利用光柵提高紅外非制冷熱探測(cè)器效率的研究

吳元慶，張金晶，劉春梅，陸曉東，周 濤

（渤海大學(xué) 新能源學(xué)院，遼寧 錦州 121013）

利用光柵提高紅外非制冷熱探測(cè)器效率的研究

吳元慶，張金晶，劉春梅，陸曉東，周 濤

（渤海大學(xué) 新能源學(xué)院，遼寧 錦州 121013）

非制冷探測(cè)器的制備，最常用的方法是通過微機(jī)械加工在CMOS讀出電路上制作懸橋來實(shí)現(xiàn)。傳感器將吸收的熱量轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)或電流信號(hào)變化由檢測(cè)電路檢出，但該結(jié)構(gòu)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(cè)器結(jié)構(gòu)。分析了光柵及器件結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)紅外光學(xué)吸收的影響，采用COMSOL軟件仿真，研究了金屬-介質(zhì)-金屬三明治結(jié)構(gòu)紅外探測(cè)器的吸收效率，并通過結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化使吸收結(jié)構(gòu)對(duì)特定紅外波段的吸收率達(dá)到98%以上，在整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)平均吸收效率達(dá)30.5%。

非致冷；紅外；探測(cè)器；等離子體諧振；光柵；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

非制冷熱成像探測(cè)器陣列的研究于 20世紀(jì) 60年代被提出，并于20世紀(jì)70年代末進(jìn)入迅速發(fā)展階段。在過去的幾年內(nèi)，非制冷紅外焦平面技術(shù)得到了飛速發(fā)展，并在軍事、商業(yè)和民事中得到成功應(yīng)用。非制冷熱成像探測(cè)陣列的使用使得整個(gè)紅外熱成像系統(tǒng)省去了復(fù)雜的制冷系統(tǒng)，成本大大降低，同時(shí)非制冷熱成像傳感器又具有質(zhì)量輕、功耗低、體積小、性能可靠和操作方便等優(yōu)點(diǎn)，所以在很多領(lǐng)域中，原先使用的制冷型紅外探測(cè)器正在被非制冷型紅外探測(cè)器所代替[1-3]。

目前應(yīng)用最廣泛的紅外設(shè)備是紅外非制冷探測(cè)器，其最常用的方法是通過微機(jī)械加工在CMOS讀出電路上制作懸橋來實(shí)現(xiàn)微測(cè)輻射熱計(jì)。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(cè)輻射熱計(jì)，其原理是利用 VOx敏感膜電阻率隨溫度的變化，從而將探測(cè)器上接收到的光熱信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)或電流信號(hào)變化由檢測(cè)電路檢出。為了提高該類型的傳感器對(duì)于熱輻射的吸收效率，本文研究了基于表面等離子體激發(fā)的光柵結(jié)構(gòu)。

表面等離子體激元是一種在導(dǎo)體表面?zhèn)鞑サ碾姶挪?，是外界光?chǎng)與金屬表面處的自由電子相互作用產(chǎn)生的一種混合激發(fā)態(tài)。相互作用過程中，自由電子會(huì)在與其同頻的光子的照射下發(fā)生集體振蕩，形成了沿著平坦金屬/介質(zhì)界面?zhèn)鞑サ腟PPs（surface plasmon polaritons，表面等離子激元）。這種激發(fā)態(tài)局限于界面附近，且其場(chǎng)強(qiáng)在界面垂直方向呈指數(shù)分布[4-5]。

金屬等離子體激元的激發(fā)方式主要包括：棱鏡耦合，利用全反射消逝波激發(fā)；波導(dǎo)模耦合通過波導(dǎo)兩側(cè)的消逝波激發(fā)；強(qiáng)聚焦光束，通過高數(shù)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(chǎn)生能滿足波矢匹配條件的光柵矢量；近場(chǎng)激發(fā)，通過探針尖產(chǎn)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(jié)構(gòu)常用的光柵耦合方式激發(fā)等離子體激元，并通過光柵周期的調(diào)制來調(diào)整共振波長(zhǎng)，進(jìn)而進(jìn)一步增進(jìn)光吸收[6-8]。

