一种中长波红外偏振探测器及其制备方法

技术领域

本发明涉及红外探测技术领域，尤其涉及一种中长波红外偏振探测器及其制备方法。

背景技术

Te纳米线是一种新兴的元素范德华(vdWs)半导体，具有许多有趣的光电性质，在新型光电探测器件中显示出巨大应用潜力。准一维Te纳米线的本征结构具有各向异性，其中红外及太赫兹波段呈现出偏振相关光响应的特点(Xin Wei,Shiyao Wang,NannanZhang,Yubin Li,Yue Tang,Hongmei Jing,Jiangbo Lu,Zhuo Xu,Hua Xu.Single-Orientation Epitaxy of Quasi-1DTellurium Nanowires on M-Plane Sapphire forHighly Uniform Polarization Sensitive Short-Wave InfraredPhotodetection.Advanced Functional Materials,2023.https://doi.org/10.1002/adfm.202300141.)。使用化学气相沉积法或物理气相沉积法，通过控制合适的制备条件，可获得单取向的Te纳米线。然而由于Te纳米线的面积小、与红外光子的耦合作用较弱，因此难以直接实现中长波红外的探测。

基于超表面(超材料)的谐振吸收是解决热探测中红外吸收难题的重要手段之一。Landy等人提出了第一个基于超材料的在微波波段近完美吸收器，通过电场和磁场共振便可调控入射光在该结构之间的吸收(Landy N.,Sajuyigbe S.,Mock J.,et al.,Perfectmetamaterial absorber.Physical Review Letters,2008.100:207402.)。随着研究深入，超材料吸收器结构逐渐拓展至太赫兹和红外波段，偏振和入射角度不敏感的近完美吸收得以实现。

目前红外波段吸收器已有多种方法可实现，一种典型的方式是制作连续底部金属膜-介质层-周期顶部金属结构的磁共振吸收腔。例如，Willie J.Padilla等人设计了底金属-介质层-十字叉丝的超材料红外吸收结构(Liu X.L.,Starr T.,Starr A.F.,et al.,Infrared Spatial and Frequency Selective Metamaterial with Near-UnityAbsorbance.Physical Review Letters,2010.104,207403.)。实验制作的近完美吸收结构反射效果表明，该超材料结构能够实现对入射单频红外光(～6μm)的近完美吸收。PatrickBouchon等人提出了四个超表面结构单元集成的超材料结构，不同尺寸的子单元可以对应实现相应频率的高吸收，而当四个子单元同时存在时，就可以实现四个吸收峰的叠加，得到一个完整的宽波段吸收光谱(Bouchon P.,Koechlin C.,Pardo F.,et al.Widebandomnidirectional infrared absorber with a patchwork of plasmonicnanoantennas.Optics Letters,2012.37(6):1038-1040.)。

锰钴镍氧材料在3～14μm波段具有较小的光学色散(n值较为稳定)，可以用于金属-介质层-顶部周期金属的磁共振吸收结构的设计(Dannenberg,R.,et al.,Infraredoptical properties of Mn1.56Co0.96Ni0.48O4 spinel films sputter deposited inan oxygen partial pressure series.Journal of Applied Physics,1999.86(5):p.2590-2601.)。

本专利设计了一种基于锰钴镍氧磁共振吸收微桥及Te纳米线的红外敏感元结构，并应用于中长波红外偏振探测器研制中，将解决中长波红外器件偏振探测选择比低、室温工作灵敏度差的问题。

发明内容

本发明提供了一种中长波红外偏振探测器，具有响应灵敏、可实现自供电等优点，对8～14μm大气窗口波段红外光范围的窄带吸收达90％以上。

本发明的技术方案如下：

一种中长波红外偏振探测器，所述的探测器具备如下器件结构：

硅衬底上覆盖有SiO

第一锰钴镍氧薄膜台面与SiO

第二锰钴镍氧薄膜台面上设有Ti/Au/Ti侧边延展金电极；

所述的Cr/Au/Cr环状顶电极与Ti/Au/Ti侧边延展金电极之间以自支撑方式搭附有Te纳米线；

Ti/Au底反射层及延展电极与Ti/Au/Ti侧边延展金电极连接有电学引线；

所述的硅衬底上制备有硅微桥，所述的硅微桥位于第一锰钴镍氧薄膜台面的下方。

本发明的探测器通过Ti/Au底反射层-锰钴镍氧薄膜台面-Cr/Au周期性金属方盘阵列的磁共振吸收结构，实现了中长波红外磁共振近完美吸收，同时通过非对称热导结构和各向异性Te纳米线，实现了较大的温度梯度场及偏振依赖的光致热电效应。本发明的探测器具备响应灵敏、可实现自供电中长波红外偏振探测等优点，在非制冷红外探测等方面具有广泛的应用前景。

