一种集成表面等离激元谐振器的红外探测器的制作方法

1.本发明属于非制冷红外成像技术领域，具体涉及一种集成表面等离激元谐振器的红外探测器。


背景技术：

2.现有的非制冷红外探测器的工作原理是基于光热效应，即：将入射光引起的吸收层热量变化转换为电学输出。基于这种光热效应的红外器件具有无须制冷，体积小，成本低等特点，在军事、工业、医疗卫生、科学研究及环境监测等领域得到广泛应用。作为热敏电阻的氧化钒或者非晶硅在长波红外吸收率低，因此一般采用在光敏电阻层上覆盖氮化硅作为吸收层。当红外辐射入射到红外探测器像元时，一部分入射光被顶层的氮化硅吸收层直接吸收并转化为热能，其他的入射光透射到像元内部并被底层的反射层所反射，在金属反射镜以及上层的膜层组成的谐振腔中来回反射并被氮化硅吸收，膜层热量的变化引起热敏电阻的阻值变化并转变为电学信号。
3.这种结构存在的问题是器件对入射红外光的吸收率取决于氮化硅吸收层的厚度和高的光学1/4λ谐振腔结构一致性，为了得到足够的吸收就得采用较大厚度的氮化硅，而氮化硅厚度的增加则意味着焦平面热容的增加，同时要保证光学1/4λ谐振腔结构一致性比较高。因此很难在保持热容不变的情况下提高吸收率。另一个问题是氮化硅的本征吸收峰位于10.5微米附近，尽管采用较厚的氮化硅层以及利用谐振腔的来回反射可以得到10.5微米处较高的吸收率，但是在其他波长的吸收率仍然较低，导致这种结构的非制冷红外探测器的探测范围受到限制。
4.如图1所示，非制冷红外探测器的传统结构中焦平面在红外波段的吸收全部来自于吸收层的本征吸收，为了得到较好的红外辐射吸收率，通常采用150nm以上的氮化硅吸收层和金属反射层对入射光的多重反射来获得充分的吸收。这种策略可以在氮化硅的本征吸收波长处得到近乎完美的吸收，但存在其他波长处吸收率低的问题。


技术实现要素：

5.本发明针目的是为了解决现有技术难以实现低热容高吸收和宽带吸收的不足，提供一种集成表面等离激元谐振器的红外探测器；一种集成表面等离激元谐振器的红外探测器，它包括：等离激元谐振器、热敏电阻层，支撑层，谐振腔。
6.所述的等离激元谐振器为表面图形化阵列的等离激元谐振器。
7.一种集成表面等离激元谐振器的红外探测器，它还包括吸收层和/或金属反射层。
8.所述的等离激元谐振器在红外波段的几何尺寸设置的范围为：周期为300nm~6μm，宽度为0.1~3μm，厚度为10nm~2μm。
9.一种等离激元谐振器的红外探测器，该结构由上至下依次为：等离激元谐振器，吸收层，热敏电阻层，支撑层，谐振腔，金属反射层；
所述的等离激元谐振器为钛网格谐振器层；吸收层为氮化硅吸收层；热敏电阻层为氧化钒热敏电阻层；谐振腔为1/4λ谐振腔。
10.所述的氮化硅吸收层厚度为10~150nm；氧化钒热敏电阻层在30nm~200nm之间；氮化硅支撑层的厚度为100~150nm；谐振腔的厚度为2μm~4μm之间；金反射层的厚度为50~100nm；钛网格谐振器的厚度为20nm~200nm之间；宽度为100nm~1μm之间，周期为1μm~6μm之间。
11.一种等离激元谐振器的红外探测器，该结构由上至下依次为：等离激元谐振器，热敏电阻层，支撑层，谐振腔，金属反射层；所述的等离激元谐振器为钛网格谐振器层；热敏电阻层为非晶硅热敏电阻层；支撑层为氮化硅支撑层；谐振腔为1/4λ谐振腔。
12.所述的氧化钒热敏电阻层在30nm~200nm之间，氮化硅支撑层的厚度为100~150nm；谐振腔的厚度为2μm~4μm之间，铝反射层的厚度为50~100nm；钛网格谐振器层的厚度为10nm~150nm之间，宽度为100nm~1.2μm之间，周期为1μm~6μm之间。
