阅读说明：本技术 一种基于微腔谐振选频的高性能窄带红外探测器 (High-performance narrow-band infrared detector based on microcavity resonance frequency selection ) 是由 甄红楼 聂晓飞 陆卫 尹伊哲 周孝好 于 2020-04-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于微腔谐振选频的高性能窄带红外探测器。探测器利用材料的红外吸收特性结合器件结构的特定设计进而可以实现红外波段的窄带探测。具体来说,通过将探测器设计成特定的微腔结构,基于微腔结构的共振模式,可以实现对入射红外光的窄带选频探测,并且这种共振模式可极大提高器件的吸收量子效率。通过调节掺杂浓度,在提高吸收量子效率的同时还可以有效的降低器件的暗电流,从而实现一种高性能的、免滤波的窄带红外气体探测器。此外,该器件的器件工艺与现有的红外焦平面工艺完全兼容,可以很方便地实现一种具有本征窄带探测性能的红外焦平面探测器芯片。(The invention discloses a high-performance narrow-band infrared detector based on microcavity resonance frequency selection. The detector utilizes the infrared absorption characteristic of materials and combines the specific design of a device structure to further realize the narrow-band detection of an infrared band. Particularly, the detector is designed into a specific micro-cavity structure, and based on the resonance mode of the micro-cavity structure, narrow-band frequency-selective detection of incident infrared light can be realized, and the absorption quantum efficiency of the device can be greatly improved by the resonance mode. By adjusting the doping concentration, the dark current of the device can be effectively reduced while the absorption quantum efficiency is improved, so that the high-performance filtering-free narrow-band infrared gas detector is realized. In addition, the device process of the device is completely compatible with the existing infrared focal plane process, and the infrared focal plane detector chip with the intrinsic narrow-band detection performance can be conveniently realized.)

一种基于微腔谐振选频的高性能窄带红外探测器

技术领域

本发明涉及窄带红外气体探测技术，具体是指通过对探测器材料以及器件结构的特殊设计，可以实现一种完全免滤波的，具有像元级窄带探测功能的高性能红外焦平面芯片技术。

背景技术

红外气体成像探测是利用被测气体在特定波段(通常指气体的指纹波长)的红外吸收特性进行红外成像探测的。在对气体成像探测中，通常将探测器的工作波段设计到气体的指纹波长处，由于气体在其指纹波长处具有较强的红外吸收，当气体存在时，到达探测器光敏元的辐射会因气体的存在而明显区别于周围空气背景，从而在所拍摄的图像上呈现出明显的烟雾状态，因此可用来实时监测气体泄漏。红外气体成像探测是一种可以将不可见气体可视化的技术，由于具有探测灵敏度高，可远距离工作，安全，快速，可靠等优点，目前已被广泛应用于工业领域的气体检测。如，石油石化行业中可燃气体(甲烷以及碳氢化合物等)的检测；煤炭开采中有毒有害以及可燃气体的检测；食品、药品行业中制冷剂的泄露检测等。

从技术角度考虑，在红外气体成像探测中，由于气体特征波长处的带宽往往较窄(<200nm)，为了提高气体探测灵敏度，通常要求探测器在指纹波长处的响应带宽也较窄(300nm～400nm)，此时探测器将主要接受目标气体的红外辐射信号，而对响应带宽以外的背景信号则可有效屏蔽，这将大大提高系统的探测灵敏度。目前典型的基于带间跃迁的红外探测器(如碲镉汞红外探测器,锑化铟探测器等)，其响应带宽普遍较宽，为了满足气体探测的需求，通常采用的方法是在探测器前加滤光片或分光光栅，使特定波段的红外辐射进入红外探测相机，进而达到提高探测灵敏度的目的。

量子阱红外探测器作为一种基于子带间跃迁的红外探测器，其响应带宽相对较窄(1μm-2μm)，同时大面阵器件性能良好，成品率高，这成为其应用于气体红外成像探测的重要优势。例如在长波红外波段已有基于量子阱红外探测器的用于监测SF₆气体泄漏的(其指纹波长为10.55μm)商用红外成像检测设备(美国FLIR公司)。(注：SF₆气体作为高压断路器和开关设备中作为绝缘介质，一旦发生泄漏就会对电力设施、环境以及人员造成危害)。总体来说，量子阱红外探测器的响应带宽对气体探测而言仍然较宽，现有商业设备依然需要用额外附加的滤光片等来压缩响应带宽进而提升探测灵敏度。另一方面，量子阱红外探测器的吸收量子效率偏低，这也是制约器件性能的重要因素。因此，如果有一种技术，在压缩量子阱红外探测器响应带宽的同时可提高器件吸收量子效率，提升器件总体性能，则对气体的红外成像探测将有重要的应用价值。本发明给出了一种与传统红外焦平面工艺兼容的，可以实现窄带气体探测的高性能红外焦平面芯片技术。其中量子阱材料被设计成特定的微腔结构，利用微腔结构自身的谐振选频功能以及对材料参数的有效优化，使得探测器天然具有窄带探测的功能，同时还可有效提升器件性能。

