[發(fā)明專利]一種仿生光讀出非制冷紅外焦平面及其制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711221074.8
• 申請日: 2017-11-29
• 公開（公告）號: CN107946406A
• 公開（公告）日: 2018-04-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 高陽
• 申請（專利權(quán)）人: 新鄉(xiāng)市百合光電有限公司
• 主分類號: H01L31/18
• 分類號: H01L31/18;H01L31/101
• 代理公司: 新鄉(xiāng)市平原智匯知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)41139
• 代理人: 林海

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種仿生光讀出非制冷紅外焦平面及其制備方法，屬于光讀出非制冷紅外焦平面探測器領(lǐng)域技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

紅外探測器是紅外探測系統(tǒng)的核心，是能對外界紅外光輻射產(chǎn)生響應(yīng)的光傳感器，多個紅外探測器單元組成的二維陣列稱為紅外焦平面陣列（FPA，F(xiàn)ocal Plane Array）。光子探測器具有響應(yīng)速度快、可靠性高等特點。然而該技術(shù)需要低溫制冷，這就增加了其系統(tǒng)的復(fù)雜性，造成系統(tǒng)價格居高不下，從而制約了它的應(yīng)用和發(fā)展。熱探測非制冷紅外焦平面探測器技術(shù)隨著半導(dǎo)體制造工藝的不斷進(jìn)步和應(yīng)用需求的不斷提升而發(fā)展迅速。盡管目前的靈敏度還不能與制冷型紅外探測器相比，但此技術(shù)不需制冷、成本低、功耗小、質(zhì)量輕、體積小、啟動及穩(wěn)定速度快等優(yōu)點，更有利于該項技術(shù)應(yīng)用的推廣，同時由于價格相對便宜也能滿足了民用紅外系統(tǒng)和部分大規(guī)模裝備的軍事紅外系統(tǒng)的迫切需要。

傳統(tǒng)的非制冷紅外焦平面探測器采用電學(xué)讀出方式，而電學(xué)讀出方式的金屬連接提高了探測器單元的熱導(dǎo)，降低了探測器單元和基底之間的熱隔離，結(jié)果降低了溫升效果。隨著 MEMS 工藝的發(fā)展，1997 年 Manalis 等人率先采用Si/Al 雙材料懸臂梁制作的光讀出紅外焦平面陣列，當(dāng)吸收入射紅外輻射，產(chǎn)生溫升后，其螺旋之間的間距產(chǎn)生微小變化，導(dǎo)致菲涅爾波帶片的焦距發(fā)生變化，散焦后出射的光線再被 CCD接收，形成圖像。這種基于像素間干涉(Inter-pixel interference)原理的光學(xué)讀出系統(tǒng)可能提供更高的檢測靈敏度。總的來說，當(dāng)前光讀出熱型紅外探測器主要是利用雙金屬效應(yīng)型、載流子-應(yīng)變型和熱光效應(yīng)型三種原理在基底上設(shè)計制造某種熱致變的微結(jié)構(gòu)來吸收紅外輻射，但是，這些設(shè)計的噪聲等效溫度差和空間分辨率，時間響應(yīng)等難以滿足第三代紅外 FPA的性能要求。

自然界是最好的設(shè)計師，人類從中不斷獲得發(fā)明與創(chuàng)造的靈感，以解決各種科學(xué)技術(shù)難題。2012 年，美國科學(xué)家通過研究 Morpho 蝴蝶這種具有 500 萬年歷史的生物，從其多彩變化的翅膀中找到靈感，設(shè)計出一種靈敏的紅外傳感器。相關(guān)論文發(fā)表在《自然-光子學(xué)》 （Nature Photonics）上，這或?qū)⒂兄谠O(shè)計熱成像傳感器。由于紅外熱成像可將物體自身散發(fā)的熱能可視化，因而其在工業(yè)、軍事和醫(yī)學(xué)方面具有廣泛應(yīng)用。 Radislav A 和同事設(shè)計出一種仿生傳感器，具備比現(xiàn)有紅外檢測器體積更小、檢測速度更快、靈敏度更高的優(yōu)勢，而且其對熱量控制沒有要求，也不需要復(fù)雜的精密加工技術(shù)。在這項設(shè)計實驗中，他們將吸收紅外輻射性能非常好的碳納米管技術(shù)與閃蝶翅膀的多彩變化這一特點相結(jié)合，經(jīng)過實驗，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)當(dāng)紅外線輻射到翅膀上時，翅膀鱗片上微納納米結(jié)構(gòu)發(fā)生熱膨脹，使得這些微納結(jié)構(gòu)的折射率發(fā)生變化，從而使得翅膀顏色發(fā)生變化，這意味著這種微納結(jié)構(gòu)可以將光從紅外波段轉(zhuǎn)換到可見光波段的變化。圖 1 是 Morpho 蝴蝶翅膀鱗片微納結(jié)構(gòu)基于波長轉(zhuǎn)換的紅外探測示意圖。此外他們還發(fā)現(xiàn)，翅膀上的碳納米管密度增大，翅膀的紅外可吸收輻射量也會隨之增加，從而提高傳感器的靈敏性。同年，科學(xué)家 Sambles J R 在《自然-光子學(xué)》 （Nature Photonics）上發(fā)表文章指出，基于這種來源于生物結(jié)構(gòu)波長轉(zhuǎn)換的紅外探測原理，一旦制備出經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的大面積 FPA陣列，無論是特定的紅外線波長或某一范圍的紅外線波長，利用這種技術(shù)，將會有非常巨大的應(yīng)用前景，尤其在醫(yī)療診斷和監(jiān)視方面。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的之一，是提供一種仿生光讀出非制冷紅外焦平面及其制備方法。本發(fā)明開發(fā)和制造新一代高仿生結(jié)構(gòu)性能紅外探測器提供一條新的途徑。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：一種仿生光讀出非制冷紅外焦平面及其制備方法，包括如下步驟：

步驟1：用光刻技術(shù)在（111）單晶硅片上加工出微米尺度的光柵條紋，其中光柵條紋要平行于{110}晶面，從而使得ICP-Bosch工藝刻蝕后光柵側(cè)壁是{110}晶面；

步驟2：采用ICP-Bosch工藝在硅基底上刻蝕出微米尺度的{110}晶面?zhèn)缺趲Ъ{尺度波紋結(jié)構(gòu)的光柵條紋，對刻蝕后的樣品清洗以去除光刻膠和ICP-Bosch工藝刻蝕后產(chǎn)生的碳氟化合物；

步驟3：樣品表面傾斜一定角度，采用電子束蒸發(fā)工藝沉積一層Cr作為濕法腐蝕的掩膜，由于樣品表面傾斜一定角度，使得蒸發(fā)運動物質(zhì)的垂直運動方向和光柵側(cè)壁表面面有一定的角度，從而可以使{110}晶面?zhèn)缺诓y的底部覆蓋一層Cr；

步驟4：利用單晶硅各向異性腐蝕的特點，采用濕法腐蝕工藝，用KOH溶液腐蝕出分層微納結(jié)構(gòu)；