[發明專利]一種背入射浸沒式熱敏薄膜型紅外探測器

有效

• 申請號: 201410020924.8
• 申請日: 2014-01-17
• 公開（公告）號: CN103855238A
• 公開（公告）日: 2014-06-11
• 發明（設計）人: 歐陽程;黃志明;周煒;吳敬;高艷卿;龍芳;褚君浩
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: H01L31/09
• 分類號: H01L31/09;G01N21/00
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 郭英

技術領域

本發明涉及紅外探測器，具體涉及一種背入射浸沒式熱敏薄膜型紅外探測器。

背景技術

非制冷熱敏型紅外探測器是一種重要的紅外探測器，相比光子型紅外探測器具有制備成本低廉、無需低溫冷卻系統、寬波段響應、適用溫度范圍寬、器件封裝簡單等優點，在軍事、民用和工業等領域有著廣泛的應用，例如可用于溫度傳感器、紅外熱成像、防火報警、非接觸測溫、夜視探測、安防檢測、環境監測、導彈跟蹤和攔截、醫療診斷等諸多方面。熱敏型紅外探測器是利用紅外輻射的熱效應，通過熱與其他物理量的變換來探測紅外輻射的。熱敏效應的特點是入射光與材料的晶格相互作用，使得材料溫度上升，從而引起與溫度有關的物理，化學或者電學參量發生變化，例如電阻值、自發極化強度、溫差電動勢等。其中，以熱敏電阻型紅外探測器應用最為廣泛，它相比熱釋電和熱電偶兩種熱敏紅外探測器更容易制備，而且成本低廉，性能也更穩定。

過去，人們對熱敏紅外探測器的研究主要集中在體材料上。體材料因晶粒間的不完全接觸和空洞等缺陷的影響，致使器件的重復性、穩定性較差，且器件存在熱容大、響應速度慢等不利因素。近些年，隨著薄膜技術和微電子加工工藝的迅速發展，對器件的研究逐漸轉移到薄膜型材料上。薄膜材料因其均勻，致密，所制備的器件響應速度快、可靠性和穩定性高、重復性好。在當今電子設備輕量化、薄型化、小型化的需求下，高性能、高穩定的熱敏紅外探測器越來越受到重視。

但是，一般的熱敏薄膜型紅外探測器普遍存在靈敏度低、時間常數大、敏感元和補償之間存在一定的信號串擾、器件響應率和探測率不高等問題。本專利通過合理設計器件敏感元的位置，使沉積在襯底上的敏感元薄膜和補償元分布在襯底的兩個頂角位置，減小了由襯底傳熱引起的等效熱容，消除了敏感元與補償元之間信號串擾的影響，降低了器件的響應時間；同時，采用了能會聚紅外信號的鍺單晶半球透鏡，將基于化學溶液法（見中國發明專利：200610030144.7）制備的錳鈷鎳氧熱敏感薄膜粘合在鍺透鏡的聚光中心位置，制得了有較高響應率（大于10³V/W）、探測率（高于5×10⁸cm·Hz^0.5/W）和較小時間常數（小于10毫秒）的單元背入射浸沒式熱敏薄膜型紅外探測器。

發明內容

本發明的目的是提出一種背入射浸沒式熱敏薄膜型紅外探測器。本專利的設計突破了傳統薄膜型器件的響應率和探測率的極限，有效解決了薄膜型器件中熱容大、時間常數較大、響應率和探測率不高等問題。

一種背入射浸沒式熱敏薄膜型紅外探測器的和側面圖俯視圖如圖1和2所示，其特征在于在所述的熱敏感薄膜襯底背面上集成一能會聚紅外信號的鍺單晶半球透鏡4。

所述的鍺單晶半球透鏡4為折射率n=4、電阻率大于30Ωcm、表面鍍制有抗反射層的鍺半球晶體，在其底面鍍有作為介質層與紅外探測器進行粘接的硒砷化合物薄膜。

本專利所設計的探測器結構通過以下具體的工藝步驟來實現：

1）制備熱敏薄膜。采用化學溶液方法在非晶氧化鋁襯底上制備厚度為6-8微米錳鈷鎳氧薄膜。

2）刻蝕掩膜。在錳鈷鎳氧薄膜表面光刻圖形化，后采用氬離子/HBr濕法刻蝕工藝將器件的敏感元與補償元制作在邊長為5毫米的矩形襯底的兩個頂角位置，面積均為0.01mm²-0.25mm²。浮膠清洗。

3）鍍制鉻/金電極。在錳鈷鎳氧薄膜表面光刻圖形化，后采用離子束濺射工藝淀積50納米的鉻和200納米的金作為電極。浮膠清洗。

4）劃片。通過機械劃片的方式將探測器沿著敏感元與補償元的兩個邊線切開，襯底寬長比為1:1，寬度為5毫米。

5）探測器粘合到浸沒透鏡上。選用硒砷化合物薄膜（粘合劑）作為介質層，在150攝氏度下使硒砷化合物薄膜軟化，施加壓力將探測器背面粘合到鍺單晶半球透鏡上，使探測器的敏感元和補償元分別位于鍺透鏡聚光中心焦點位置和邊緣區域，并放入干燥箱在室溫下進行24小時的固化。

6）過渡電極點焊。使用超聲波金絲球焊機（型號為HKD-2320TS），利用20微米金絲將探測器的電極與鍺單晶半球透鏡上的過渡電極相連接。

7）引線焊接與器件封裝。將過渡電極引出的正負偏置端及信號端的電極引線分別焊接到管座對應的三個管腳上，蓋上金屬外殼。背入射浸沒式探測器結構側面圖和俯視圖分別如圖1和2所示。