发明内容

本发明提出了一种基于微腔谐振选频的高性能红外焦平面探测器芯片技术，所涉及的微腔结构由材料结构和器件结构共同决定。具体是指通过在探测器像元表面包覆金属形成一种包含了金属微腔的红外探测器，该金属微腔经过特殊设计可以使特定波长的红外光耦合进来形成共振腔模，然后被台面内的低吸收探测器材料(比如量子阱红外探测器材料，量子级联探测器材料)所吸收，从而在像元级尺寸实现对特定波段的选择性探测。由于金属微腔结构中谐振模式的存在，入射光可以在腔内被多次吸收，从而器件的吸收量子效率可以得到极大提升。另一方面，由于谐振腔的谐振选频作用，器件响应带宽可以被显著压缩(压缩到气体探测的典型带宽300nm左右)，使得器件具有本征的窄带响应特性。此外，由于材料结构参数与谐振效应密切相关，还可以通过调节材料参数进一步调节器件性能。因此可以预期，这种高量子效率的窄带响应器件在气体的红外成像探测方面具有重要的应用价值。

本发明的技术方案是：金属微腔结构红外探测器通过在低吸收探测器材料上制备的台面结构形成，而探测器像元台面表面依次包覆有绝缘介质和金属薄膜，从而形成金属包覆的探测器微腔结构。其结构如附图1所示。探测器材料从下往上依次是下电极层、光吸收层和上电极层。探测器台面刻蚀到下电极层，每个台面的上表面根据设计刻蚀出特定形状的光栅槽(比如线形槽和矩形阵列槽等)来增加光耦合效率。台面表面和侧壁覆盖一层绝缘介质，然后整个台面再覆盖一层金属薄膜形成金属微腔。探测器台面根据所需探测波长设计合适的长、宽、高等尺寸参数，使得最后形成的金属微腔支持所需的共振模式。红外光从下电极层入射到金属微腔内。上、下电极通过铟柱和读出电路互联，形成最终的探测器组件。

本发明的优点是：

1、本发明利用探测像元自身的金属微腔结构进行谐振选频从而实现窄带探测，因此是一种本征的、片上窄带探测器技术。由于不需要额外的滤光元件，因此器件工艺难度和制冷功耗等可显著下降。

2、本发明中的金属微腔探测器像元在进行谐振选频的同时，由于增加了入射光在金属腔内的共振吸收，因此器件吸收量子效率可以大幅提升。同时，由于共振吸收效应降低了材料吸收量子效率对掺杂浓度等的依赖，因此可以实现低掺杂浓度下的高量子效率红外探测器，这是提升器件探测灵敏度的关键因素。

3、本发明中的金属微腔结构器件，可以通过调节器件的横向尺寸来调节其共振波长，而器件横向尺寸的调节在微电子工艺中很容易实现，因此器件探测波长在一定范围内很容易调控。这使得双波段或多波段的片上气体差分探测在这种焦平面芯片中可以很容易地实现(本发明人之前申请的一项专利，申请号：CN201810089425.2)。

4、本发明中的金属微腔结构器件，可以利用探测器台面特殊设计来实现偏振探测。此时，只要探测器台面、金属微腔以及台面上的光栅槽根据需要按特定方向设计，金属微腔就对入射光具有很强的偏振选择性，所以利用本发明的探测器还可以很容易的实现偏振探测。

附图说明

图1为本发明金属微腔红外探测器的结构示意图。

图2为吸收峰位在10.6μm波长处的GaAs和Al_xGa_1-xAs量子阱材料结构参数以及计算的材料能带结构示意图。

图3为本发明实施案例中不同掺杂浓度下红外探测器材料吸收层的吸收系数。

图4为本发明实施案例中不同掺杂浓度下金属微腔红外探测器内吸收层吸收谱，这里是用有限元方法模拟得到的结果。

图5为本发明实施案例中不同掺杂浓度下金属微腔红外探测器内吸收量子效率及暗电流计算结果。

图6为本发明实施案例中红外焦平面的示意图及气体检测示意图，图中的灰度条表示探测器信号强度。

具体实施方式

根据本发明的技术方案，金属微腔探测器可以实现红外波段的窄带探测。本发明的基本结构如附图1所示，下面用GaAs和Al_xGa_1-xAs量子阱材料作为探测器材料对本发明的金属微腔红外探测器的具体实施方式做进一步详细说明。

