[发明专利]复合薄膜作为红外吸收层的热电堆红外气体探测器及其加工方法

说明书

本发明属于热电堆红外气体探测器的技术领域，具体涉及一种复合薄膜作为红外吸收层的热电堆红外气体探测器及其加工方法，解决了传统热电堆红外探测器热电转化率低和释放过程中悬浮结构易损坏等问题。其包括SOI衬底、热偶条、SiO₂介质层、金属连接和焊盘、SiO₂隔离层以及吸收层，N/P多晶硅热偶条的冷端支撑于SOI衬底，吸收层悬浮设置于探测器的顶部。本发明利用复合纳米薄膜对近红外波段较强的吸收率，并且将吸收层悬浮于器件上方，提高了器件单元占空比，相应地提高探测器的响应率和探测率，进而优化探测器的性能指标。

技术领域

本发明属于热电堆红外气体探测器的技术领域，具体涉及一种复合薄膜作为红外吸收层的热电堆红外气体探测器及其加工方法。

背景技术

自1800年W.herschel发现红外辐射至今，红外探测技术被广泛地应用于夜视仪、红外制导、热像仪等军事领域，也被应用于气体检测、公共安全、红外测温等民用领域。热电堆红外探测器的工作原理是基于塞贝克效应，即两种不同材料A和B有公共连接端作为热端，另一端不相连作为冷端，当热端受热时，在A和B组成的回路中产生电势使热能转变为电能。该电势差取决于金属的电子逸出功和有效电子密度这两个因素，半导体材料的温差电势较大，可作为塞贝克材料。输出电势与温差关系表达式为：Uout=（αA-αB）*ΔT。其中αA、αB分别为两种材料的塞贝克系数。

热电堆红外探测器因其工作原理简单、数据处理简便、无需斩波器、无需偏置电压、工作波段带宽大而成为主流红外探测器。为提高热电堆红外探测器性能，大量的研究基于器件尺寸优化和研发高吸收率材料而展开，具体方法包括降低热电堆导热过程中的辐射导热和对流导热来提高热转换效率，以及增大有效导热长度等。在提高器件占空比的研究中，王跃林团队成功加工了诸多正面释放的单层悬浮结构，克服了背腔腐蚀对硅衬底晶向的要求，实现了对尺寸的进一步降低，但是单层排布的热电偶和吸收层互相限制了各自有效功能区域的增大。为了进一步提高空间利用率，Toriyama的团队成功制造了一种纵向排布的热电偶阵列，下部和衬底相连作为冷端，其热端在上部，共同支撑一张吸收层薄膜。但是制作热电偶过程中仍残余较大应力，导致热电偶弯曲，以这种弯曲热电偶来作为吸收层的支撑结构，不利于结构的稳定性，同时弯曲热电偶的两端和吸收层以及衬底的接触不佳，不利于提高器件整体的热点转换效率。因此，更多的研究把优化器件性能，同时提高器件占空比的焦点集中在将吸收层和热电偶置于不同的平面。Marc C. Foote成功加工了双层聚酰亚胺牺牲层的热电堆红外探测器，实现了热电偶与衬底、吸收层与热电偶的分离，但是热电偶热端置于器件中间，与热偶条热端接触，这就导致了热偶条共用同一热端，引起较大热串扰。与此同时，热偶条材料采用Bi-Te和Bi-Sb-Te的材料，也并不与CMOS工艺兼容，不利于高精度的批量生产。

发明内容

本发明为了解决传统热电堆红外探测器热电转化率低和释放过程中悬浮结构易损坏等问题，提供了一种复合薄膜作为红外吸收层的热电堆红外气体探测器及其加工方法。

本发明采用如下的技术方案实现：

一种复合薄膜作为红外吸收层的热电堆红外气体探测器，包括SOI衬底、热偶条、SiO₂介质层、金属连接和焊盘、SiO₂隔离层以及吸收层，其特征在于N/P多晶硅热偶条的冷端支撑于SOI衬底，吸收层悬浮设置于探测器的顶部。

SOI衬底上设置对称的双隔离槽，两个隔离槽上方分别对应设置有沿探测器的对称轴排布的悬浮设置的热偶条，热偶条的冷端设置于探测器的对称轴之上并由SOI衬底支撑，热偶条与SOI衬底之间为SiO₂介质层，热偶条上部为SiO₂隔离层，SiO₂介质层与SiO₂隔离层厚度相等，两排热偶条的热端上方分别对应刻蚀聚酰亚胺牺牲层形成的热接触槽，SiO₂隔离层之上为聚酰亚胺牺牲层释放后的空腔和热接触槽，空腔之上为整体覆盖于探测器顶部的悬浮的吸收层，吸收层仅通过热接触槽与热偶条的热端连接。