利用光柵提高紅外非制冷熱探測器效率的研究

吳元慶，張金晶，劉春梅，陸曉東，周 濤

（渤海大學 新能源學院，遼寧 錦州 121013）

利用光柵提高紅外非制冷熱探測器效率的研究

吳元慶，張金晶，劉春梅，陸曉東，周 濤

（渤海大學 新能源學院，遼寧 錦州 121013）

非制冷探測器的制備，最常用的方法是通過微機械加工在CMOS讀出電路上制作懸橋來實現。傳感器將吸收的熱量轉化為電壓信號或電流信號變化由檢測電路檢出，但該結構吸收效率偏低。本研究提出了一種基于表面等離子體諧振吸收的紅外探測器結構。分析了光柵及器件結構參數對紅外光學吸收的影響，采用COMSOL軟件仿真，研究了金屬-介質-金屬三明治結構紅外探測器的吸收效率，并通過結構參數的優化使吸收結構對特定紅外波段的吸收率達到98%以上，在整個波長范圍內平均吸收效率達30.5%。

非致冷；紅外；探測器；等離子體諧振；光柵；結構優化

非制冷熱成像探測器陣列的研究于 20世紀 60年代被提出，并于20世紀70年代末進入迅速發展階段。在過去的幾年內，非制冷紅外焦平面技術得到了飛速發展，并在軍事、商業和民事中得到成功應用。非制冷熱成像探測陣列的使用使得整個紅外熱成像系統省去了復雜的制冷系統，成本大大降低，同時非制冷熱成像傳感器又具有質量輕、功耗低、體積小、性能可靠和操作方便等優點，所以在很多領域中，原先使用的制冷型紅外探測器正在被非制冷型紅外探測器所代替[1-3]。

目前應用最廣泛的紅外設備是紅外非制冷探測器，其最常用的方法是通過微機械加工在CMOS讀出電路上制作懸橋來實現微測輻射熱計。本文研究的是其中的一種基于 VOx（氧化釩）熱敏材料的電阻型測輻射熱計，其原理是利用 VOx敏感膜電阻率隨溫度的變化，從而將探測器上接收到的光熱信號轉化為電壓信號或電流信號變化由檢測電路檢出。為了提高該類型的傳感器對于熱輻射的吸收效率，本文研究了基于表面等離子體激發的光柵結構。

表面等離子體激元是一種在導體表面傳播的電磁波，是外界光場與金屬表面處的自由電子相互作用產生的一種混合激發態。相互作用過程中，自由電子會在與其同頻的光子的照射下發生集體振蕩，形成了沿著平坦金屬/介質界面傳播的SPPs（surface plasmon polaritons，表面等離子激元）。這種激發態局限于界面附近，且其場強在界面垂直方向呈指數分布[4-5]。

金屬等離子體激元的激發方式主要包括：棱鏡耦合，利用全反射消逝波激發；波導模耦合通過波導兩側的消逝波激發；強聚焦光束，通過高數值孔徑提供的大入射角度滿足波矢匹配條件；光柵耦合，通過光衍射產生能滿足波矢匹配條件的光柵矢量；近場激發，通過探針尖產生包含不小于SPPs波矢量的光波。本研究采用太陽能電池陷光結構常用的光柵耦合方式激發等離子體激元，并通過光柵周期的調制來調整共振波長，進而進一步增進光吸收[6-8]。

采用光柵結構促進光吸收在太陽能電池等領域應用較廣泛，但用于紅外非制冷探測器的吸收方面，目前研究的還不多。采用有限元法，本文研究利用光柵結構提高紅外非制冷熱探測器吸收效率的方法，理論證明該結構的可行性。

1 器件模型及原理

圖1 傳感器像元結構和剖面圖Fig.1 Structure of pixel and profile of sensor

設計的非制冷紅外探測器是基于光柵結構的紅外微測輻射熱計，結構示意圖如圖 1所示。圖 1(a)是紅外探測器的像元結構圖，左右兩側為整個像元結構的支撐懸臂。圖1(b)為紅外吸收光柵結構的剖面圖，自上而下依次為金屬光柵、氮化硅鈍化層、氧化釩熱敏層、氮化硅支撐層和金屬反射層。光柵結構位于探測器像元的上部，沉積在氮化硅鈍化層之上。氮化硅材料由于具有熱穩定性高、抗氧化和機械強度高等特點，包覆在氧化釩上下兩側，一方面起到絕緣作用，另一方面形成支撐層，減小熱損耗，將整個器件支撐在襯底上形成懸空結構。探測器的熱絕緣性能是影響探測率的關鍵因素，兩側懸臂梁上的金屬導線則同氧化釩的兩端直接接觸，連接底部處理電路構成導電回路，橋臂同時兼顧機械支撐、熱導通道和電學通道三種功能。