13.一种等离激元谐振器的红外探测器，该结构由上至下依次为：吸收层，热敏电阻层，支撑层，等离激元谐振器，谐振腔，金属反射层；所述的吸收层为氮化硅吸收层；热敏电阻层为氧化钒热敏电阻层；支撑层为氮化硅支撑层；等离激元谐振器为铝网格谐振器层；谐振腔为1/4λ谐振腔。
14.所述的氮化硅吸收层厚度为150nm，氧化钒热敏电阻层在30nm~200nm之间，氮化硅支撑层的厚度为100~150nm；谐振腔的厚度为2μm~4μm之间，金属反射层的厚度为50~100nm；铝网格谐振器的厚度为10nm~150nm之间，宽度为100nm~1.2μm之间，周期为1μm~6μm之间。
15.一种等离激元谐振器的红外探测器，该结构由上至下依次为：热敏电阻层，支撑层，等离激元谐振器，谐振腔，金属反射层；所述的热敏电阻层为非晶硅热敏电阻层；支撑层为氮化硅支撑层；等离激元谐振器为铝网格谐振器层；谐振腔为1/4λ谐振腔；金属反射层为铝反射层。
16.所述的非晶硅热敏电阻层在30nm~200nm之间，氮化硅支撑层的厚度为100~150nm；谐振腔的厚度为2μm~4μm之间，铝反射层的厚度为50~100nm；铝网格谐振器层的厚度为10nm~150nm之间，宽度为100nm~1.2μm之间，周期为1μm~6μm之间。
17.本发明提供了一种集成表面等离激元谐振器的红外探测器，它包括：等离激元谐振器、热敏电阻层，支撑层，谐振腔；它还包括吸收层和/或金属反射层；等离激元谐振器、热敏电阻层和支撑层以多种叠加排列方式置于谐振腔上；并对表面等离激元谐振器进行了表面图形化阵列；采用不同材质的各层，可获得不同的吸收率及效果，以满足不同需求；表面图形化阵列的等离激元谐振器可以在长波红外的宽谱范围内提高红外焦平面的吸收率，由于金属谐振器的占空比很小且厚度很薄，焦平面整体的热容几乎没有提高，因此可以有效提高焦平面的性能，并实现更丰富的探测功能。
附图说明
18.图1为现有焦平面结构示意图；图2本发明表面等离激元谐振器的结构示意图；图3本发明表面等离激元谐振器集成在吸收层上方的结构示意图；
图4为表面等离激元谐振器集成热敏电阻层上方充当吸收层的结构示意图；图5为表面等离激元谐振器集成在支撑层下方的结构示意图；图6为表面等离激元谐振器集成在支撑层下方充当吸收层的结构示意图；图7为实施例6一种等离激元谐振器的红外探测器的结构示意图；图8为实施例6一种等离激元谐振器的红外探测器的吸收图谱；图9为实施例7一种等离激元谐振器的红外探测器的结构示意图；图10为实施例7一种等离激元谐振器的红外探测器的吸收图谱；图11为实施例8一种等离激元谐振器的红外探测器的结构示意图；图12为实施例8一种等离激元谐振器的红外探测器的吸收图谱；图13为实施例9一种等离激元谐振器的红外探测器的结构示意图；图14为实施例9一种等离激元谐振器的红外探测器的吸收图谱。
具体实施方式
19.为了使所属领域技术人员能够更加清楚本发明方案及原理，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述；本发明提供一种集成表面等离激元谐振器的红外探测器，提高非氮化硅本征吸收波长处的吸收率；一方面表面等离激元谐振器可以直接吸收一部分的入射光，另一方面，表面等离激元谐振器起到降低反射率的作用，使得更多的红外光入射到焦平面内部，经过金属反射层的多次反射，最终被吸收层以及表面等离激元谐振器吸收。
