氧化釩非制冷探測器吸收特性研究

楊 君，楊春麗，袁 俊，尹樹東，李華英，白蘭艷，馬 敏

〈材料與器件〉

氧化釩非制冷探測器吸收特性研究

楊 君，楊春麗，袁 俊，尹樹東，李華英，白蘭艷，馬 敏

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

隨著氧化釩非制冷紅外焦平面的像元尺寸的減小，導(dǎo)致探測器的吸收面積呈邊長的二次方銳減，如何提高氧化釩非制冷紅外焦平面陣列的吸收效率成為一個(gè)非常關(guān)鍵的研究課題。本文從材料和結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，分別在單層材料吸收特性、不同吸收結(jié)構(gòu)、腔體高度、膜系厚度等幾個(gè)方面對影響單層、雙層氧化釩非制冷探測器光學(xué)吸收的各因素進(jìn)行了全面系統(tǒng)的仿真。通過對各因素進(jìn)行量化比較，同時(shí)結(jié)合仿真結(jié)果給出了提高氧化釩非制冷探測器吸收的系統(tǒng)方法，對于氧化釩非制冷探測器的設(shè)計(jì)與研究具有一定的參考意義。

氧化釩非制冷探測器；吸收特性；光學(xué)仿真；膜厚分析；腔體優(yōu)化

0 引言

非制冷探測器是一種工作在室溫環(huán)境下，可將外界入射的紅外熱輻射信號轉(zhuǎn)化為電信號的探測器件。隨著大規(guī)模集成電路和微機(jī)電系統(tǒng)的快速發(fā)展，非制冷紅外焦平面陣列技術(shù)日新月異，已廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域。其中氧化釩非制冷探測器是目前技術(shù)最成熟、市場占有率最高的主流非制冷探測器[1]。如今，氧化釩非制冷紅外焦平面的像元尺寸已經(jīng)進(jìn)入亞波長尺寸，但像元尺寸的減小會導(dǎo)致探測器的吸收面積呈邊長的二次方減小，而吸收率的快速降低嚴(yán)重制約了探測器的性能。故研究氧化釩非制冷探測器吸收對于提高探測器性能具有十分重要的意義。

最早采用的提高紅外吸收的方法是增加黑化層[2-3]。但其吸收率對高性能熱探測器而言偏低。利用光在多層介質(zhì)中的干涉效應(yīng)，可以增強(qiáng)在某一波長或某一波段的吸收率。在此概念基礎(chǔ)上，發(fā)展出了具有共振吸收結(jié)構(gòu)的輻射吸收層[3-4]，其能大大增強(qiáng)氧化釩非制冷探測器在特定波段的吸收效率。而后學(xué)者們又提出了許多表面吸收增強(qiáng)結(jié)構(gòu)來提升氧化釩非制冷探測器的吸收率，如：表面紋理吸收結(jié)構(gòu)[5-6]、金屬陶瓷吸收結(jié)構(gòu)[7]、光子晶體吸收結(jié)構(gòu)[8]、光柵吸收增強(qiáng)結(jié)構(gòu)[9-10]、超表面吸收增強(qiáng)結(jié)構(gòu)[11-12]等。隨著氧化釩非制冷探測器像元尺寸的減小，采用雙層工藝成為了提高探測器吸收效率最為普遍的一種方法[13-16]。

本文將首先從從材料角度出發(fā)，對氧化釩非制冷探測器單層材料的吸收特性進(jìn)行研究，分析目前較為常用的氧化釩非制冷探測器材料以及他們對探測器的吸收影響；接著從結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，對探測器的填充系數(shù)、反射層、諧振腔、表面吸收結(jié)構(gòu)4個(gè)因素分別展開分析；最后拓展到雙層結(jié)構(gòu)，對雙層氧化釩非制冷探測器的腔體高度、膜系厚度進(jìn)行討論。通過對上述研究的量化比較，結(jié)合目前工藝上的普遍方法和較為前沿的技術(shù)路線，給出提升氧化釩非制冷探測器吸收的系統(tǒng)方法。