入射光由頂部入射，透過光柵后被多層膜結構吸收，探測器的溫度隨之發生變化，進而引起氧化釩的阻值變化，經過外圍電路處理完成光的吸收探測。整個吸收結構作為非制冷紅外探測器的敏感吸收單元，結合支撐橋腿和熱隔離空腔結構組成完整的紅外探測單元。器件設計的主要原理：使用金屬光柵進行耦合，以便在金屬和介質材料的交界處形成沿著材料表面橫向傳播的表面等離子體波，利用表面等離子體諧振效應(SPR)，使得器件產生增強吸收的效果。

2 光學吸收性能仿真

表面等離子體諧振通常發生在金屬和介質交界面處，但研究發現金屬氧化物同樣具有這種效應。金屬氧化物中的SPR現象可用Drude-Lorentz色散模型解釋[9]，VOx中的表面等離子體的色散關系可表示如下：

式中：ε∞為高頻介電常數；n為等離子體共振頻率；

c為衰減率；Sm為振蕩強度；m為諧振頻率；Гm為線寬；m為Lorentz項的階數。

本文采用COMSOL有限元軟件，對具有光柵式探測器結構的光吸收特性進行仿真，通過比較不同結構參數對于探測器吸收效率的影響，進而優化出更合格的模型。為了提高計算效率，僅分析一個周期的器件結構，在兩側使用周期性邊界條件，金屬光柵所用材料為金，其光學參數來自文獻[9]；VO2的光學參數由文獻[10]給出：

ε∞=3.95 eV，n=3.33 eV，c=0.66 eV，同時使用Lorentz項參數如表1。

表1 Lorentz項參數Tab.1 Parameter of Lorentz

探測器的初始結構參數設置為：光柵周期5 μm，金屬光柵占空比為0.5，光柵厚度100 nm，Si3N4鈍化層厚度200 nm，VO2層厚度100 nm，Si3N4支撐層厚度300 nm，底部為金反射層300 nm。仿真結構圖如圖1（b）所示。

3 結果與討論

由于S偏振光無法產生SPP波，因此默認入射光的電場方向為x方向，此時入射光的偏振方向平行于入射面，為P偏振。設置入射光波段為2 ～20 μm，分別仿真了不含光柵結構時，各層厚度對于熱吸收效率的影響。同時對于含有光柵結構時，分別考慮金屬光柵占空比、周期、深度等參數對器件在中紅外波段的光學性質的影響，得到吸收譜線。

3.1 無光柵結構時，模型參數對性能的影響

熱傳感器主要反映器件對熱的吸收和反應能力，從傳感器的結構上來看，硅讀出電路上方通常用熱導率小的氮化硅制作絕熱微橋來支撐，橋面上沉積氧化釩薄膜等熱敏感薄膜，它們通過兩條支撐臂上的引線與Si襯底中的信號處理電路相連。這樣敏感膜吸收的熱量絕大部分只能從支撐臂傳入Si襯底，降低了探測器的熱導，提高了紅外輻射引起的溫度變化幅度。電阻上方用Si3N4作為紅外吸收膜，紅外光照射在探測器上時一部分被吸收層吸收，另一部分透過吸收層和敏感膜被金屬反射層反射回來，再次被吸收膜所吸收。

從上面可以看出鈍化層氮化硅的厚度對器件性能的影響相當明顯，首先，熱輻射要通過它才能傳達到吸收層的位置，而且還要對器件起到保護和絕緣的作用。不同厚度的鈍化層，對熱的吸收效率有不同的影響，在此基礎上，對不同厚度的鈍化層的器件進行了仿真計算，結果如圖2。

圖2 無光柵結構時鈍化層厚度對吸收效率的影響Fig.2 Influence of the passivation layer thickness on absorption efficiency without grating

從計算結果上可以看出，鈍化層厚度直接影響了入射波長在2～3 μm之間的第一個吸收峰，隨著鈍化層厚度的增大，第一個吸收峰吸收率明顯下降，同時，伴隨著發生波長10～14 μm之間第二個吸收峰產生紅移。

同時，氧化釩的厚度也會大大影響器件的吸收效率（如圖 3），從氧化釩厚度的計算結果來看，圖3中可以明顯看出，氧化釩的厚度對于吸收效率的影響，吸收譜線隨著氧化釩厚度的變化而發生明顯的紅移，從而，對第二個吸收峰的位置可以通過氧化釩的厚度來進行調制。

圖3 無光柵結構時氧化釩厚度對于吸收效率的影響Fig.3 Influence of VOxthickness on absorption efficiency without grating

3.2 含有光柵結構時，模型參數對于模型的影響

對器件增加光柵陷光結構（金光柵周期5 μm，光柵占空比為0.5，光柵厚度100 nm）后，會對器件的吸收譜產生影響，結果如圖4和圖5，從計算結果看，分別反映了增加光柵結構對于器件的吸收譜造成明顯變化，吸收峰從2個變化成4個，在4 μm波長處出現一個新的吸收峰，8 μm處出現一個小的吸收峰，原來10～12 μm間的吸收峰發生明顯變化，在特定波長處吸收效率可以超過95%。