优选的，第一锰钴镍氧薄膜台面与第二锰钴镍氧薄膜台面的间距为5-10μm。

优选的，第一锰钴镍氧薄膜台面的边长为40-100μm；Cr/Au周期性金属方盘的周期为8μm，周期数为(5×5)-(12×12)，边长为2.8-4μm。

优选的，第一锰钴镍氧薄膜台面的厚度为1.5-2μm。

优选的，第一锰钴镍氧薄膜台面和第二锰钴镍氧薄膜台面形状相同。

优选的，所述的SiO

优选的，所述的Te纳米线的长度为20-30μm。

一种优选的技术方案为：第一锰钴镍氧薄膜台面的厚度为1.5μm，第一锰钴镍氧薄膜台面与第二锰钴镍氧薄膜台面的间距为5μm，第一锰钴镍氧薄膜台面的边长为40μm，Cr/Au周期性金属方盘的周期为8μm，Cr/Au周期性金属方盘的周期数为5×5，Cr/Au周期性金属方盘的边长为4μm，Te纳米线的长度为20μm。该优选方案的探测器对红外10.2μm±0.5μm范围窄带吸收为90％以上。

一种优选的技术方案为：第一锰钴镍氧薄膜台面的厚度为1.8μm，第一锰钴镍氧薄膜台面与第二锰钴镍氧薄膜台面的间距为8μm，第一锰钴镍氧薄膜台面的边长为80μm，Cr/Au周期性金属方盘的周期为8μm，Cr/Au周期性金属方盘的周期数为10×10，Cr/Au周期性金属方盘的边长为3.5μm，Te纳米线的长度为25μm。该优选方案的探测器对红外11.0μm±0.2μm范围窄带吸收为90％以上。

一种优选的技术方案为：第一锰钴镍氧薄膜台面的厚度为2μm，第一锰钴镍氧薄膜台面与第二锰钴镍氧薄膜台面的间距为10μm，第一锰钴镍氧薄膜台面的边长为100μm，Cr/Au周期性金属方盘的周期为8μm，Cr/Au周期性金属方盘的周期数为12×12，Cr/Au周期性金属方盘的边长为2.8μm，Te纳米线的长度为30μm。该优选方案的探测器对红外12.5μm±0.5μm范围窄带吸收为90％以上。

本发明还提供了所述的中长波红外偏振探测器的制备方法，包括以下步骤：

(1)通过紫外光刻与双离子束镀金方法在SiO

(2)通过磁控溅射制备锰钴镍氧膜层，选用厚胶通过紫外光刻制作出第一锰钴镍氧薄膜台面与第二锰钴镍氧薄膜台面对应的光刻胶保护台面，在进行湿法刻蚀，形成第一锰钴镍氧薄膜台面与第二锰钴镍氧薄膜台面；

(3)通过紫外光刻与双离子束镀金方法在第一锰钴镍氧薄膜台面上镀制Cr/Au周期性金属方盘阵列及Cr/Au/Cr环状顶电极；通过紫外光刻与双离子束镀金方法在第二锰钴镍氧薄膜台面上镀制Ti/Au/Ti侧边延展金电极；

(4)使用厚胶保护Ti/Au底反射层及延展电极、第一锰钴镍氧薄膜台面、Cr/Au周期性金属方盘、第二锰钴镍氧薄膜台面、Ti/Au/Ti侧边延展金电极，设定反应气体为CF

