用于热检测器的吸收器结构

技术领域

本申请主要涉及适用于热检测器的吸收器结构。

背景技术

在不承认本文描述的任何技术代表现有技术的情况下，本节示出有用的背景信息。

一种热辐射热测量计型检测器，包括悬置在反射元件上方的吸收纳米/微桥或膜。可以应用超材料吸收器以在检测器中提供波长选择。然而，使用超材料吸收器通常容易增加热质量并且限制设计低热容量吸收器的可能性，进而容易限制检测器的速度。

为了快速操作，辐射热测量计的所有感测元件均应该具有低热容量和高热导率，而对热功率的良好响应则需要到热路径的低热导率和高吸收膜。然而，归因于需要支撑、温度传感器(温度计)和/或附加吸收器(例如金属-绝缘体-金属、MIM)结构，现有解决方案不允许显著地减少热质量(热容量)。此外，利用传统方法难以获得超宽带和超窄带吸收以及可调谐带吸收，和/或者获得超宽带和超窄带吸收以及可调谐带吸收的成本较高。

现在提供一种新型吸收器结构。

发明内容

在权利要求中阐述了本发明示例的各个方面。

根据本发明的第一示例方面，提供了一种用于热检测器的吸收器结构，该吸收器结构包括：

边缘，限定基本形式，以及

由导电材料制成的多个第一腿，多个第一腿以导电方式结合，以在吸收器结构的边缘之间形成具有开口的栅格，第一腿在吸收器结构的边缘之间形成至少一个连续连接。吸收器结构还包括：

由导电材料制成的多个第二腿，多个第二腿以导电方式结合至第一腿，其中第二腿从第一腿突出至栅格的开口中，并且在与邻近的第一腿相距一距离的终止点处终止。

在一个实施例中，电连接特性在所述终止点处改变。

在一个实施例中，终止点包括自由空间。

在一个实施例中，第二腿在终止点处连接至第二件材料，第二件材料与第二腿相比具有不同的电连接特性。

在一个实施例中，第二件材料由与第二腿的材料不同的材料制成和/或具有与第二腿的几何形状不同的几何形状。

在一个实施例中，不同的几何形状设置有由导电材料制成的线材，该线材具有比第二腿更小的横截面。

在一个实施例中，不同的材料是电介质材料、半导电材料或导电性差的材料。

在一个实施例中，第二件材料将第二腿连接至另一第一腿或另一第二腿。

在一个实施例中，导电材料包括金属、半金属或高掺杂半导体材料。

在一个实施例中，导电材料包括钛Ti、氮化钛TiN、钛钨TiW、钨W和铝掺杂氧化锌Al:ZnO中的至少一种。

在一个实施例中，第二腿形成周期性图案。

在一个实施例中，吸收器结构还包括由导电材料制成的第三腿，第三腿以导电方式结合至第二腿。

在一个实施例中，第二腿还包括与其它第二腿的直接导电连接。

根据本发明的第二示例方面，提供了一种热检测器，包括第一方面或任何相关实施例中的吸收器结构。

在一个实施例中，热检测器包括热电腿，并且吸收器结构形成热电腿之间的接触。

在一个实施例中，热检测器包括：反射元件和空腔，反射元件与吸收器结构呈堆叠构造，空腔形成在吸收器结构与反射元件之间。

在一个实施例中，形成在吸收器结构与反射元件之间的空腔的深度不同于目标吸收波长的λ/4。

在一个实施例中，吸收器结构用作热检测器的支撑结构。

本发明不同的非约束性示例方面和实施例已经在上文中进行了说明。前述实施例仅用于解释可以用于本发明实施方式中的选定方面或步骤。一些实施例可以仅参考本发明的某些示例方面来呈现。应当理解的是，相应的实施例也可以应用于其它示例方面。

