方案是选择热传导率较小的材料，并且将桥腿的长度加长、宽度减小、厚度减薄。25 μ mX 25 μ m、17 μ mX 17 μ m探测器对热阻R的要求较高，在目前商业化的红外探测器中，已经能够达到50MK/W以上。另外，对探测器热绝缘本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双层结构的非制冷红外焦平面阵列探测器，所述探测器由衬底、桥面层、至少一个桥腿层组成，其特征在于由衬底、桥面层、桥腿层组成的每个单元为双层结构：上层的桥面层与和下层的桥腿层；所述的桥面层由红外热辐射吸收层和热敏感层组成；所述的桥腿层由支撑层和金属导电层组成；所述的桥面层和桥腿层位于上下两个、相互平行的平面上且通过电传导锚柱固定连接；所述的桥腿层悬空在衬底之上且通过另一电传导锚柱与衬底连接；所述的衬底为读出集成电路衬底，表面上设置有红外辐射反射层。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄立，王大甲，
申请(专利权)人：武汉高芯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42