20.实施例1表面等离激元谐振器参见图2所示，一种表面等离激元谐振器，其是由金属或类金属材料组成的亚波长周期性结构；并根据表面等离激元谐振波长以及响应带宽调控谐振器阵列的几何参数；所述的等离激元是指在具有一定载流子浓度的金属固体系统，由于载流子之间的库仑相互作用,使得空间中一处载流子浓度的涨落,必将引起其他地方载流子浓度的振荡；这种以载流子浓度的振荡为基本特征的元激发,称为等离激元；表面等离激元谐振器的阵列方式和形状不仅限于图2所示图形；集成表面等离激元谐振器可与特定波长的耦合并激发表面等离激元谐振，使得电场和磁场在亚波长的尺度内得到极大的增强；入射光的能量也被局限在亚波长尺度内并最终以金属的欧姆损耗或者介质本征吸收的形式转化为热能；所述的集成表面等离激元谐振器在红外波段的几何尺寸可以设置的范围为，周期为300nm~6μm，宽度为0.1~3μm，厚度为10nm~2μm；所述的表面等离激元谐振器的材料材料可以采用金属或类金属，例如采用钛，钛常用于制备电极和黏附层，入射光在钛金属材料的等离激元谐振器激发表面电流并很快被钛的欧姆损耗转化为热能；在吸收层上方集成表面等离激元谐振器还具有工艺简单的特点；所述的表面等离激元谐振器的材料还可选择如铬，镍，铂，铝等金属。
21.实施例2一种集成表面等离激元谐振器的红外探测器参见图3所示，一种集成表面等离激元谐振器的红外探测器，该结构由上至下依次为：等离激元谐振器，吸收层，热敏电阻层，支撑层，1/4λ谐振腔，金属反射层；
吸收层上方集成表面等离激元谐振器的方法来提高非氮化硅本征吸收波长处的吸收率；一方面表面等离激元谐振器可以直接吸收一部分的入射光，另一方面，表面等离激元谐振器起到降低反射率的作用，使得更多的红外光入射到焦平面内部，经过金属反射层的多次反射，最终被吸收层以及表面等离激元谐振器吸收。
22.实施例3一种集成表面等离激元谐振器的红外探测器参见图4所示，一种集成表面等离激元谐振器的红外探测器，该结构由上至下依次为：等离激元谐振器，热敏电阻层，支撑层，1/4λ谐振腔，金属反射层；由于表面等离激元谐振器强力的光场限制和高吸收的特性，原有结构的吸收层厚度可以降低或者去掉，而不影响焦平面整体的吸收性能；去掉吸收层使得焦平面的厚度降低，在保持高吸收率的情况下减小了热容，因此可以提高焦平面的探测性能。
23.实施例4一种集成表面等离激元谐振器的红外探测器参见图5所示，一种集成表面等离激元谐振器的红外探测器，该结构由上至下依次为：吸收层，热敏电阻层，支撑层，等离激元谐振器，1/4λ谐振腔，金属反射层；表面等离激元谐振器集成在焦平面氮化硅支撑层下方；与集成在氮化硅上层的方案相比，可以得到相同的宽谱吸收；归结于两个原因，一是表面等离激元谐振器在焦平面结构中的相对位置不影响其对入射光的表面等离激元响应，二是表面等离激元谐振器集成在焦平面氮化硅支撑层下方改变了焦平面整体的等效折射率，使得焦平面对入射光的反射率相较于没有集成等离激元谐振器的结构降低，尤其是在非氮化硅本征吸收的波长处；此外表面等离激元谐振器集成在焦平面氮化硅支撑层下方的方案由其上方的氮化硅支撑层充当保护层。
24.实施例5一种集成表面等离激元谐振器的红外探测器参见图6所示，一种集成表面等离激元谐振器的红外探测器，该结构由上至下依次为：热敏电阻层，支撑层，等离激元谐振器，1/4λ谐振腔，金属反射层；表面等离激元谐振器集成在焦平面氮化硅支撑层下方，并去掉吸收层来获得更小的热容；一方面是谐振器可以提供足够的红外吸收，另一方面谐振器的近场增强效应即将电场和磁场集中在亚波长的尺度内可以增强支撑层的红外吸收。
