中國(guó)電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
研究背景
紅外探測(cè)技術(shù)在軍事、工業(yè)、汽車(chē)、消費(fèi)電子等諸多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。其中，基于雙材料微懸臂梁熱變形的光機(jī)械非制冷紅外探測(cè)器，通過(guò)“光-熱-機(jī)械-電”能量轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)紅外測(cè)量，展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力。然而，與大多數(shù)類(lèi)型的紅外探測(cè)器一樣，它也面臨著填充因子低的限制，即熱敏區(qū)域占芯片面積小導(dǎo)致光能利用效率低下。近年來(lái)，微型超構(gòu)透鏡憑借其緊湊的尺寸、高設(shè)計(jì)靈活性和與微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）較好的兼容性，有望與紅外探測(cè)器單片集成，以提升其探測(cè)性能。通過(guò)在紅外探測(cè)器上集成微型超構(gòu)透鏡陣列，可以大幅提升入射紅外光的利用效率，從而增強(qiáng)紅外傳感器的響應(yīng)。
圖1 集成微型超構(gòu)透鏡顯著提高紅外探測(cè)器的像素利用區(qū)域
研究簡(jiǎn)介
近期，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納米復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)室趙旸教授團(tuán)隊(duì)研究設(shè)計(jì)了一種長(zhǎng)波紅外（LWIR）微型超構(gòu)透鏡陣列與光機(jī)械紅外探測(cè)器的單片集成方案，如圖2所示，并對(duì)其進(jìn)行了制造和表征。該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種微納米加工工藝，將微型超構(gòu)透鏡陣列直接制作在紅外探測(cè)器襯底的背面。通過(guò)微型超構(gòu)透鏡陣列對(duì)紅外光的聚集作用，紅外探測(cè)器的等效填充因子得到了顯著提高，從而獲得了更靈敏的紅外響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，單片集成微型超構(gòu)透鏡陣列顯著提升了光機(jī)械紅外探測(cè)器在8~14 μm波段的響應(yīng)率，實(shí)現(xiàn)了81.8%的性能提升。相關(guān)研究成果以“Optomechanical Infrared Detector Monolithically Integrated with Micro-Metalens Array”為題，發(fā)表在光學(xué)科學(xué)Top期刊《ACS Photonics》。
圖2 單片集成微型超構(gòu)透鏡的紅外探測(cè)器研究?jī)?nèi)容
研究?jī)?nèi)容
微型超構(gòu)透鏡是一種基于亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的平面透鏡。與傳統(tǒng)的曲面透鏡不同，微型超構(gòu)透鏡通過(guò)亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的排列組合靈活操控光波的相位、幅度或偏振，從而實(shí)現(xiàn)光的精確聚焦和控制。這種技術(shù)使得微型超構(gòu)透鏡具有緊湊的尺寸、設(shè)計(jì)靈活性和對(duì)不同光譜的高效控制能力。同時(shí)，它們與微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）高度兼容，廣泛應(yīng)用于高分辨成像、光學(xué)傳感器和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）設(shè)備等領(lǐng)域。該工作中，微懸臂梁像素錨定在硅襯底上，而由硅制成的介電微型超構(gòu)透鏡直接制作在襯底背面。利用不同尺寸亞波長(zhǎng)單元結(jié)構(gòu)對(duì)光的相位進(jìn)行調(diào)控，模擬出曲面透鏡的相位輪廓，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)光的聚焦調(diào)控。仿真計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)吸收板尺寸為26 μm x 26 μm時(shí)（像素尺寸為60 μm），超過(guò)80%的入射輻射可以被吸收板所接收，極大地提升了光能利用效率。
圖3 面向長(zhǎng)波紅外應(yīng)用的微型超構(gòu)透鏡陣列設(shè)計(jì)與仿真計(jì)算
圖4 單片集成微型超構(gòu)透鏡的紅外探測(cè)器陣列制造與表征
如圖4所示，該研究采用了包含五次光刻與刻蝕的微納加工工藝。首先，使用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）技術(shù)，在300 μm厚的雙面拋光4英寸硅片上沉積了2.5 μm厚的SiO?犧牲層，并對(duì)錨釘孔陣列進(jìn)行圖形化處理。隨后，通過(guò)低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）生成500 nm厚的低應(yīng)力氮化硅（SiNx）膜，再濺射50 nm厚的鉻層與300 nm厚的金層，構(gòu)建SiNx/Au雙層薄膜結(jié)構(gòu)。接著，蝕刻去除隔離部分的金層，形成熱隔離支腿。隨后將芯片翻轉(zhuǎn)，并在背面沉積100 nm厚的鋁膜作為硬掩膜，通過(guò)電子束光刻（EBL）技術(shù)形成微型超構(gòu)透鏡陣列圖案，并采用金屬干蝕刻與深硅蝕刻將圖案轉(zhuǎn)移至鋁掩膜與硅襯底。最后，將樣品浸入49%氫氟酸（HF）溶液中以去除SiO?犧牲層，并通過(guò)臨界點(diǎn)干燥避免懸臂梁結(jié)構(gòu)因毛細(xì)作用粘附在襯底上。
該工作利用如圖5所示的紅外光與可見(jiàn)光結(jié)合的實(shí)驗(yàn)光路測(cè)試了單片集成微型超構(gòu)透鏡對(duì)于紅外探測(cè)器響應(yīng)率的影響。紅外熱源的輻射通過(guò)超構(gòu)透鏡聚焦到紅外探測(cè)器上，使微懸臂梁溫度升高并發(fā)生彎曲。同時(shí)，可見(jiàn)光束從另一側(cè)照射探測(cè)器，并被微懸臂梁的反光板反射，在透鏡后焦平面上形成衍射光譜。刀口濾光片遮擋了部分衍射光譜，未被遮擋的部分則繼續(xù)移動(dòng)。因此，微懸臂梁的反光板的變形導(dǎo)致衍射圖樣位移，從而引起CCD圖像傳感器上的光強(qiáng)變化，使得目標(biāo)的紅外輻射信息能夠通過(guò)CCD圖像傳感器輕松重建。
圖5 單片集成微型超構(gòu)透鏡的紅外探測(cè)器響應(yīng)測(cè)試
實(shí)驗(yàn)使用了不同的中性密度濾光片來(lái)實(shí)現(xiàn)0%、50%和100%的紅外輻射透過(guò)率。通過(guò)線性擬合可見(jiàn)光CCD在三種透過(guò)率下的灰度變化，即可獲得探測(cè)器的響應(yīng)度。測(cè)試結(jié)果表明，集成微型超構(gòu)透鏡像元的平均響應(yīng)度為0.20 Gray level/Transmittance，而沒(méi)有集成微型超構(gòu)透鏡的像元的平均響應(yīng)度為0.11 Gray level/Transmittance。因此，微型超構(gòu)透鏡的集成使光機(jī)械紅外探測(cè)器的響應(yīng)率提高了81.8%。
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)精密機(jī)械與精密儀器系博士生羅振東、侯虎旺為共同第一作者，趙旸教授、張鵬特任副研究員為共同通訊作者。該工作得到了科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省教育廳科研項(xiàng)目與深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)項(xiàng)目資助。部分實(shí)驗(yàn)工作在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納研究與制造中心、工程與材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心完成。