(5)将Te纳米线以自支撑方式搭附于Cr/Au/Cr环状顶电极和Ti/Au/Ti侧边延展金电极之间；

(6)将衬底片分割切片，将器件粘贴到IC管壳上，使用超声点焊机将器件电学引线接出，之后进行器件真空封装，得到中长波红外偏振探测器。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明通过底部金属反射层-MCNO膜层-周期性金属方盘的磁共振吸收结构，实现了中长波红外磁共振近完美吸收(90％以上)；

(2)本发明的非对称热导结构和各向异性Te纳米线，可实现较大的温度梯度场及偏振依赖的光致热电效应；

(3)本发明具备有响应灵敏、可实现自供电中长波红外偏振探测等效果，在非制冷红外探测等方面有广泛应用前景，因而具有较高的利用价值。

附图说明

图1为本发明的Te纳米线的显微照片。

图2为本发明的中长波红外偏振探测器器件的侧视结构示意图。

图3为本发明的中长波红外偏振探测器器件的俯视结构示意图。

图4为本发明的中长波红外偏振探测器器件的制备方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1

图1为本发明的Te纳米线的显微照片。如图2和图3所示，中长波红外偏振探测器的器件结构包括：硅衬底1上覆盖有一层厚度300nm的SiO

如图4所示，按如下方法完成探测器制备：

步骤1，Ti/Au底反射层及延展电极制作。通过紫外光刻方法，在衬底上制备底反射层及延展电极以及对准十字叉丝对应的光刻胶图案，通过双离子束溅射镀制Ti/Au底反射层及延展电极4及十字对准叉丝5，所制备Ti膜层与Au膜层的厚度分别设置为30nm和100nm；

步骤2，锰钴镍氧薄膜磁控溅射制备。将位于衬底四角的对准十字叉丝使用金属掩膜片遮挡，使用LAB Line SPUTTER 5射频磁控溅射系统(Kurt J.Lesker，USA)制备锰钴镍氧膜层。溅射前分别使用丙酮，无水乙醇，和去离子水依次超声清洗硅衬底5分钟。随后，使用快速退火炉对衬底进行快速退火处理(400℃,5min)；采用锰钴镍氧多晶靶材在纯氩氛围下制备薄膜，制备工艺参数为衬底温度为350℃，溅射功率为50W，本底真空为9×10

步骤3，锰钴镍氧台面制作。选用AZ4620厚胶(厚度为～8μm)，通过套准衬底四角的对准十字叉丝5进行紫外光刻，制作出器件敏感元的光刻胶保护台面。使用盐酸腐蚀液对锰钴镍氧材料进行湿法刻蚀，将锰钴镍氧薄膜制作成间隔a＝5μm、边长尺寸40μm的一对方形的锰钴镍氧薄膜台面6；

步骤4，周期性金属方盘及顶电极制备。通过紫外光刻与双离子束镀金方法，在Ti/Au底反射层上方的锰钴镍氧方形台面表面沉积厚度为20/80nm的Cr/Au周期性金属方盘阵列7，其中Cr/Au方盘阵列的周期为8μm，方盘的尺寸为4μm，方盘数量为5×5。再次进行紫外光刻和镀金，制作厚度为30/100/30nm的Cr/Au/Cr环状顶电极8，在其侧边的锰钴镍氧方形台面表面沉积厚度为30/100/30nm的Ti/Au/Ti侧边延展金电极9；

步骤5，各向异性Si衬底深槽刻蚀。使用AZ 4620厚光刻胶保护由Ti/Au底反射层及延展电极4、锰钴镍氧薄膜台面6、Cr/Au周期性金属方盘阵列7所组成的“金属-锰钴镍氧-金属”磁共振吸收腔，通过诱导耦合各向异性等离子刻蚀方法，设定反应气体为CF

步骤6，各向同性Si衬底刻蚀制作绝热微桥。通过诱导耦合各向同性等离子刻蚀继续对衬底进行刻蚀处理。设定反应气体为SF

步骤7，构筑Te纳米线自支撑微桥。将硅衬底片吸附在二维调节平台上，将Te纳米线粘贴到PDMS热释放胶的表面，通过显微镜辅助的二维转移平台进行调节对准，将长度为20μm左右的Te纳米线定点调节转移至横跨Cr/Au/Cr环状顶电极8和Ti/Au/Ti侧边延展金电极9上方。将衬底温度加热到60℃后保持三分钟，使得PDMS热释放胶与Te纳米线分离开，使Te纳米线以自支撑方式搭附于Cr/Au/Cr环状顶电极8和Ti/Au/Ti侧边延展金电极9两侧；