本发明的金属微腔红外探测器像元结构包括探测器台面、绝缘介质和金属薄膜，如附图1所示。这里探测器材料采用GaAs和Al_xGa_1-xAs量子阱材料，量子阱材料的吸收峰位可通过Al组分x和阱宽调节，根据所需探测波长设计合适的量子阱材料参数，然后采用分子束外延技术进行生长，附图2给出了针对SF₆气体10.6μm特征波长的量子阱材料结构。基于附图1所示的结构形式，根据所需的共振波长设计探测器的台面尺寸，比如台面宽度、高度以及光栅槽的宽度、深度和周期等。然后通过半导体工艺将量子阱材料加工成如附图1所示的台面结构，其中材料衬底和腐蚀阻挡层会在器件倒焊互联后经过机械减薄和化学腐蚀等工艺去掉。

将上述金属微腔红外探测器作为基础像元进行阵列排布，就可以实现免滤光片或分光光栅的窄带气体红外成像焦平面芯片。再者还可以通过半导体工艺将两个或多个不同探测波长的器件组合成一个超像元(也可以将两个或多个探测波长的器件按照实际需求线列排布)，从而实现双/多像元差分红外气体成像焦平面。

下面以SF₆气体作为成像探测目标，对金属微腔红外探测器的设计以及其在窄带气体探测上的应用效果做进一步说明。

探测器材料设计：SF₆气体的特征波长在10.6μm，所以量子阱材料的本征吸收峰位需要设计在10.6μm附近，附图2给出了所设计的材料结构及其能带结构。图3给出了这一材料不同掺杂浓度下吸收层的吸收系数，图中材料的本征吸收带宽在1.1μm左右。

探测器结构设计：探测器的结构设计要支持10.6μm处的腔模共振。这里台面宽度21μm，台面高度3.1μm。台面上共6个光栅槽，宽度w＝1μm，深度0.4μm，两个槽的距离p＝3.5μm。本实例中所用的绝缘介质为HfO₂，通过原子层沉积工艺生长，厚度50nm。台面表面和侧壁用300nm Au膜作为金属薄膜，Au膜和绝缘膜之间会先生长约5nm Ti膜来增加Au膜的粘附性。图4给出了不同掺杂浓度下所设计的金属微腔红外探测器的吸收光谱，这里是用有限元方法模拟得到的结果。由于谐振腔的腔模共振效应，图中探测器的光谱响应带宽可以被压缩到0.2μm左右。

探测器性能优化：腔模的共振效果由材料参数和器件参数共同决定。与传统器件不同，器件的吸收量子效率主要决定于材料的吸收系数(对于量子阱器件，材料的吸收系数正比于材料掺杂浓度)，金属微腔器件可以在材料吸收系数较低的情况下依然有较高的探测量子效率。图5给出了不同掺杂浓度下(也即不同吸收系数下)金属微腔红外探测器内吸收量子效率及暗电流计算结果。从图中可以看出，当材料的掺杂浓度取1×10¹⁷cm^-3时，器件具有较高的吸收量子效率(80％)。这意味着可以在较低掺杂浓度下获得优异的器件响应性能，而较低的掺杂浓度可明显降低器件的暗电流，因此，从提升响应和降低暗电流两方面考虑，金属微腔器件将具有优异的窄带气体探测性能。

探测器制备：探测器制备通过传统的半导体工艺实现。首先通过光刻、刻蚀等方法制备表面光栅和台面，然后在每个台面的上、下电极层制备欧姆接触电极，之后整个台面和侧壁再覆盖绝缘介质，在覆盖金属薄膜前把台面上的绝缘介质刻蚀掉，这样上电极层上的欧姆接触电极就和金属薄膜相连，最后在上下电极区域蒸镀铟柱，完成和读出电路的互联。附图6给出了最终的红外焦平面的示意图及气体检测示意图。

本发明的所用的探测器材料包含但不仅限于上述实例所采用的GaAs和Al_xGa_1-xAs量子阱材料。金属微腔的台面结构包括但不仅限于上述实例所采用的矩形，台面上的光耦合结构包括但不仅限与上述实例所采用的线形光栅槽。上述实施实例和相关示意图只是对本发明的技术方案和原理的进一步详细说明，并未对本发明作任何限制，凡是依据本发明的技术实质，所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本专利的保护范围内。