[發明專利]一種基于微腔諧振選頻的高性能窄帶紅外探測器

在審

• 申請號: 202010324657.9
• 申請日: 2020-04-23
• 公開（公告）號: CN111584671A
• 公開（公告）日: 2020-08-25
• 發明（設計）人: 甄紅樓;聶曉飛;陸衛;尹伊哲;周孝好
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: H01L31/101
• 分類號: H01L31/101;H01L31/0236;H01L31/0352
• 代理公司: 上海滬慧律師事務所 31311
• 代理人: 郭英

本發明公開了一種基于微腔諧振選頻的高性能窄帶紅外探測器。探測器利用材料的紅外吸收特性結合器件結構的特定設計進而可以實現紅外波段的窄帶探測。具體來說，通過將探測器設計成特定的微腔結構，基于微腔結構的共振模式，可以實現對入射紅外光的窄帶選頻探測，并且這種共振模式可極大提高器件的吸收量子效率。通過調節摻雜濃度，在提高吸收量子效率的同時還可以有效的降低器件的暗電流，從而實現一種高性能的、免濾波的窄帶紅外氣體探測器。此外，該器件的器件工藝與現有的紅外焦平面工藝完全兼容，可以很方便地實現一種具有本征窄帶探測性能的紅外焦平面探測器芯片。

技術領域

本發明涉及窄帶紅外氣體探測技術，具體是指通過對探測器材料以及器件結構的特殊設計，可以實現一種完全免濾波的，具有像元級窄帶探測功能的高性能紅外焦平面芯片技術。

背景技術

紅外氣體成像探測是利用被測氣體在特定波段(通常指氣體的指紋波長)的紅外吸收特性進行紅外成像探測的。在對氣體成像探測中，通常將探測器的工作波段設計到氣體的指紋波長處，由于氣體在其指紋波長處具有較強的紅外吸收，當氣體存在時，到達探測器光敏元的輻射會因氣體的存在而明顯區別于周圍空氣背景，從而在所拍攝的圖像上呈現出明顯的煙霧狀態，因此可用來實時監測氣體泄漏。紅外氣體成像探測是一種可以將不可見氣體可視化的技術，由于具有探測靈敏度高，可遠距離工作，安全，快速，可靠等優點，目前已被廣泛應用于工業領域的氣體檢測。如，石油石化行業中可燃氣體(甲烷以及碳氫化合物等)的檢測；煤炭開采中有毒有害以及可燃氣體的檢測；食品、藥品行業中制冷劑的泄露檢測等。

從技術角度考慮，在紅外氣體成像探測中，由于氣體特征波長處的帶寬往往較窄(200nm)，為了提高氣體探測靈敏度，通常要求探測器在指紋波長處的響應帶寬也較窄(300nm～400nm)，此時探測器將主要接受目標氣體的紅外輻射信號，而對響應帶寬以外的背景信號則可有效屏蔽，這將大大提高系統的探測靈敏度。目前典型的基于帶間躍遷的紅外探測器(如碲鎘汞紅外探測器,銻化銦探測器等)，其響應帶寬普遍較寬，為了滿足氣體探測的需求，通常采用的方法是在探測器前加濾光片或分光光柵，使特定波段的紅外輻射進入紅外探測相機，進而達到提高探測靈敏度的目的。

量子阱紅外探測器作為一種基于子帶間躍遷的紅外探測器，其響應帶寬相對較窄(1μm-2μm)，同時大面陣器件性能良好，成品率高，這成為其應用于氣體紅外成像探測的重要優勢。例如在長波紅外波段已有基于量子阱紅外探測器的用于監測SF₆氣體泄漏的(其指紋波長為10.55μm)商用紅外成像檢測設備(美國FLIR公司)。(注：SF₆氣體作為高壓斷路器和開關設備中作為絕緣介質，一旦發生泄漏就會對電力設施、環境以及人員造成危害)。總體來說，量子阱紅外探測器的響應帶寬對氣體探測而言仍然較寬，現有商業設備依然需要用額外附加的濾光片等來壓縮響應帶寬進而提升探測靈敏度。另一方面，量子阱紅外探測器的吸收量子效率偏低，這也是制約器件性能的重要因素。因此，如果有一種技術，在壓縮量子阱紅外探測器響應帶寬的同時可提高器件吸收量子效率，提升器件總體性能，則對氣體的紅外成像探測將有重要的應用價值。本發明給出了一種與傳統紅外焦平面工藝兼容的，可以實現窄帶氣體探測的高性能紅外焦平面芯片技術。其中量子阱材料被設計成特定的微腔結構，利用微腔結構自身的諧振選頻功能以及對材料參數的有效優化，使得探測器天然具有窄帶探測的功能，同時還可有效提升器件性能。

發明內容