采用光柵結(jié)構(gòu)促進(jìn)光吸收在太陽能電池等領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛，但用于紅外非制冷探測(cè)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(jié)構(gòu)提高紅外非制冷熱探測(cè)器吸收效率的方法，理論證明該結(jié)構(gòu)的可行性。

1 器件模型及原理

圖1 傳感器像元結(jié)構(gòu)和剖面圖Fig.1 Structure of pixel and profile of sensor

設(shè)計(jì)的非制冷紅外探測(cè)器是基于光柵結(jié)構(gòu)的紅外微測(cè)輻射熱計(jì)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1所示。圖 1(a)是紅外探測(cè)器的像元結(jié)構(gòu)圖，左右兩側(cè)為整個(gè)像元結(jié)構(gòu)的支撐懸臂。圖1(b)為紅外吸收光柵結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)位于探測(cè)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(wěn)定性高、抗氧化和機(jī)械強(qiáng)度高等特點(diǎn)，包覆在氧化釩上下兩側(cè)，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(gè)器件支撐在襯底上形成懸空結(jié)構(gòu)。探測(cè)器的熱絕緣性能是影響探測(cè)率的關(guān)鍵因素，兩側(cè)懸臂梁上的金屬導(dǎo)線則同氧化釩的兩端直接接觸，連接底部處理電路構(gòu)成導(dǎo)電回路，橋臂同時(shí)兼顧機(jī)械支撐、熱導(dǎo)通道和電學(xué)通道三種功能。

入射光由頂部入射，透過光柵后被多層膜結(jié)構(gòu)吸收，探測(cè)器的溫度隨之發(fā)生變化，進(jìn)而引起氧化釩的阻值變化，經(jīng)過外圍電路處理完成光的吸收探測(cè)。整個(gè)吸收結(jié)構(gòu)作為非制冷紅外探測(cè)器的敏感吸收單元，結(jié)合支撐橋腿和熱隔離空腔結(jié)構(gòu)組成完整的紅外探測(cè)單元。器件設(shè)計(jì)的主要原理：使用金屬光柵進(jìn)行耦合，以便在金屬和介質(zhì)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(yīng)(SPR)，使得器件產(chǎn)生增強(qiáng)吸收的效果。

2 光學(xué)吸收性能仿真

表面等離子體諧振通常發(fā)生在金屬和介質(zhì)交界面處，但研究發(fā)現(xiàn)金屬氧化物同樣具有這種效應(yīng)。金屬氧化物中的SPR現(xiàn)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(guān)系可表示如下：

式中：ε∞為高頻介電常數(shù)；n為等離子體共振頻率；

c為衰減率；Sm為振蕩強(qiáng)度；m為諧振頻率；Гm為線寬；m為L(zhǎng)orentz項(xiàng)的階數(shù)。

本文采用COMSOL有限元軟件，對(duì)具有光柵式探測(cè)器結(jié)構(gòu)的光吸收特性進(jìn)行仿真，通過比較不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于探測(cè)器吸收效率的影響，進(jìn)而優(yōu)化出更合格的模型。為了提高計(jì)算效率，僅分析一個(gè)周期的器件結(jié)構(gòu)，在兩側(cè)使用周期性邊界條件，金屬光柵所用材料為金，其光學(xué)參數(shù)來自文獻(xiàn)[9]；VO2的光學(xué)參數(shù)由文獻(xiàn)[10]給出：

ε∞=3.95 eV，n=3.33 eV，c=0.66 eV，同時(shí)使用Lorentz項(xiàng)參數(shù)如表1。

表1 Lorentz項(xiàng)參數(shù)Tab.1 Parameter of Lorentz

探測(cè)器的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)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(jié)構(gòu)圖如圖1（b）所示。

3 結(jié)果與討論

由于S偏振光無法產(chǎn)生SPP波，因此默認(rèn)入射光的電場(chǎng)方向?yàn)閤方向，此時(shí)入射光的偏振方向平行于入射面，為P偏振。設(shè)置入射光波段為2 ～20 μm，分別仿真了不含光柵結(jié)構(gòu)時(shí)，各層厚度對(duì)于熱吸收效率的影響。同時(shí)對(duì)于含有光柵結(jié)構(gòu)時(shí)，分別考慮金屬光柵占空比、周期、深度等參數(shù)對(duì)器件在中紅外波段的光學(xué)性質(zhì)的影響，得到吸收譜線。

