[發(fā)明專利]復(fù)合薄膜作為紅外吸收層的熱電堆紅外氣體探測器及其加工方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310630488.1
• 申請日: 2013-12-02
• 公開（公告）號: CN103698020B
• 公開（公告）日: 2018-12-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 譚秋林;陳媛婧;熊繼軍;薛晨陽;張文棟;劉俊;毛海央;明安杰;歐文;陳大鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 中北大學(xué)
• 主分類號: G01J5/12
• 分類號: G01J5/12;G01N21/3504;H01L35/32;H01L35/34
• 代理公司: 太原晉科知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 14110
• 代理人: 任林芳

本發(fā)明屬于熱電堆紅外氣體探測器的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種復(fù)合薄膜作為紅外吸收層的熱電堆紅外氣體探測器及其加工方法，解決了傳統(tǒng)熱電堆紅外探測器熱電轉(zhuǎn)化率低和釋放過程中懸浮結(jié)構(gòu)易損壞等問題。其包括SOI襯底、熱偶條、SiO₂介質(zhì)層、金屬連接和焊盤、SiO₂隔離層以及吸收層，N/P多晶硅熱偶條的冷端支撐于SOI襯底，吸收層懸浮設(shè)置于探測器的頂部。本發(fā)明利用復(fù)合納米薄膜對近紅外波段較強(qiáng)的吸收率，并且將吸收層懸浮于器件上方，提高了器件單元占空比，相應(yīng)地提高探測器的響應(yīng)率和探測率，進(jìn)而優(yōu)化探測器的性能指標(biāo)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于熱電堆紅外氣體探測器的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種復(fù)合薄膜作為紅外吸收層的熱電堆紅外氣體探測器及其加工方法。

背景技術(shù)

自1800年W.herschel發(fā)現(xiàn)紅外輻射至今，紅外探測技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于夜視儀、紅外制導(dǎo)、熱像儀等軍事領(lǐng)域，也被應(yīng)用于氣體檢測、公共安全、紅外測溫等民用領(lǐng)域。熱電堆紅外探測器的工作原理是基于塞貝克效應(yīng)，即兩種不同材料A和B有公共連接端作為熱端，另一端不相連作為冷端，當(dāng)熱端受熱時(shí)，在A和B組成的回路中產(chǎn)生電勢使熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋Ｔ撾妱莶钊Q于金屬的電子逸出功和有效電子密度這兩個(gè)因素，半導(dǎo)體材料的溫差電勢較大，可作為塞貝克材料。輸出電勢與溫差關(guān)系表達(dá)式為：Uout=（αA-αB）*ΔT。其中αA、αB分別為兩種材料的塞貝克系數(shù)。

熱電堆紅外探測器因其工作原理簡單、數(shù)據(jù)處理簡便、無需斬波器、無需偏置電壓、工作波段帶寬大而成為主流紅外探測器。為提高熱電堆紅外探測器性能，大量的研究基于器件尺寸優(yōu)化和研發(fā)高吸收率材料而展開，具體方法包括降低熱電堆導(dǎo)熱過程中的輻射導(dǎo)熱和對流導(dǎo)熱來提高熱轉(zhuǎn)換效率，以及增大有效導(dǎo)熱長度等。在提高器件占空比的研究中，王躍林團(tuán)隊(duì)成功加工了諸多正面釋放的單層懸浮結(jié)構(gòu)，克服了背腔腐蝕對硅襯底晶向的要求，實(shí)現(xiàn)了對尺寸的進(jìn)一步降低，但是單層排布的熱電偶和吸收層互相限制了各自有效功能區(qū)域的增大。為了進(jìn)一步提高空間利用率，Toriyama的團(tuán)隊(duì)成功制造了一種縱向排布的熱電偶陣列，下部和襯底相連作為冷端，其熱端在上部，共同支撐一張吸收層薄膜。但是制作熱電偶過程中仍殘余較大應(yīng)力，導(dǎo)致熱電偶彎曲，以這種彎曲熱電偶來作為吸收層的支撐結(jié)構(gòu)，不利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時(shí)彎曲熱電偶的兩端和吸收層以及襯底的接觸不佳，不利于提高器件整體的熱點(diǎn)轉(zhuǎn)換效率。因此，更多的研究把優(yōu)化器件性能，同時(shí)提高器件占空比的焦點(diǎn)集中在將吸收層和熱電偶置于不同的平面。Marc C. Foote成功加工了雙層聚酰亞胺犧牲層的熱電堆紅外探測器，實(shí)現(xiàn)了熱電偶與襯底、吸收層與熱電偶的分離，但是熱電偶熱端置于器件中間，與熱偶條熱端接觸，這就導(dǎo)致了熱偶條共用同一熱端，引起較大熱串?dāng)_。與此同時(shí)，熱偶條材料采用Bi-Te和Bi-Sb-Te的材料，也并不與CMOS工藝兼容，不利于高精度的批量生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為了解決傳統(tǒng)熱電堆紅外探測器熱電轉(zhuǎn)化率低和釋放過程中懸浮結(jié)構(gòu)易損壞等問題，提供了一種復(fù)合薄膜作為紅外吸收層的熱電堆紅外氣體探測器及其加工方法。

本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種復(fù)合薄膜作為紅外吸收層的熱電堆紅外氣體探測器，包括SOI襯底、熱偶條、SiO₂介質(zhì)層、金屬連接和焊盤、SiO₂隔離層以及吸收層，其特征在于N/P多晶硅熱偶條的冷端支撐于SOI襯底，吸收層懸浮設(shè)置于探測器的頂部。

SOI襯底上設(shè)置對稱的雙隔離槽，兩個(gè)隔離槽上方分別對應(yīng)設(shè)置有沿探測器的對稱軸排布的懸浮設(shè)置的熱偶條，熱偶條的冷端設(shè)置于探測器的對稱軸之上并由SOI襯底支撐，熱偶條與SOI襯底之間為SiO₂介質(zhì)層，熱偶條上部為SiO₂隔離層，SiO₂介質(zhì)層與SiO₂隔離層厚度相等，兩排熱偶條的熱端上方分別對應(yīng)刻蝕聚酰亞胺犧牲層形成的熱接觸槽，SiO₂隔離層之上為聚酰亞胺犧牲層釋放后的空腔和熱接觸槽，空腔之上為整體覆蓋于探測器頂部的懸浮的吸收層，吸收層僅通過熱接觸槽與熱偶條的熱端連接。