25.实施例6一种等离激元谐振器的红外探测器参见图7所示，一种等离激元谐振器的红外探测器，该结构由上至下依次为：钛网格谐振器层，氮化硅吸收层，氧化钒热敏电阻层，氮化硅支撑层，1/4λ谐振腔，金属反射层；所述的钛网格谐振器层为表面图形化阵列的等离激元谐振器；所述的氮化硅吸收层厚度为10~150nm，氧化钒热敏电阻层在30nm~200nm之间，氮化硅支撑层的厚度为100~150nm。谐振腔的厚度为2μm~4μm之间，金反射层的厚度为50~100nm；所述的钛网格谐振器的厚度为20nm~200nm之间，宽度为100nm~1μm之间，周期为1μm~6μm之间；入射到焦平面的红外辐射首先被表层的钛谐振器选择吸收，剩下的入射光穿过谐振器层在谐振腔内多次反射并最终被氮化硅以及谐振器吸收。谐振器层增强了非氮化硅本征吸收波长处的红外辐射吸收，而且，由于谐振器层非常薄且占空比小于26%，对焦平面的热容影响很小，因此可以有效提高焦平面的探测性能；
参见图8所示，其中黑色实线为本实施例的吸收谱，虚线为现有焦平面的吸收谱。可以看到，不同于现有结构的单峰吸收，我们提出的焦平面结构在整个长波红外谱段都具有较高的吸收率。在8μm处，吸收率由原来的15%提高到了60%，在8
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14μm波段内的平均吸收率提高到了85%以上；不仅如此，钛网格谐振器的存在也提高了甚长波范围的吸收率，在9
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18μm的宽谱范围内吸收率保持在80%以上。
26.实施例7一种等离激元谐振器的红外探测器参见图9所示，一种等离激元谐振器的红外探测器，该结构由上至下依次为：钛网格谐振器层，非晶硅热敏电阻层，氮化硅支撑层，1/4λ谐振腔，金属反射层；所述的钛网格谐振器层为表面图形化阵列的等离激元谐振器；金属反射层为铝反射层；所述的氧化钒热敏电阻层在30nm~200nm之间，氮化硅支撑层的厚度为100~150nm；谐振腔的厚度为2μm~4μm之间，铝反射层的厚度为50~100nm；所述的钛网格谐振器层的厚度为10nm~150nm之间，宽度为100nm~1.2μm之间，周期为1μm~6μm之间；入射到焦平面的红外辐射首先被表层的钛谐振器选择吸收，剩下的入射光穿过谐振器层在谐振腔内多次反射并最终被谐振器吸收。由于去掉了氮化硅吸收层，整体的热容减小，同等的能量入射可以为非晶硅热敏电阻层提供更多的温升，进而提高焦平面的性能；参见图10所示本实施案例吸收谱，其中黑色实线为实施案例2的吸收谱，虚线为现有焦平面的吸收谱；可以看到，8μm处，吸收率由原来的15%提高到了70%，8.5
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15.5μm波段内的吸收率保持在90%以上。
