[发明专利]一种多孔/量子点复合结构红外探测器单元及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于红外探测技术领域，具体涉及一种室温非制冷红外探测器。

技术背景

非制冷焦平面红外探测是一种性能优良的非制冷红外探测器，因其轻便、结构简单而应用于国防、航天、医学、生产监控等众多领域中的各种传感技术中技术。红外探测器是一种通过红外敏感材料吸收红外线并把热转换为电信号的有力工具，是构成红外系统和热成像系统的核心组成部分。目前，商用市场采用的红外探测器多由衬底结构、支撑结构和桥面结构组成。其中桥面结构中的光吸收材料和热敏材料特性成为制约红外探测效率的关键。目前应用于红外探测器的该微桥面结构中的光吸收材料和热敏电阻材料多数集中在PZT、氧化钒、多晶硅等材料，通过器件结构的设计实现了不同程度地红外探测。伴随现代红外探测器探测波长范围和灵敏度要求不断提高，原有的红外吸收材料的吸收选择性和热敏特性的限制，探索基于新材料的红外探测器和MEMS工艺兼容性的提升正逐渐受到重视。

量子点材料具有量子尺寸效应及能级分立特性，在光电转化过程中往往会产生新奇的光电现象而备受关注。特别是基于量子点材料的光电探测器已经表现出优异的宽光谱响应、高灵敏度和高响应度特性。然而，由于量子点在制备和存放的过程中往往出现不同程度的团聚，致使量子点的优异性能不能发挥。量子点材料的分散控制问题已成为量子点应用的瓶颈。为了解决这一共性问题，基于之前我们提出的《一种多孔纳米金刚石制备方法》的专利技术和与金刚石较高的硬度和良好的热导性的特点，我们提出本专利提出一种基于多孔炭/量子点复合结构的红外探测器及制备工艺。

发明内容

本发明基于多孔结构薄膜作为导热层和支撑层可以大幅度提高对量子点的分散性能，采用不同尺寸多孔结构薄膜作为量子点分散层，对量子点进行隔离，提高量子点分散性。与此同时，炭/硅多孔结构薄膜具有较好的热传导特性和MEMS硅工艺兼容的特点，有利于光电器件的导热和焦平面加工集成。将多孔薄膜生长在氮化硅衬底，通过调整生长参数的调节可以控制支撑层的厚度和孔径，并确保多孔薄膜表面平整度。通过量子点涂布，可以使其在多孔结构上进行很好的分散，使器件具有高的导热性和光吸收，确保了每个像素单元的完整度。

本发明针对现有光电探测器的技术特点，旨在提供一种多孔/量子点结构红外探测器，本发明的技术方案如下:

一种多孔/量子点结构红外探测器，其特征在于，包括基底；所述基底上设置周期性红外探测基元阵列，单个所述红外探测基元包括位于基底上的衬底和生长于衬底上的多孔结构薄膜，所述多孔结构薄膜的孔隙内部为红外敏感材料量子点。

进一步的，所述基底内设置ROIC集成电路。所述基底优选硅基底。

作为优选，所述衬底为氮化硅或SOI。

作为优选，所述多孔结构薄膜的材料选自：DLC、金刚石、石墨烯、非晶碳。

作为优选，多孔结构薄膜尺寸为2-50纳米，薄膜厚度50-200纳米。

作为优选，所述红外敏感材料量子点选自PbS、PbSe、石墨烯、InP,CuInS、CuInSeS；量子点尺寸在3-20纳米范围。

作为优选，所述多孔结构薄膜表面还保护钝化封装层。

本发明还提供一种多孔炭/量子点结构红外探测器的制备方法，包括以下步骤:

1)在衬底上生长多孔结构薄膜；

2)抛光多孔结构薄膜，确保薄膜结构的平整度；

3)制备尺寸可控的红外敏感材料量子点；

4)将红外敏感材料量子点旋涂到多孔结构薄膜的孔隙中，烘干；

5)进行阵列化加工，获得周期性红外探测基元。

作为优选，步骤1)所述多孔结构薄膜采用化学气相沉积技术制备。

作为优选，步骤2)采用采用氧等离子刻蚀技术进行抛光。进一步优选，氧等离子刻蚀功率在100-400瓦，刻蚀速度控制在2-5纳米/分钟。

作为优选，采用化学合成技术制备红外敏感材料量子点。进一步优选，用溶剂对量子点进行预分散，量子点浓度(g/ml)为6-20％，溶剂为水或乙醇。更优选，采用超声分散20分钟，超声功率20-80瓦。

作为优选，所述步骤4)中旋涂方式为匀胶旋涂，旋转速度为1000-5000转/分钟；烘干温度80-150，烘干时间为0.5-1h。

作为优选，所述步骤5)中光刻采用显影、曝光、RI E刻蚀等阵列加工技术。

进一步，利用光刻、掩膜、腐蚀、沉积及电化学腐蚀自停止等工艺制备金属导线与硅衬底形成热传导器件，实现非制冷热红外探测器的制备。