3.1 無光柵結(jié)構(gòu)時(shí)，模型參數(shù)對(duì)性能的影響

熱傳感器主要反映器件對(duì)熱的吸收和反應(yīng)能力，從傳感器的結(jié)構(gòu)上來看，硅讀出電路上方通常用熱導(dǎo)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(hào)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(cè)器的熱導(dǎo)，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(cè)器上時(shí)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(duì)器件性能的影響相當(dāng)明顯，首先，熱輻射要通過它才能傳達(dá)到吸收層的位置，而且還要對(duì)器件起到保護(hù)和絕緣的作用。不同厚度的鈍化層，對(duì)熱的吸收效率有不同的影響，在此基礎(chǔ)上，對(duì)不同厚度的鈍化層的器件進(jìn)行了仿真計(jì)算，結(jié)果如圖2。

圖2 無光柵結(jié)構(gòu)時(shí)鈍化層厚度對(duì)吸收效率的影響Fig.2 Influence of the passivation layer thickness on absorption efficiency without grating

從計(jì)算結(jié)果上可以看出，鈍化層厚度直接影響了入射波長(zhǎng)在2～3 μm之間的第一個(gè)吸收峰，隨著鈍化層厚度的增大，第一個(gè)吸收峰吸收率明顯下降，同時(shí)，伴隨著發(fā)生波長(zhǎng)10～14 μm之間第二個(gè)吸收峰產(chǎn)生紅移。

同時(shí)，氧化釩的厚度也會(huì)大大影響器件的吸收效率（如圖 3），從氧化釩厚度的計(jì)算結(jié)果來看，圖3中可以明顯看出，氧化釩的厚度對(duì)于吸收效率的影響，吸收譜線隨著氧化釩厚度的變化而發(fā)生明顯的紅移，從而，對(duì)第二個(gè)吸收峰的位置可以通過氧化釩的厚度來進(jìn)行調(diào)制。

圖3 無光柵結(jié)構(gòu)時(shí)氧化釩厚度對(duì)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(jié)構(gòu)時(shí)，模型參數(shù)對(duì)于模型的影響

對(duì)器件增加光柵陷光結(jié)構(gòu)（金光柵周期5 μm，光柵占空比為0.5，光柵厚度100 nm）后，會(huì)對(duì)器件的吸收譜產(chǎn)生影響，結(jié)果如圖4和圖5，從計(jì)算結(jié)果看，分別反映了增加光柵結(jié)構(gòu)對(duì)于器件的吸收譜造成明顯變化，吸收峰從2個(gè)變化成4個(gè)，在4 μm波長(zhǎng)處出現(xiàn)一個(gè)新的吸收峰，8 μm處出現(xiàn)一個(gè)小的吸收峰，原來10～12 μm間的吸收峰發(fā)生明顯變化，在特定波長(zhǎng)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(jié)構(gòu)時(shí)產(chǎn)生明顯區(qū)別，效果依然是在2.5 μm處出現(xiàn)第一吸收峰，但吸收效率明顯下降，從80%下降至60%左右，同時(shí)吸收效率也隨鈍化層厚度的增大而加強(qiáng)，紅移現(xiàn)象依然。

圖4 鈍化層厚度對(duì)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(duì)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(jié)構(gòu)與鈍化層之間產(chǎn)生等離子體吸收，即SPP波，電場(chǎng)位于鈍化層內(nèi)部，從而SPP波的傳播和吸收與鈍化層的厚度有密切關(guān)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(fā)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(fā)生譜線紅移。

對(duì)光柵的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整并比較不同光柵參數(shù)（占空比、周期、厚度）對(duì)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(duì)于吸收效率的影響，主要反映在對(duì)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(cè)移動(dòng)，峰值也有所下降。周期的改變對(duì)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(duì)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(huì)顯著提高。

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

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

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

3.3 優(yōu)化后的模型

優(yōu)化的參數(shù)設(shè)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(yōu)化后模型的仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 優(yōu)化后模型的吸收效率仿真結(jié)果Fig.9 Absorption efficiency of optimized model