27.实施例8一种等离激元谐振器的红外探测器参见图11所示，一种谐振器的红外探测器，该结构由上至下依次为：氮化硅吸收层，氧化钒热敏电阻层，氮化硅支撑层，铝网格谐振器层，1/4λ谐振腔，金属反射层；所述的铝网格谐振器层为表面图形化阵列的等离激元谐振器；所述的氮化硅吸收层厚度为150nm，氧化钒热敏电阻层在30nm~200nm之间，氮化硅支撑层的厚度为100~150nm；谐振腔的厚度为2μm~4μm之间，金属反射层的厚度为50~100nm；所述的铝网格谐振器的厚度为10nm~150nm之间，宽度为100nm~1.2μm之间，周期为1μm~6μm之间；入射到焦平面的红外辐射，波长在氮化硅本征吸收范围内的首先被氮化硅吸收一部分。由于铝网格谐振器的存在改变了焦平面整体的等效介电常数和等效磁导率，焦平面在宽谱范围内具有较低的反射率，其余的入射光穿过上面的结构入射到铝谐振器层，激发表面等离激元，大部分入射光的能量被局限并吸收，其余的入射光经由金反射层的反射再次来到焦平面结构中被吸收；参见图12所示本实施案例吸收谱，其中黑色实线为本实施例的吸收谱，虚线为现有焦平面的吸收谱；可以看到，8μm处，吸收率由原来的15%提高到了65%，8
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14μm波段内的平均吸收率提高到了89%以上，在9
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18μm的宽谱范围内吸收率保持在80%以上。
28.实施例9一种等离激元谐振器的红外探测器参见图13所示，一种等离激元谐振器的红外探测器，该结构由上至下依次为：非晶硅热敏电阻层，氮化硅支撑层，铝网格谐振器层，1/4λ谐振腔，金属反射层；
所述的铝网格谐振器层为表面图形化阵列的等离激元谐振器；所述的金属反射层采用铝反射层；所述的非晶硅热敏电阻层在30nm~200nm之间，氮化硅支撑层的厚度为100~150nm。谐振腔的厚度为2μm~4μm之间，铝反射层的厚度为50~100nm；所述的铝网格谐振器层的厚度为10nm~150nm之间，宽度为100nm~1.2μm之间，周期为1μm~6μm之间；入射到焦平面的红外辐射穿透非晶硅热敏电阻层，一小部分被氮化硅支撑层吸收，其余的与铝网格谐振器耦合产生表面等离激元；大部分入射光的能量被局限并吸收，其余的入射光经由金反射层的反射再次来到焦平面结构中被吸收；由于去掉了氮化硅吸收层，整体的热容减小，同等的能量入射可以为非晶硅热敏电阻层提供更多的温升，进而提高焦平面的性能；参见图14所示本实施例的吸收谱，其中黑色实线为本实施例的吸收谱，虚线为现有焦平面的吸收谱；可以看到，8μm处，吸收率由原来的15%提高到了80%，8.5
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15.5μm波段内的吸收率保持在90%以上。
29.表面等离激元谐振器的宽度和周期经过合理的设计可以在长波红外波段实现表面等离激元谐振吸收率，将入射光局限在亚波长尺度内并被金属谐振器和下层的氮化硅吸收。表面等离激元谐振器可以根据需要加在氮化硅吸收层的上面或者位于氮化硅吸收层的下面。
30.表面等离激元谐振器可以在长波红外的宽谱范围内提高红外焦平面的吸收率，由于金属谐振器的占空比很小且厚度很薄，焦平面整体的热容几乎没有提高，因此可以有效提高焦平面的性能。其次，由于表面等离激元谐振器提供了宽谱的高吸收，原来作为吸收层的氮化硅的厚度可以减小，进而减小焦平面的热容，得到了更高的温升系数。此外，由于表面等离激元谐振器的响应波段可以通过改变其几何参数来调整，因此集成了表面等离激元谐振器的红外焦平面的工作波长不再受限于吸收层的材料限制。另外可以通过设计表面等离激元谐振器实现偏振选择吸收，窄带吸收，多峰吸收等，传统的焦平面往往需要配置偏振片或滤波片才能实现这些功能，集成了表面等离激元谐振器的焦平面可以大大简化系统的复杂度并实现更丰富的探测功能。