步骤8，对探测器进行引线点焊及封装。使用干燥箱在55℃下进行30min的烘干以完成对器件的干燥处理，将器件粘贴到IC管壳上，使用超声点焊机将器件电学信号引线接出，之后进行器件真空封装，制备实现中长波红外偏振探测器。本实施例可实现光敏元对10.2μm±0.5μm窄带近完美吸收(90％以上)的有益效果，促进该波段高灵敏偏振探测的实现。

实施例2

中长波红外偏振探测器的器件结构包括：硅衬底1上覆盖有一层厚度300nm的SiO

按如下方法完成探测器制备：

步骤1，Ti/Au底反射层及延展电极制作。通过紫外光刻方法，在衬底上制备底反射层及延展电极以及对准十字叉丝对应的光刻胶图案，通过双离子束溅射镀制Ti/Au底反射层及延展电极4及十字对准叉丝5，所制备Ti膜层与Au膜层的厚度分别设置为30nm和100nm；

步骤2，锰钴镍氧薄膜磁控溅射制备。将位于衬底四角的对准十字叉丝使用金属掩膜片遮挡，使用LAB Line SPUTTER 5射频磁控溅射系统(Kurt J.Lesker，USA)制备锰钴镍氧膜层。溅射前分别使用丙酮，无水乙醇，和去离子水依次超声清洗硅衬底5分钟。随后，使用快速退火炉对衬底进行快速退火处理(400℃,5min)；采用锰钴镍氧多晶靶材在纯氩氛围下制备薄膜，制备工艺参数为衬底温度为350℃，溅射功率为50W，本底真空为9×10

步骤3，锰钴镍氧台面制作。选用AZ4620厚胶(厚度为8μm)，通过套准衬底四角的对准十字叉丝5进行紫外光刻，制作出器件敏感元的光刻胶保护台面。使用盐酸腐蚀液对锰钴镍氧材料进行湿法刻蚀，将锰钴镍氧薄膜制作成间隔a＝8μm、边长尺寸80μm的一对方形的锰钴镍氧薄膜台面6；

步骤4，周期性金属方盘及顶电极制备。通过紫外光刻与双离子束镀金方法，在Ti/Au底反射层上方的锰钴镍氧方形台面表面沉积厚度为20/80nm的Cr/Au周期性金属方盘阵列7，其中Cr/Au方盘阵列的周期为8μm，方盘的尺寸为3.5μm，方盘数量为10×10。再次进行紫外光刻和镀金，制作厚度为30/100/30nm的Cr/Au/Cr环状顶电极8，在其侧边的锰钴镍氧方形台面表面沉积厚度为30/100/30nm的Ti/Au/Ti侧边延展金电极9；

步骤5，各向异性Si衬底深槽刻蚀。使用AZ 4620厚光刻胶保护由Ti/Au底反射层及延展电极4、锰钴镍氧薄膜台面6、Cr/Au周期性金属方盘阵列7所组成的“金属-锰钴镍氧-金属”磁共振吸收腔，通过诱导耦合各向异性等离子刻蚀方法，设定反应气体为CF

步骤6，各向同性Si衬底刻蚀制作绝热微桥。通过诱导耦合各向同性等离子刻蚀继续对衬底进行刻蚀处理。设定反应气体为SF

步骤7，构筑Te纳米线自支撑微桥。将硅衬底片吸附在二维调节平台上，将Te纳米线粘贴到PDMS热释放胶的表面，通过显微镜辅助的二维转移平台进行调节对准，将长度约为25μm的Te纳米线定点调节转移至横跨Cr/Au/Cr环状顶电极8和Ti/Au/Ti侧边延展金电极9上方。将衬底温度加热到60℃后保持三分钟，使得PDMS热释放胶与Te纳米线分离开，使Te纳米线以自支撑方式搭附于Cr/Au/Cr环状顶电极8和Ti/Au/Ti侧边延展金电极9两侧；