附图说明

为了更加全面地理解本发明的示例实施例，现在结合附图参考以下描述，在附图中：

图1示出第一示例实施例的吸收器结构；

图2示出第二示例实施例的吸收器结构；

图3示出第三示例实施例的吸收器结构；

图4示出第四示例实施例的吸收器结构；

图5示出由多个图4的吸收器结构形成的吸收器结构；

图6示出第五示例实施例的吸收器结构；

图7示出由多个图6的吸收器结构形成的吸收器结构；

图8示出第六示例实施例的吸收器结构；

图9示出由多个图8的吸收器结构形成的吸收器结构；

图10A至图10C示出其它示例实施例的吸收器结构；

图11A至图11C示出根据某些实施例的热检测器的横截面图；以及

图12是一些实施例的吸收器的模拟结果曲线图。

具体实施方式

通过参考附图中的图1至图12，可以理解本发明及其潜在的优点。在本文档中，相似的附图标记表示相似部件或步骤。

本发明实施例提供了能够实现用于热检测器的高性能(高响应性)、低热质量(高速)吸收器的吸收器结构。术语“热检测器”一般是指通过加热吸收元件来监测电磁辐射的装置。热检测器也可以称为热光检测器。示例实施例的吸收器结构还可以用作温度传感器(例如温度计、热电堆等)和/或热检测器的电接触(或作为其一部分)。示例实施例的吸收器结构使得能够在不需要金属-绝缘体-金属结构的情况下提供热检测器。作为替代，可以使用真空、气体、气体混合物或空气腔。根据不同实施例的各种超材料类型吸收器可以针对不同的光谱范围和带宽来设计。

下面将讨论根据示例实施例的吸收器结构的各种示例。吸收器结构可以由形成单个结构化网格的金属、半金属或高掺杂半导体材料制成。可以使用的示例材料至少包括：钛Ti、氮化钛TiN、钛钨TiW、钨W、铝掺杂氧化锌Al:ZnO和SrTiO

图1示出第一示例实施例的吸收器结构101。吸收器结构101包括限定基本形式的边缘。该形式可以是平面形式。在本示例中，该形式是正方形。吸收器结构101包括由导电材料制成的多个第一腿 103-106、133-134。第一腿103-106、133-134以导电方式连接至其它第一腿103-106、133-134，以形成栅格102，该栅格102具有由第一腿和第一腿之间的连接限定的正方形开口。第一腿也可以被称为材料股线。栅格102在吸收器结构101的边缘之间延伸。

第一腿103-106、133-134提供吸收器结构的边缘之间的连续连接，从而将吸收器结构保持在一起，并且使得吸收器结构能够在热检测器中例如悬置在反射元件上方。

此外，吸收器结构101包括由导电材料制成的多个第二腿 107-110。第二腿107-110以导电方式结合至第一腿。例如，该连接可以在第二腿的一端处或在第二腿的中间。第二腿107-110从第一腿突出至栅格102的开口中，并且在与邻近的第一腿相距一距离的终止点处终止。电连接特性在终止点处改变。换句话说，第二腿不直接延伸至另一第一腿或与另一第一腿形成接触。例如，在图1中可以看出，结合至第一腿134的第二腿108在与邻近的第一腿133相距一距离的终止点135处终止。在图1的示例中，终止点处存在自由或空的空间。替代地，第二腿可以在终止点处连接至第二件材料。第二件材料表现出与第二腿的电连接特性不同的电连接特性。第二件材料可以由不同的材料和/或具有不同几何形状的材料制成。不同的材料可以是导电性较差的材料，诸如电介质材料、半导电材料或导电性差的材料。不同的几何形状可以是例如横截面比第二腿的横截面小的材料。这样，终止点可以被称为不连续点，并且第二腿107-110提供吸收器结构101 的边缘之间的不连续连接。

在一个实施例中，第一腿和第二腿形成平面结构，并且第二腿在与栅格相同的平面内突出到栅格的开口中。第二腿可以如图1所示的示例中一般相对于第一腿垂直地设置，或者第二腿可以以任何选定角度从第一腿突出。在一个实施例中，第二腿形成周期性图案，该周期性图案在由吸收器结构的边缘限定的形式上重复。