1 氧化釩非制冷探測器單層材料吸收研究

為了研究氧化釩非制冷探測器的吸收，我們首先需要對探測器各層材料進(jìn)行一些基本的研究。

目前普遍的氧化釩非制冷探測器材料膜系除電路部分外從下到上普遍包括反射層、金屬鈍化層、橋面支撐層、光敏層、光敏鈍化層。

在選材方面，Al在長波紅外對電磁波具有較高的反射率，且成本較低，故是一種極佳的反射層材料；SiN材料，在紅外波段有較高的吸收率[17]，同時(shí)還具有優(yōu)良的熱學(xué)、力學(xué)性質(zhì)，這使得它既可以作為探測器金屬和光敏材料的鈍化層，又可以作為橋面支撐層；而光敏材料VO具有較高的TCR值，普遍應(yīng)用于非制冷探測器中；在設(shè)計(jì)氧化釩非制冷紅外探測器時(shí)，通常還會用到SiO2，其不僅是一種優(yōu)良的鈍化材料，而且也在調(diào)節(jié)光譜、應(yīng)力方面起著關(guān)鍵作用。

當(dāng)光線由空氣入射到光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)零件表面時(shí)，一部分光被反射，一部分光被折射，而其余部分則被光學(xué)系統(tǒng)吸收，通常我們獲取光學(xué)系統(tǒng)的反射率，透射率相對容易，故有下式求得其吸收率：

()＝1－()－()

式中：()、()、()分別表示光學(xué)系統(tǒng)的反射率、透射率、吸收率。

薄膜體系的紅外吸收率，通常采用光學(xué)導(dǎo)納矩陣法[18-19]?？紤]到器件的實(shí)際工作情況，可以做以下假設(shè)：①各層是各向同性的均勻薄膜，②輸入光是橫波（S波），③輸入光垂直入射。根據(jù)薄膜光學(xué)理論，膜系中第層膜的特征矩陣為：

式中：i為虛部單位；和（＝1,2,3）分別為各層膜的修正導(dǎo)納和相位厚度：

式中：N為各層膜的復(fù)折射率，N＝n－ik，n和k都與波長有關(guān)，d和分別為各層膜的厚度和折射角，對于S波且光垂直入射時(shí)，＝0。

整個(gè)膜系的特征矩陣為：

式中：＋1為出射介質(zhì)的光學(xué)導(dǎo)納。從上式可知，多層薄膜的組合導(dǎo)納為＝/，反射率()和透射率()分別為：

從以上分析可知，影響光學(xué)薄膜吸收的主要因素有：折射率n、消光系數(shù)k、薄膜厚度d、入射角度等，這里光學(xué)參數(shù)n和k由材料自身決定，本文通過橢偏移測量出上述材料的光學(xué)參數(shù)如圖1(a)所示。

通過FFTD仿真軟件，仿真單層材料不同厚度的吸收情況，可以得到各材料的光學(xué)特性，從而為確定器件各層薄膜的厚度值提供參考。

如圖1(b)、(c)可以看出，光經(jīng)過SiN時(shí)主要被吸收和透射，反射量較少，吸收波段集中在9～14mm。隨著厚度的增加，SiN的吸收率也在逐步提高，且吸收峰向短波方向移動，當(dāng)薄膜厚度超過200nm時(shí)，吸收增速明顯下降較快；SiO2在9.5mm處有一個(gè)很強(qiáng)的吸收峰，其他波段吸收較弱，這對于探測器吸收光譜具有一定的調(diào)控作用（可以解決探測器在8～10mm范圍內(nèi)吸收不夠強(qiáng)的問題），其主要由吸收和透射決定，反射量較少，故可以降低探測器在可見-近紅外波段的反射率，采用SiN和SiO2的雙層復(fù)合材料作為微橋支撐結(jié)構(gòu)還能較好地緩解表面殘余應(yīng)力問題[20]。VO吸收波段在9mm以上。超薄金屬薄膜由于金屬表面的自由載流子濃度很高，金屬體材料對于太赫茲的反射率接近100%。但是當(dāng)金屬薄膜的厚度減小到納米量級時(shí)，薄膜中的載流子受到束縛而濃度降低，這使得電子與太赫茲波相互作用增強(qiáng)而吸收太赫茲輻射。Ti在整個(gè)波段都有吸收，波長越長吸收效果越好，隨著厚度的增加，其吸收先增加后減小，這主要由透射引起。當(dāng)其厚度為5～50nm時(shí)，吸收效果最好，當(dāng)其厚度超過200nm時(shí)，光線幾乎全部被反射。而Al的消光系數(shù)特別大，薄膜對光線幾乎不產(chǎn)生吸收，膜厚在4nm以下有一定的透射，但膜厚超過50nm時(shí)，光線幾乎全部被反射。