步骤8，对探测器进行引线点焊及封装。使用干燥箱在55℃下进行30min的烘干以完成对器件的干燥处理，将器件粘贴到IC管壳上，使用超声点焊机将器件电学信号引线接出，之后进行器件真空封装，制备实现中长波红外偏振探测器。本实施例可实现光敏元对11.0μm±0.2μm窄带近完美吸收(90％以上)的有益效果，促进该波段高灵敏偏振探测的实现。

实施例3

中长波红外偏振探测器的器件结构包括：硅衬底1上覆盖有一层厚度300nm的SiO

按如下方法完成探测器制备：

步骤1，Ti/Au底反射层及延展电极制作。通过紫外光刻方法，在衬底上制备底反射层及延展电极以及对准十字叉丝对应的光刻胶图案，通过双离子束溅射镀制Ti/Au底反射层及延展电极4及十字对准叉丝5，所制备Ti膜层与Au膜层的厚度分别设置为30nm和100nm；

步骤2，锰钴镍氧薄膜磁控溅射制备。将位于衬底四角的对准十字叉丝使用金属掩膜片遮挡，使用LAB Line SPUTTER 5射频磁控溅射系统(Kurt J.Lesker，USA)制备锰钴镍氧膜层。溅射前分别使用丙酮，无水乙醇，和去离子水依次超声清洗硅衬底5分钟。随后，使用快速退火炉对衬底进行快速退火处理(400℃,5min)；采用锰钴镍氧多晶靶材在纯氩氛围下制备薄膜，制备工艺参数为衬底温度为350℃，溅射功率为50W，本底真空为9×10

步骤3，锰钴镍氧台面制作。选用AZ4620厚胶(厚度为～8μm)，通过套准衬底四角的对准十字叉丝5进行紫外光刻，制作出器件敏感元的光刻胶保护台面。使用盐酸腐蚀液对锰钴镍氧材料进行湿法刻蚀，将锰钴镍氧薄膜制作成间隔a＝10μm、边长尺寸100μm的一对方形的锰钴镍氧薄膜台面6；

步骤4，周期性金属方盘及顶电极制备。通过紫外光刻与双离子束镀金方法，在Ti/Au底反射层上方的锰钴镍氧方形台面表面沉积厚度为20/80nm的Cr/Au周期性金属方盘阵列7，其中Cr/Au方盘阵列的周期为8μm，方盘的尺寸为2.8μm，方盘数量为12×12。再次进行紫外光刻和镀金，制作厚度为30/100/30nm的Cr/Au/Cr环状顶电极8，在其侧边的锰钴镍氧方形台面表面沉积厚度为30/100/30nm的Ti/Au/Ti侧边延展金电极9；

步骤5，各向异性Si衬底深槽刻蚀。使用AZ 4620厚光刻胶保护由Ti/Au底反射层及延展电极4、锰钴镍氧薄膜台面6、Cr/Au周期性金属方盘阵列7所组成的“金属-锰钴镍氧-金属”磁共振吸收腔，通过诱导耦合各向异性等离子刻蚀方法，设定反应气体为CF

步骤6，各向同性Si衬底刻蚀制作绝热微桥。通过诱导耦合各向同性等离子刻蚀继续对衬底进行刻蚀处理。设定反应气体为SF

步骤7，构筑Te纳米线自支撑微桥。将硅衬底片吸附在二维调节平台上，将Te纳米线粘贴到PDMS热释放胶的表面，通过显微镜辅助的二维转移平台进行调节对准，将长度为30μm的Te纳米线定点调节转移至横跨Cr/Au/Cr环状顶电极8和Ti/Au/Ti侧边延展金电极9上方。将衬底温度加热到60℃后保持三分钟，使得PDMS热释放胶与Te纳米线分离开，使Te纳米线以自支撑方式搭附于Cr/Au/Cr环状顶电极8和Ti/Au/Ti侧边延展金电极9两侧；

步骤8，对探测器进行引线点焊及封装。使用干燥箱在55℃下进行30min的烘干以完成对器件的干燥处理，将器件粘贴到IC管壳上，使用超声点焊机将器件电学信号引线接出，之后进行器件真空封装，制备实现中长波红外偏振探测器。本实施例可实现光敏元对12.5μm±0.5μm窄带近完美吸收(90％以上)的有益效果，促进该波段高灵敏偏振探测的实现。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。