該結(jié)構(gòu)下器件共有三個(gè)主要吸收峰，與同類型的結(jié)構(gòu)相比[12]，最高吸收效率位于10～14 μm，可達(dá)99.4%（文獻(xiàn)[12]的最大吸收效率是90%），4 μm處吸收效率可達(dá) 97%，器件可以獲得良好的光學(xué)吸收效果。在整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)平均吸收效率達(dá)30.5%。三個(gè)吸收峰對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)分布如圖10所示。

同時(shí)，有試驗(yàn)表明，順利通過大氣的紅外輻射主要有三個(gè)波段范圍，即1～2.5 μm，3～5 μm，8～14 μm[11]，通常把這三個(gè)波段范圍稱為大氣窗口。該結(jié)構(gòu)的吸收峰值正好位于這三個(gè)大氣窗口內(nèi)，可知該結(jié)構(gòu)對(duì)于改進(jìn)紅外熱探測(cè)器的吸收效率具有重要意義。

4 結(jié)論

介紹了一種紅外吸收新型微測(cè)輻射熱計(jì)結(jié)構(gòu)，分析了其結(jié)構(gòu)對(duì)于光學(xué)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(dá)到 98%以上，同時(shí)，調(diào)整后的新結(jié)構(gòu)三個(gè)吸收峰剛好對(duì)應(yīng)三個(gè)大氣紅外吸收窗口，整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的平均吸收效率超過 30%。該方案增強(qiáng)了入射光吸收，提高了紅外非制冷熱探測(cè)器的吸收效率，對(duì)于其市場(chǎng)化有重要意義。

圖10 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后三個(gè)吸收峰對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)分布圖Fig.10 The electric field distribution of the three absorption peaks

[1] YOUNG C J, EDWARD G, JOHN L R, et al. Shaner, alon gabbay, and igal brener, active tuning of midinfrared metamaterials by electrical control of carrier densities [J]. Opt Express, 2012, 20(2): 1903-1911.

[2] GUO N, HU W D, CHEN X S, et al. Enhanced plasmonic resonant excitation in a grating gated field effect transistor with supplemental gates [J]. Opt Express, 2013, 21: 1606-1614.

[3] 于淼, 高勁松. 二維光柵與周期性縫隙陣列組合薄膜結(jié)構(gòu)的雜散光抑制 [J]. 物理學(xué)報(bào), 2013, 62(20): 204-208.

[4] 周駿, 孫永堂. 非晶硅光伏電池表面高效光陷阱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) [J]. 物理學(xué)報(bào), 2011, 60(8): 088802.

[5] JIANG W J, OU W. Improved structure for SOI diode uncooled infrared focal plane arrays [J]. J Infrared Millim Waves, 2014, 33(1): 218-221.

[6] 柯智慧. 表面等離子體聚焦調(diào)制及增強(qiáng)太陽能電池吸收研究 [D]. 成都: 電子科技大學(xué), 2011.

[7] WANG L, HU W D, WANG J, et al. Plasmon resonant excitation in grating gated AlN barrier transistors at terahertz frequency [J]. Appl Phys Lett, 2012, 100: 123501.

[8] ZHONG M. Influence of hole shape on the transmission and negative refractive index properties of metal-dielectric-metal metamaterial [J]. J Infrared Millim Waves, 2014, 33(3): 227-230.

[9] ORDAL M A, LONG L L, BELL R J, et al. Optical properties of the metals Al, Co, Cu, Au, Fe, Pb, Ni, Pd, Pt, Ag, Ti and W in the infrared and far infrared [J]. Appl Opt, 1985, 24(24): 4493-4497.

[10] VERLEUR H W, BARKER A S, BERGLUND C N. Optical properties of VO2between 0.25 and 5 eV [J]. Phys Rev, 1968, 172(3): 788-792.

[11] 黎文模, 陳向東. 氧化釩熱敏薄膜非致冷紅外探測(cè)器的等效模型 [J].傳感器與微系統(tǒng), 2006, 25(9): 49-52.

[12] 張歡, 賴建軍. 電可調(diào)非致冷紅外探測(cè)原理 [J]. 紅外與毫米波學(xué)報(bào), 2015, 34(1): 74-79.

（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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)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(shè)計(jì)，E-mail: wuyuanqing123@163.com 。

時(shí)間：2016-11-29 11:30:54

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