當(dāng)然在確定器件各膜層厚度時(shí)不能只考慮其吸收特性，比如作為支撐微橋的SiN層必須超過一定值才能在力學(xué)上滿足結(jié)構(gòu)要求，VO在設(shè)計(jì)厚度時(shí)還要考慮其TCR、方阻等問題，整個(gè)探測器膜系還要滿足相應(yīng)的熱學(xué)要求等等。

2 氧化釩非制冷探測器不同結(jié)構(gòu)吸收研究

提高氧化釩非制冷探測器吸收效率的方法有很多，在沒有外部吸收增強(qiáng)裝置輔助的情況下，本文將其歸納為4個(gè)方面：提高探測器的填充系數(shù)；增加反射層減小光的透射；增加諧振腔增加所需波段吸收；表面吸收結(jié)構(gòu)的集成。

結(jié)合上一章所討論的材料性質(zhì)與目前普遍的氧化釩非制冷探測器膜系結(jié)構(gòu)，本文以如圖2所示的SiN/VO/SiN/SiO2結(jié)構(gòu)進(jìn)行氧化釩非制冷探測器不同結(jié)構(gòu)吸收研究。

填充系數(shù)定義為微測輻射熱計(jì)對紅外輻射的有效吸收面積占其總面積的百分比[21]。氧化釩非制冷探測器是由多個(gè)探測像元組成，假設(shè)每個(gè)像元的總面積為，有效探測面積為D，則填充因子為＝D/。填充系數(shù)越大則探測器的吸收能力越強(qiáng)。

微橋的橋臂、相鄰微橋之間的空隙、連接微橋與讀出電路的開孔等所占的面積對敏感材料吸收都沒有直接貢獻(xiàn)，所以橋腿與有效吸收面積的設(shè)計(jì)尤為重要，橋腿類型大致可以分為如圖3(a)～(e)的幾種類型，可以看出，橋腿長度越短，橋腿截面積越小，則其填充系數(shù)越大，但另一方面為使微測輻射熱計(jì)與其襯底間的熱導(dǎo)盡量小，需要盡可能增加橋腿長度，而橋腿截面積過小則會帶來許多工藝上的問題。所以在設(shè)計(jì)橋腿分布時(shí)，需要綜合考慮，單層微橋結(jié)構(gòu)填充系數(shù)一般是60%～70%，且隨著像元尺寸的減小，單層結(jié)構(gòu)的填充系數(shù)會進(jìn)一步下降。研究者們還提出了一種如圖3(f)所示的雙層隱藏橋腿結(jié)構(gòu)[22]，但這種結(jié)構(gòu)由于信號互連失效的概率較大等因素并未被大多數(shù)制造商采用[23]。

圖1 各材料光學(xué)參數(shù)及光學(xué)性質(zhì)（圖(b)、(c)中A、T、R分別表示吸收率(Absorptivity)、透射率(Transmissivity)、反射率(Reflectivity)，圖(c)與圖(b)共用一個(gè)圖例）

圖2 氧化釩非制冷探測器示意圖

圖3 氧化釩非制冷探測器橋腿類型

反射層、諧振腔、表面吸收結(jié)構(gòu)，如圖4所示，我們可以單獨(dú)討論它們各自的以及其互相組合之后的結(jié)構(gòu)，通過FDTD仿真軟件對圖中各結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，可以得到相應(yīng)的吸收貢獻(xiàn)率。

