[發明專利]熱釋電薄膜紅外焦平面探測器芯片及其制作方法

有效

• 申請號: 201310281825.0
• 申請日: 2013-07-05
• 公開（公告）號: CN103346250A
• 公開（公告）日: 2013-10-09
• 發明（設計）人: 朱煜;褚君浩;張耀輝;宋賀倫;王建祿;孟祥建;孫碩
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所;中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: H01L37/02
• 分類號: H01L37/02;H01L37/00
• 代理公司: 深圳市銘粵知識產權代理有限公司 44304
• 代理人: 楊林;李友佳

技術領域

本發明涉及紅外探測技術領域，尤其是對一種包含高效可靠SiO₂和TiO₂復合材料與復合結構的熱釋電紅外焦平面探測器絕熱支撐結構及其制作方法。

背景技術

熱釋電薄膜紅外焦平面探測器具有在室溫下的工作頻率、光譜響應寬、響應速度快、探測率高、能顯著提高傳感器集成度、性價比高等優勢，在紅外夜視、紅外制導、紅外成像，以及利用紅外焦平面探測器進行消防和搶險救援等軍事和民用領域均有廣闊應用。熱釋電薄膜紅外焦平面探測器的靈敏度主要取決于光敏元薄膜材料熱釋電系數和襯底熱阻。襯底熱阻越大，靈敏度就越高。此外，為了降低探測器的噪音，探測器的光敏元件和信號讀出電路應該集成在同一襯底上。

然而，硅作為探測器芯片最常用的襯底，其熱阻小，硅襯底與光敏元器件和信號讀出電路之間，必須有一層絕熱層來確保良好的熱阻性，同時還起到保證紅外熱轉換效率和機械支撐等作用，減小探測器熱導率和提高紅外焦平面探測器靈敏度。

現有的硅基熱釋電薄膜紅外焦平面探測器芯片中，其絕熱層結構主要是微橋結構。然而，該結構的制備依賴于微加工、犧牲層等技術，存在工藝復雜、器件結構中多層膜之間熱膨脹系數失配造成電極引線斷裂而導致成品率低、成本高等問題。

尤其是以溶膠-凝膠法制備SiO₂氣凝膠孔隙薄膜作為絕熱層的制備方法，工藝條件復雜苛刻，需要在超臨界條件下進行溶劑揮發和干燥，并且受催化劑、膠聯反應副反應等因素影響，不宜于對孔隙結構形成進行控制，影響SiO₂氣凝膠的機械性能和熱傳導可靠性。這種制備方法單純使用SiO₂氣凝膠在3～8μm波段具有明顯的吸收，會造成高溫下SiO₂氣凝膠熱導率升高。并且，在熱釋電薄膜紅外焦平面探測器芯片制作過程中需要反復進行高溫退火處理，致使純SiO₂氣凝膠隨退火次數增加，孔隙率越來越低，無法達到理想的熱絕緣效果，導致探測器靈敏度降低。雖然在SiO₂氣凝膠中摻雜TiO₂或炭黑等紅外阻隔劑，可以明顯提高改善SiO₂氣凝膠在高溫時的隔熱效率，但摻雜方法和工藝同樣存在各種困難，難于操作控制。此外，高孔隙率的SiO₂氣凝膠作絕熱結構時表面粗燥度過高，容易導致探測器由于局部大電流擊穿。

綜上所述，由于制備工藝和技術存在上述局限性，使絕熱層制備成為熱釋電薄膜紅外焦平面探測器芯片制作過程中的一個關鍵技術瓶頸。

發明內容

本發明提供的熱釋電薄膜紅外焦平面探測器芯片，尤其是針對現有絕熱層制備技術存在問題，能靈活調節控制絕熱支撐結構的孔隙率，有效降低探測器芯片的熱導率，大大提高探測器的靈敏度，在滿足探測器對絕熱支撐層結構應力釋放要求的同時提高探測器的穩定性和可靠性。

第一種熱釋電薄膜紅外焦平面探測器芯片從下至上依次包括襯底、黏合層、絕熱支撐結構、下電極、光敏元、上電極和紅外吸收層；所述絕熱支撐結構包括：

隔熱層，所述隔熱層包括上下交替層疊的SiO₂納米陣列和TiO₂納米陣列；

形成在所述隔熱層表面的過渡支撐層，所述過渡支撐層包括從下至上依次層疊的若干層SiO₂過渡結構，以及沉積在所述SiO₂過渡結構表面的HfO₂膜；所述過渡支撐層的孔隙率從下至上逐漸降低。

優選地，所述SiO₂納米陣列和/或TiO₂納米陣列的平均孔隙率大于70％。

優選地，所述SiO₂納米陣列和/或TiO₂納米陣列與所述襯底的法線成取向角度α范圍為0～50°。

優選地，所述SiO₂納米陣列由多個SiO₂納米結構單元組成，所述SiO₂納米結構單元直徑為60～120nm，相鄰SiO₂納米結構單元的間隙為40～130nm；所述TiO₂納米陣列由多個TiO₂納米結構單元組成，所述TiO₂納米結構單元直徑為60～120nm，相鄰TiO₂納米結構單元的間隙為40～130nm。