在一个实施例中，吸收器结构101包括由导电材料制成的第三腿 (图1中未示出)，第三腿以导电方式结合至第二腿107-110。

图2示出第二示例实施例的吸收器结构201。该示例与图1的示例类似，并且图1的公开内容也适用于图2，除了吸收器结构201包括以不同于90度的角度从第一腿突出的第二腿207-210。

图3示出第三示例实施例的吸收器结构301。该示例与图1的示例类似，并且图1的公开内容也适用于图3，除了图3示出限定具有三角形开口的栅格302的第一腿304-306。应当注意的是，也可以使用其它形式，并且由第一腿限定的开口可以是例如六边形或八边形。与图1和图2类似，图3的吸收器结构301包括由导电材料制成的第二腿308-309。第二腿308-309以导电方式结合至第一腿。例如，该连接可以位于第二腿的一端或第二腿的中间。第二腿308-309从第一腿突出至栅格302的开口中，并且在与邻近的第一腿相距一距离的终止点处终止。

应当注意的是，虽然图中未示出，但是图1至图3所示的第二腿可以在整个吸收器结构上周期性地重复。

图4示出第四示例实施例的吸收器结构401。所示的吸收器结构 401是通常在期望吸收器区域上重复的单元格(unit cell)。图5示出由多个邻近的图4的吸收器结构或单元格形成的吸收器结构501。

吸收器结构401包括由导电材料制成的第一腿404-405和由导电材料制成的第二腿407-410。第一腿404-405以导电方式彼此连接，并且在图5中，多个邻近的单元格的第一腿形成栅格，该栅格具有由第一腿404-405和第一腿之间的连接限定的开口。所形成的栅格在吸收器结构501的边缘之间延伸。

第一腿404-405提供吸收器结构的边缘之间的连续连接，从而将吸收器结构保持在一起，并且使得吸收器结构能够在热检测器中例如悬置在反射元件上方。

第二腿407-410以导电方式结合至第一腿404-405。在所示示例中，连接位于第二腿的中间。第二腿407-410从第一腿404-405突出，并且第二腿在与邻近的第一腿相距一距离的终止点420-421处终止。应当注意的是，邻近的第一腿实际上可以是邻近的单元格的一部分。在这种情况下，第二腿在与单元格的边缘相距一距离，由此也与其它单元格的第一腿相距一距离的终止点处终止。电连接特性在终止点 420-421处改变。换句话说，第二腿不直接延伸至另一第一腿或与另一第一腿形成接触。在图4的示例中，终止点420-421处存在自由或空的空间411-412。这样，第二腿407-410在图4的吸收器结构401 或图5的吸收器结构501的边缘之间提供不连续连接。

图5包括图4的单元格401，其位于所示结构的左手侧。可以看出，单元格401的第二腿409终止的终止点420位于与邻近的单元格的第一腿404'相距一距离处。

图6示出第五示例实施例的吸收器结构601。所示的吸收器结构 601是通常在期望吸收器区域上重复的单元格。图7示出由多个邻近的图6的吸收器结构或单元格形成的吸收器结构701。

吸收器结构601包括由导电材料制成的第一腿404-405和由导电材料制成的第二腿607-610。第一腿404-405以导电方式彼此连接，并且在图7中，多个邻近的单元格的第一腿形成栅格，该栅格具有由第一腿404-405和第一腿之间的连接限定的开口。所形成的栅格在吸收器结构701的边缘之间延伸。