圖4 氧化釩非制冷探測器不同吸收結(jié)構(gòu)示意圖（其中表面結(jié)構(gòu)為SiNx/Ti/SiNx夾層柱狀超表面天線結(jié)構(gòu)，SiNx/Ti/SiNx夾層厚度分別為50nm/10nm/50nm；天線周期為2.5mm，柱狀天線直徑為1.5mm；其他結(jié)構(gòu)各膜系參數(shù)同圖2所示）

從圖5(a)、(b)中可以看出，單探測器（無吸收結(jié)構(gòu)）吸收情況下大部分光線被透射，吸收率較低，故需要增加反射層以減小透射，當(dāng)增加反射層后，透射率幾乎下降為零，但另一方面反射率也顯著增加，對于探測器的吸收效率并沒有正面的效益，故其需要配合諧振腔進(jìn)行吸收增強(qiáng)。

諧振腔可等效為一個(gè)耦合系統(tǒng)[24]。當(dāng)有反射層存在時(shí)，下層金屬充當(dāng)一個(gè)鏡面的作用，能反射部分入射電磁波；同樣上層也會充當(dāng)一個(gè)局部的反射鏡，這樣上下金屬鏡面反射的多重波會發(fā)生干涉效應(yīng)。通過來回的振蕩反射消耗，使得入射光波完全被“約束”在中間介電耗盡層內(nèi)。腔體的厚度，也就是微橋懸空的高度，根據(jù)探測器吸收結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)公式：＝0/4，空氣的折射率為＝1，長波紅外（工作波段）的波長范圍0為8～12mm，因此，犧牲層厚度一般設(shè)計(jì)為2～3mm就能滿足諧振腔高度的要求。從圖5(c)、(e)可以看出，在反射層和諧振腔的共同作用下，探測器的吸收效率得到了大幅度的增加，如果單是諧振腔，吸收效果要遠(yuǎn)差于反射層和諧振腔搭配的效果。另外腔體存在的另一個(gè)必要原因在于降低了光敏面與襯底間的熱交換，故在氧化釩非制冷探測器設(shè)計(jì)時(shí)顯得尤為重要。

表面吸收結(jié)構(gòu)方面我們以超表面為例，超表面是一種在平面上按照特定需求排列的亞波長單元組合結(jié)構(gòu)。通過對單元結(jié)構(gòu)、排布方式、用材選擇等的合理設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)對光的各種屬性的調(diào)控。超表面有著“人工原子”的特點(diǎn)，這意味著我們可以微觀地去獨(dú)立設(shè)計(jì)每一個(gè)單元的結(jié)構(gòu)和排布方式，從而實(shí)現(xiàn)光的獨(dú)立調(diào)控。因此，超表面為開發(fā)探測器件提供了一個(gè)通用的平臺。通過圖5(d)、(f)我們可以看出，將超表面集成到探測器上，有效增加了探測器的吸收光譜范圍，起到了調(diào)節(jié)光譜的作用，而從圖5(g)可以看出，通過搭配反射層，探測器的中波波段吸收得到了極大的增強(qiáng)。這說明超表面結(jié)構(gòu)能夠有效調(diào)節(jié)吸收波段，增強(qiáng)峰值吸收。

熱輻射規(guī)律是自然界普遍規(guī)律之一，正常人體輻射的峰值波長一般在9.5mm處，輻射分布在8～14mm波段的能量占約總能量的46%[25]。對于溫度低于室溫的物體，75%的熱輻射能集中在10mm以上的紅外區(qū)。在設(shè)計(jì)制備紅外探測器的時(shí)候，控制其工作區(qū)間在8～14mm波段，便能接收室溫下物體輻射的主要能量。因此這里我們重點(diǎn)關(guān)注這一波段的吸收情況，可以得到如表1的結(jié)果。