而且，鈍化層厚度的影響與不加光柵結構時產生明顯區別，效果依然是在2.5 μm處出現第一吸收峰，但吸收效率明顯下降，從80%下降至60%左右，同時吸收效率也隨鈍化層厚度的增大而加強，紅移現象依然。

圖4 鈍化層厚度對于吸收效率的影響Fig.4 Influence of the passivation layer thickness on absorption efficiency with grating

圖5 氧化釩厚度對于吸收效率的影響Fig.5 Influence of VOxthickness on absorption efficiency with grating

分析原因是由于光柵結構與鈍化層之間產生等離子體吸收，即SPP波，電場位于鈍化層內部，從而SPP波的傳播和吸收與鈍化層的厚度有密切關系，厚度越大吸收越完全，吸收效率越高。

而氧化釩的吸收效率沒有發生明顯變化，厚度影響的依然是吸收譜線的峰值位置。隨著厚度的增加，發生譜線紅移。

對光柵的參數進行調整并比較不同光柵參數（占空比、周期、厚度）對于吸收效率的影響如圖6、圖7、圖8。圖中可以看出，占空比對于吸收效率的影響，主要反映在對于吸收峰的改變，尤其是6～8 μm間的吸收峰，吸收峰隨占空比的縮小向右側移動，峰值也有所下降。周期的改變對于吸收效果也類似，峰值隨周期的降低而紅移且峰值下降。光柵厚度對于吸收效率的影響在于隨著光柵厚度的縮小，其吸收效率會顯著提高。

圖6 不同占空比對于吸收效率的影響Fig.6 Influence of duty cycle on absorption efficiency

圖7 光柵周期對于吸收效率的影響Fig.7 Influence of grating period on absorption efficiency

圖8 光柵厚度對吸收效率的影響Fig.8 Influence of grating thickness on absorption efficiency

3.3 優化后的模型

優化的參數設置為：光柵周期3 μm，金屬光柵占空比為0.5，光柵厚度3 nm，Si3N4支撐層厚度200 nm，VO2層厚度350 nm，Si3N4鈍化層厚度200 nm。

優化后模型的仿真結果如圖9所示。

圖9 優化后模型的吸收效率仿真結果Fig.9 Absorption efficiency of optimized model

該結構下器件共有三個主要吸收峰，與同類型的結構相比[12]，最高吸收效率位于10～14 μm，可達99.4%（文獻[12]的最大吸收效率是90%），4 μm處吸收效率可達 97%，器件可以獲得良好的光學吸收效果。在整個波長范圍內平均吸收效率達30.5%。三個吸收峰對應的電場分布如圖10所示。

同時，有試驗表明，順利通過大氣的紅外輻射主要有三個波段范圍，即1～2.5 μm，3～5 μm，8～14 μm[11]，通常把這三個波段范圍稱為大氣窗口。該結構的吸收峰值正好位于這三個大氣窗口內，可知該結構對于改進紅外熱探測器的吸收效率具有重要意義。

4 結論

介紹了一種紅外吸收新型微測輻射熱計結構，分析了其結構對于光學性能的影響，利用SPP諧振吸收原理使得器件的吸收譜處于中紅外波段，吸收峰值達到 98%以上，同時，調整后的新結構三個吸收峰剛好對應三個大氣紅外吸收窗口，整個波長范圍內的平均吸收效率超過 30%。該方案增強了入射光吸收，提高了紅外非制冷熱探測器的吸收效率，對于其市場化有重要意義。

圖10 結構改進后三個吸收峰對應的電場分布圖Fig.10 The electric field distribution of the three absorption peaks

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（編輯：曾革）

Absorption efficiency improvement of uncooled infrared sensor by using grating

WU Yuanqing, ZHANG Jinjing, LIU Chunmei, LU Xiaodong, ZHOU Tao

(College of New Energy, Bohai University, Jinzhou 121013, Liaoning Province, China)

When heated by incoming IR radiation, an uncooled infrared sensor changes the temperature variation into a voltage or a current signal, which is detected by the readout circuit. Uncooled infrared sensors are usually made by building cantilevers on CMOS circuits. However, their performance is limited by the low absorption efficiency. To improve the absorption efficiency of an uncooled infrared sensor, the surface-plasmon-resonance structure was proposed. By COMSOL, the variation of the infrared absorption efficient with the structure parameters was simulated and analyzed. An absorption efficient of 98% within a specified spectral band and 30.5% averaged absorption efficiency within the whole wavelength range are reached by parameter optimization.

uncooled; infrared; detector; plasmon resonation; grating; structure optimization

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.12.009

TN215

A

1001-2028（2016）12-0040-05

2016-10-25

吳元慶

國家自然科學基金資助項目（No. 11304020）

吳元慶（1982-），男，遼寧莊河人，講師，研究方向是MEMS理論和設計，E-mail: wuyuanqing123@163.com 。

時間：2016-11-29 11:30:54

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20161129.1130.009.html