第一腿404-405提供了吸收器结构的边缘之间的连续连接，从而将吸收器结构保持在一起，并且使得吸收器结构能够在热检测器中例如悬置在反射元件上方。

第二腿607-610以导电方式结合至第一腿404-405。在所示示例中，连接在第二腿的中间。第二腿607-610从第一腿404-405突出，并且第二腿在与邻近的第一腿相距一距离的终止点420-421处终止。应当注意的是，邻近的第一腿实际上可以是邻近的单元格的一部分。在这种情况下，第二腿在与单元格的边缘相距一距离，由此也与其它单元格的第一腿相距一距离的终止点处终止。电连接特性在终止点 420-421处改变。换句话说，第二腿不直接延伸至另一第一腿或与另一第一腿形成接触。在图6的示例中，第二腿607-610在终止点420-421处连接至第二件材料611-612。第二件材料611-612表现出与第二腿607-610的电连接特性不同的电连接特性。更具体地，存在由导电材料制成的线材611、612，其具有比形成不连续点的第二腿更小的横截面。线材可以由与第二腿相同或不同的材料制成。这样，第二腿607-610在图6的吸收器结构601或图7的吸收器结构701的边缘之间提供不连续连接。然而，线材部分可以沿第二腿的整个长度在第二腿的下方或上方延伸。

此外，取决于吸收器结构，线材611、612可以将第二腿连接到另一第一腿或另一第二腿。

图8示出第六示例实施例的吸收器结构801。所示的吸收器结构801是通常在期望吸收器区域上重复的单元格。图9示出由多个邻近的图8的吸收器结构或单元格形成的吸收器结构901。

吸收器结构801包括由导电材料制成的第一腿404-405和由导电材料制成的第二腿808、810。第一腿404-405以导电方式彼此连接，并且在图9中，多个邻近的单元格的第一腿形成栅格，该栅格具有由第一腿404-405和第一腿之间的连接限定的开口。所形成的栅格在吸收器结构901的边缘之间延伸。

第一腿404-405提供了吸收器结构的边缘之间的连续连接，从而将吸收器结构保持在一起，并且使得吸收器结构能够在热检测器中例如悬置在反射元件的上方。

第二腿808、810以导电方式结合至第一腿404-405。在所示示例中，连接位于第二腿的中间。第二腿808、810从第一腿404-405突出，并且第二腿在与邻近的第一腿相距一距离的终止点420-421处终止。应当注意的是，邻近的第一腿实际上可以是邻近的单元格的一部分。在这种情况下，第二腿在与单元格的边缘相距一距离，由此也与其它单元格的第一腿相距一距离的终止点处终止。电连接特性在终止点420-421处改变。换句话说，第二腿不直接延伸至另一第一腿或与另一第一腿形成接触。在图8的示例中，第二腿808、810在终止点420-421处连接至第二件材料811-812。第二件材料811-812表现出与第二腿807-810的电连接特性不同的电连接特性。在图8的示例中，第二件材料811-812由与第二腿808、810不同的材料制成。不同的材料可以是导电性较差的材料，诸如电介质材料、半导电材料或导电性差的材料。这样，第二腿808、810在图8的吸收器结构801或图9 的吸收器结构901的边缘之间提供不连续连接。

此外，取决于吸收器结构，第二件材料811、812可以提供到另一第一腿或到另一第二腿的连接。在图8的示例实施例中，第二腿808 额外地以导电方式连接至其它第二腿810，参见点822。

图10A至图10C示出其它示例实施例的吸收器结构1001、1002 和1003。

图10A的吸收器结构1001包括由导电材料制成的第一腿404-405 和由导电材料制成的第二腿808、810。结构1001与图8的结构801 类似，除了存在自由或空的空间411、412，而非图8所示的第二件材料。

图10B的吸收器结构1002包括由导电材料制成的第一腿404-405 和由导电材料制成的第二腿808、810。结构1002与图8的结构801 类似，除了存在横截面比第二腿更小的导电材料线材611、612，而非图8所示的不同的材料811、812。线材611、612可以由与第二腿相同的材料制成，或者可以使用不同的材料。

图10C的吸收器结构1003包括由导电材料制成的第一腿404-405 和由导电材料制成的第二腿408、410。结构1003与图4的结构401 类似，除了存在一件不同的材料811、812，而非图4所示的自由或空的空间411、412。

图11A至图11C示出根据特定实施例的热检测器150、160、170 的横截面侧视图。

图11A的热检测器150包括图案化吸收器结构159、反射元件 154、由电活性材料制成的电极151和152。

图案化吸收器结构159可以包括例如一个图1至图9和图10A至图10C中所示的吸收器结构。在一个实施例中，吸收器结构159可以由金属、半金属或高掺杂半导体材料制成，形成单个结构化网格。可以使用的示例材料至少包括：钛Ti、氮化钛TiN、钛钨TiW、钨W、铝掺杂氧化锌Al:ZnO和SrTiO