圖5 氧化釩非制冷探測器不同吸收結(jié)構(gòu)吸收情況（圖(a)～(h)共用圖(a)的圖例，其中R、A、T分別表示反射率(Reflectivity)、吸收率(Absorptivity)、透射率(Transmissivity)）

表1 氧化釩非制冷探測器不同吸收結(jié)構(gòu)吸收情況對比

可以看出單層氧化釩非制冷探測器吸收效率始終有限，故學(xué)者們構(gòu)思出了雙層結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)氧化釩非制冷探測器的吸收率。

3 雙層氧化釩非制冷探測器吸收研究

這里在以上仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上提出一種基于現(xiàn)有工藝可實(shí)現(xiàn)的雙層氧化釩非制冷探測器結(jié)構(gòu)，如圖6，在單層探測器的基礎(chǔ)上增加了一層帶腔體的SiN/Ti/SiN夾層“傘狀”表面吸收結(jié)構(gòu)，并對其腔體高度，膜系厚度等進(jìn)行仿真優(yōu)化。

在腔體高度方面，由于新增加了一個(gè)上層腔體，故其物理特性與單層腔體相比肯定會發(fā)生一定的變化，在SiN/Ti/SiN夾層“傘狀”表面吸收結(jié)構(gòu)膜系厚度為100nm/10nm/50nm的條件下，通過FDTD軟件，我們可以得到如圖7(a)～(g)所示的仿真結(jié)果（這里我們令上層腔體高度為h，下層腔體高度為h）可以看出，隨著上下腔體的高度增加，吸收波段發(fā)生右移，這也符合腔體吸收公式。與下層腔體相比，上腔所起到的作用更顯著，我們可以根據(jù)氧化釩非制冷探測器工作波段的不同來靈活地設(shè)計(jì)兩個(gè)腔體的高度。

圖6 雙層氧化釩非制冷探測器結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 不同腔體吸收曲線（上層腔體固定時(shí)，吸收隨下層腔體變化的曲線）

接著針對各層膜系厚度進(jìn)行仿真優(yōu)化。為了方便表示，這里我們令上層表面結(jié)構(gòu)頂層SiN厚度為1；上層表面結(jié)構(gòu)中間層Ti厚度為2；上層表面結(jié)構(gòu)底層SiN厚度為3；光敏層膜系頂層SiN厚度為1；光敏層膜系中間層VO厚度為2；光敏層膜系底層SiN厚度為3。

首先對于上層表面吸收結(jié)構(gòu)，由圖8(a)～(c)可知，上層表面吸收層膜系厚度對于探測器吸收的影響十分顯著，且在一定范圍內(nèi)，各層膜系越薄探測器吸收效果相對越好，就底層SiN而言，因?yàn)樗缲?fù)起支撐整個(gè)腔體的重任，故應(yīng)控制其厚度在100nm左右；金屬Ti層因工藝限制無法長太薄，目前通常工藝上可實(shí)現(xiàn)的厚度在5nm左右；頂層SiN為了保證其有效的鈍化保護(hù)作用，厚度一般在50nm左右；而對于下層光敏吸收層膜系，由圖8(d)～(f)可知，在一定范圍內(nèi)，隨著膜厚的增加，探測器吸收峰值會有所增加，但對應(yīng)的峰值吸收波段將發(fā)生右移。如前所述，我們在考慮探測器膜系厚度時(shí)，需要結(jié)合力學(xué)，熱學(xué)綜合討論，當(dāng)兩個(gè)參數(shù)發(fā)生沖突時(shí)，我們通常需要對其進(jìn)行綜合取舍。

圖8 氧化釩非制冷探測器雙層結(jié)構(gòu)各層膜系不同厚度下吸收曲線

4 結(jié)論

通過以上仿真分析，我們可以得出一些提高氧化釩非制冷探測器吸收的系統(tǒng)方法。

首先從材料膜系角度出發(fā)，應(yīng)該盡量選擇吸收波段在工作波段的材料，同時(shí)綜合考慮膜系厚度，通常膜系厚度增加，器件的吸收波段會往長波方向移動，雙層結(jié)構(gòu)中，上層“傘”結(jié)構(gòu)各層膜厚通常需要比較薄，而下層光敏層膜系，通常需要在一定的中間值，需要結(jié)合工作波段，熱學(xué)力學(xué)性能進(jìn)行綜合取舍。