吸收器结构159被悬置在电极151和152之间且连接到电极151 和152。吸收器结构159和反射元件154以堆叠构造，并且吸收器结构159与反射元件154之间形成有深度为d的空腔。空腔中可以是真空，或者空腔可以填充有合适的气体、气体混合物或空气。深度d可以选择为适合期望波长。在一个实施例中，深度d不同于目标吸收波长的λ/4。在又一实施例中，深度d小于目标吸收波长的λ/4。在又一实施例中，深度d是目标吸收波长的λ/4。

吸收器结构159吸收辐射(如箭头153所示)，并且使电极151 和152中的电变化。

图11B的热检测器160包括图案化吸收器结构159、反射元件 154、由电活性材料制成的电极161和162。

图案化吸收器结构159可以包括例如一个图1至图9和10A至图 10C中所示的吸收器结构。在一个实施例中，吸收器结构159可以由形成单个结构化网格的金属、半金属或高掺杂半导体材料制成。可以使用的示例材料至少包括：钛Ti、氮化钛TiN、钛钨TiW、钨W、铝掺杂氧化锌Al:ZnO和SrTiO

吸收器结构159悬置在电极161和162之间并且连接到电极161 和162，电极161和162在吸收器结构159下方延伸。吸收器结构159、电极161、162和反射元件154以堆叠构造，并且由电极161和162 构成的电极层与反射元件154之间形成有深度为d'的空腔。空腔中可以是真空，或者空腔可以填充有合适的气体、气体混合物或空气。深度d'可以选择为适合期望波长。在一个实施例中，深度d'不同于目标吸收波长的λ/4。在又一实施例中，深度d'小于目标吸收波长的λ/4。在又一实施例中，深度d'是目标吸收波长的λ/4。

吸收器结构159吸收辐射(如箭头153所示)，并且引起电极161 和162中的电变化。

图11C的热检测器170包括图案化吸收器结构159和175、反射元件154、由电活性材料制成的电极161和162。

图案化吸收器结构159和175可以包括例如一个图1至图9和10A 至图10C中所示的吸收器结构。在一个实施例中，吸收器结构159可以由金属、半金属或高掺杂半导体材料制成，形成单个结构化网格。可以使用的示例材料至少包括：钛Ti、氮化钛TiN、钛钨TiW、钨W、铝掺杂氧化锌Al:ZnO和SrTiO

在一个实施例中，电极161由N型热电材料(诸如高掺杂N型硅Si、多晶硅或其它半导体)制成，并且电极162由P型热电材料(诸如高掺杂P型硅Si、多晶硅或其它半导体)制成。电极161和162也可以使用其它热电材料(诸如Bi

吸收器结构159被放置在电极161和162上方，电极161和162 在吸收器结构159下方延伸，并且吸收器结构175被放置在电极161 和162下方。吸收器结构159、电极161、162、吸收器结构175和反射元件154以堆叠构造，并且具有吸收器结构175的下吸收器层与反射元件154之间形成有深度为d”的空腔。空腔中可以是真空，或者空腔可以填充有合适的气体、气体混合物或空气。深度d”可以选择为适合期望波长。在一个实施例中，深度d”不同于目标吸收波长的λ/4。在又一实施例中，深度d”小于目标吸收波长的λ/4。在又一实施例中，深度d”是目标吸收波长的λ/4。

吸收器结构159和175吸收辐射(如箭头153所示)，并且引起电极161和162中的电变化。

图12是一些实施例的吸收器的模拟结果曲线图。利用若干吸收器结构，诸如图4、图5、图6和图7的吸收器结构401、501、601 和701，可以获得宽带上的高吸收，同时还可以例如利用图8和图9 的吸收器结构801和901设计获得窄带上的高吸收。曲线191示出利用图4的吸收器结构401的示例模拟结果。曲线192示出利用图6的吸收器结构601的示例模拟结果。曲线193示出利用图10C的吸收器结构1003的示例模拟结果。曲线194示出利用图10A的吸收器结构 1001的示例模拟结果。