而在結(jié)構(gòu)方面，在沒有外部吸收增強(qiáng)裝置輔助的情況下，可以將提高氧化釩非制冷探測器吸收率的方法歸納為4個(gè)方面：提高探測器的填充系數(shù)（主要關(guān)注橋腿與光敏面的設(shè)計(jì)分布）；增加反射層減小光的透射；增加諧振腔增加所需波段吸收；表面吸收結(jié)構(gòu)的集成，如圖9所示，單探測器（無吸收結(jié)構(gòu)）吸收情況下大部分光線被透射，吸收率較低，當(dāng)增加反射層后，透射率幾乎下降為零，但另一方面反射率也顯著增加，故其需要配合諧振腔進(jìn)形吸收增強(qiáng)。諧振腔對于氧化釩非制冷探測器的光學(xué)吸收影響極大，同時(shí)在熱學(xué)方面也發(fā)揮著重要作用，是氧化釩非制冷探測器中不可或缺的重要結(jié)構(gòu)。在表面吸收增強(qiáng)結(jié)構(gòu)方面，學(xué)者們提出了許多十分有效的結(jié)構(gòu)，如：表面紋理吸收結(jié)構(gòu)；金屬陶瓷吸收結(jié)構(gòu)；光子晶體吸收結(jié)構(gòu)；超表面吸收增強(qiáng)結(jié)構(gòu)等。表面吸收結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用到吸收增強(qiáng)，吸收波段控制，偏振控制等各方面。

而雙層甚至多層結(jié)構(gòu)的利用將氧化釩非制冷探測器吸收率提升到了新的維度，大大拓寬了吸收波段，使得結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有了更多的靈活性。從圖9中我們可以很直觀地看到這種比較。而將更多的吸收增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用簡單的方式集成到氧化釩非制冷探測器上，必將成為下一個(gè)提高其吸收率的重要課題。

圖9 基于上述仿真結(jié)果的氧化釩非制冷探測器不同吸收結(jié)構(gòu)吸收情況對比圖（其中圖例表示如下: a—無吸收結(jié)構(gòu)；b—有反射層；c—有諧振腔；d—有表面結(jié)構(gòu)；e—有腔有反射層；f—有腔有表面結(jié)構(gòu)；g—有反射層有表面結(jié)構(gòu)；h—有表面結(jié)構(gòu)有腔有反射層；i—雙層結(jié)構(gòu)）

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Study on Absorption Characteristics of VOUncooled Detectors

YANG Jun，YANG Chunli，YUAN Jun，YIN Shudong，LI Huaying，BAI Lanyan，MA Min

(Kunming Institute of Physics, Kunming 650223, China)

As the pixel size of the vanadium oxide (VO) uncooled infrared focal plane decreased, the absorption area of the detector exhibited a sharp quadratic decrease in the edge length. Improving the absorption efficiency of the VOuncooled infrared focal plane arrays has become a crucial research topic. In this study, a comprehensive and systematic simulation of the factors affecting the optical absorption of single-layer and double-layer VOuncooled detectors was conducted from the aspects of material and structure, in terms of the absorption characteristics of single-layer material, different absorption structures, height of the cavity, and thickness of the film system. A systematic approach to improve the absorption of VOuncooled detectors is provided by quantitatively comparing the factors with the simulation results, which have certain reference significance for the design and research of VOuncooled detectors.

VOuncooled detectors, absorption characteristics, optical simulation, film thickness analysis, cavity optimization

TN215

A

1001-8891(2024)03-0261-08

2023-07-13；

2023-11-22.

楊君（1997-），男，碩士研究生，研究方向是非制冷探測器超表面結(jié)構(gòu)技術(shù)研究。E-mail: yangjun_wulisuo@163.com。

楊春麗（1980-），女，正高級工程師，主要從事紅外探測器研究。E-mail：149578363@qq.com。