示例实施例的吸收器结构提供了吸收器的热质量可以被最小化，从而使得能够热检测器性能最大化。在开发示例实施例的吸收器结构中的挑战已经是找到在不增加吸收器的热质量的情况下满足热检测器的性能要求的有效的吸收器结构。

归因于示例实施例的吸收器结构非常薄、稀疏且不需要或需要最少的附加支撑结构(参见例如图11)，因而与常规吸收器结构相比，示例实施例实现了更低热质量的吸收器结构。此外，示例实施例的吸收器结构还可以用作温度传感部件或用作热检测器的电接触(或作为其一部分)。通常，不同的功能(支撑、温度传感、吸收、电连接) 需要不同的材料或层。示例实施例的吸收器结构还使得能够在不需要金属-绝缘体-金属结构的情况下提供热检测器。作为替代，可以使用真空、气体、气体混合物或空气腔。

在涉及热电温度感测的实施例中，吸收器结构形成热检测器的热电腿之间的接触。在涉及电阻感测的实施例中，吸收器结构本身可以用作具有温度敏感电阻的电阻元件。归因于连续的第一腿形成所需电路，这些功能被启用。

在一个实施例中，各种超材料型吸收器结构包括采用电阻吸收器结构和等离激元或等离子体模仿吸收器结构两者的混合结构。在热检测器中，吸收器结构可以与反射镜和真空、气体、气体混合物或空气腔组合。

各种实施例的吸收器结构可以被用在各种波长带中，例如红外 (IR)、太赫及/或射频(RF)波长区。

在不以任何方式限制以下出现的权利要求的范围、解释或应用的情况下，示例实施例的吸收器结构的技术效果是，不需要在热检测器的吸收器膜中集成若干层材料来实现不同的功能。这通过有效的吸收器设计来实现，其中超材料MIM型结构用空气、气体、气体混合物或真空间隙代替，并且通过在吸收器中具有连续的第一腿以同样用作热传感器(的一部分)和支撑结构来实现。本文公开的一个或多个示例实施例中的另一技术效果是，提供了新型超材料型吸收器结构，其可以采用电阻、阻抗匹配和等离子体模仿吸收器设计，并且可以与反射镜和真空、气体、气体混合物或空气腔一起用于热检测器中，而不需要金属-绝缘体-金属结构。这种解决方案允许保持高吸收速率。

本文公开的一个或多个示例实施例中的另一技术效果是，可以以合理的成本提供高性能、高速、室温IR检测器和成像阵列。本文公开的一个或多个示例实施例中的另一技术效果是，提供了网格状吸收器结构，其用作具有最小支撑结构的吸收器，并且还可以用作热电腿之间的接触或用作电阻温度计(的一部分)。这使得低热质量和热容量成为可能，从而产生热检测器的高速操作。

本文公开的一个或多个示例实施例中的另一技术效果是，非常薄的膜近乎完美的吸收以及对热浴的低热导率共同实现了高响应性。本文公开的一个或多个示例实施例中的另一技术效果是，在不需要滤波器或多层结构的情况下，可以通过使用各种实施例的吸收器结构来实现对检测波长具有固有控制的波长选择、宽带、非冷却IR传感器。本文公开的一个或多个示例实施例中的又一技术效果是，对除高效高速宽带IR传感器之外的新型多色成像传感器的开发的贡献。

虽然在独立权利要求中阐述了本发明的各个方面，但是本发明的其它方面包括来自所描述实施例和/或具有独立权利要求的特征的从属权利要求的其它特征组合，并且不仅仅是权利要求中明确阐述的组合。

在此还应注意到，虽然以上描述了本发明的示例实施例，但是不应该以限制的意义来看待这些描述。相反，可以在不脱离如所附权利要求中所定义的本发明范围的情况下，进行若干变型和修改。