利用光栅提高红外非制冷热探测器效率的研究

吴元庆，张金晶，刘春梅，陆晓东，周 涛

（渤海大学 新能源学院，辽宁 锦州 121013）

利用光栅提高红外非制冷热探测器效率的研究

吴元庆，张金晶，刘春梅，陆晓东，周 涛

（渤海大学 新能源学院，辽宁 锦州 121013）

非制冷探测器的制备，最常用的方法是通过微机械加工在CMOS读出电路上制作悬桥来实现。传感器将吸收的热量转化为电压信号或电流信号变化由检测电路检出，但该结构吸收效率偏低。本研究提出了一种基于表面等离子体谐振吸收的红外探测器结构。分析了光栅及器件结构参数对红外光学吸收的影响，采用COMSOL软件仿真，研究了金属-介质-金属三明治结构红外探测器的吸收效率，并通过结构参数的优化使吸收结构对特定红外波段的吸收率达到98%以上，在整个波长范围内平均吸收效率达30.5%。

非致冷；红外；探测器；等离子体谐振；光栅；结构优化

非制冷热成像探测器阵列的研究于 20世纪 60年代被提出，并于20世纪70年代末进入迅速发展阶段。在过去的几年内，非制冷红外焦平面技术得到了飞速发展，并在军事、商业和民事中得到成功应用。非制冷热成像探测阵列的使用使得整个红外热成像系统省去了复杂的制冷系统，成本大大降低，同时非制冷热成像传感器又具有质量轻、功耗低、体积小、性能可靠和操作方便等优点，所以在很多领域中，原先使用的制冷型红外探测器正在被非制冷型红外探测器所代替[1-3]。

目前应用最广泛的红外设备是红外非制冷探测器，其最常用的方法是通过微机械加工在CMOS读出电路上制作悬桥来实现微测辐射热计。本文研究的是其中的一种基于 VOx（氧化钒）热敏材料的电阻型测辐射热计，其原理是利用 VOx敏感膜电阻率随温度的变化，从而将探测器上接收到的光热信号转化为电压信号或电流信号变化由检测电路检出。为了提高该类型的传感器对于热辐射的吸收效率，本文研究了基于表面等离子体激发的光栅结构。

表面等离子体激元是一种在导体表面传播的电磁波，是外界光场与金属表面处的自由电子相互作用产生的一种混合激发态。相互作用过程中，自由电子会在与其同频的光子的照射下发生集体振荡，形成了沿着平坦金属/介质界面传播的SPPs（surface plasmon polaritons，表面等离子激元）。这种激发态局限于界面附近，且其场强在界面垂直方向呈指数分布[4-5]。

金属等离子体激元的激发方式主要包括：棱镜耦合，利用全反射消逝波激发；波导模耦合通过波导两侧的消逝波激发；强聚焦光束，通过高数值孔径提供的大入射角度满足波矢匹配条件；光栅耦合，通过光衍射产生能满足波矢匹配条件的光栅矢量；近场激发，通过探针尖产生包含不小于SPPs波矢量的光波。本研究采用太阳能电池陷光结构常用的光栅耦合方式激发等离子体激元，并通过光栅周期的调制来调整共振波长，进而进一步增进光吸收[6-8]。

采用光栅结构促进光吸收在太阳能电池等领域应用较广泛，但用于红外非制冷探测器的吸收方面，目前研究的还不多。采用有限元法，本文研究利用光栅结构提高红外非制冷热探测器吸收效率的方法，理论证明该结构的可行性。

1 器件模型及原理

图1 传感器像元结构和剖面图Fig.1 Structure of pixel and profile of sensor

设计的非制冷红外探测器是基于光栅结构的红外微测辐射热计，结构示意图如图 1所示。图 1(a)是红外探测器的像元结构图，左右两侧为整个像元结构的支撑悬臂。图1(b)为红外吸收光栅结构的剖面图，自上而下依次为金属光栅、氮化硅钝化层、氧化钒热敏层、氮化硅支撑层和金属反射层。光栅结构位于探测器像元的上部，沉积在氮化硅钝化层之上。氮化硅材料由于具有热稳定性高、抗氧化和机械强度高等特点，包覆在氧化钒上下两侧，一方面起到绝缘作用，另一方面形成支撑层，减小热损耗，将整个器件支撑在衬底上形成悬空结构。探测器的热绝缘性能是影响探测率的关键因素，两侧悬臂梁上的金属导线则同氧化钒的两端直接接触，连接底部处理电路构成导电回路，桥臂同时兼顾机械支撑、热导通道和电学通道三种功能。

入射光由顶部入射，透过光栅后被多层膜结构吸收，探测器的温度随之发生变化，进而引起氧化钒的阻值变化，经过外围电路处理完成光的吸收探测。整个吸收结构作为非制冷红外探测器的敏感吸收单元，结合支撑桥腿和热隔离空腔结构组成完整的红外探测单元。器件设计的主要原理：使用金属光栅进行耦合，以便在金属和介质材料的交界处形成沿着材料表面横向传播的表面等离子体波，利用表面等离子体谐振效应(SPR)，使得器件产生增强吸收的效果。

2 光学吸收性能仿真

表面等离子体谐振通常发生在金属和介质交界面处，但研究发现金属氧化物同样具有这种效应。金属氧化物中的SPR现象可用Drude-Lorentz色散模型解释[9]，VOx中的表面等离子体的色散关系可表示如下：

式中：ε∞为高频介电常数；n为等离子体共振频率；

c为衰减率；Sm为振荡强度；m为谐振频率；Гm为线宽；m为Lorentz项的阶数。

本文采用COMSOL有限元软件，对具有光栅式探测器结构的光吸收特性进行仿真，通过比较不同结构参数对于探测器吸收效率的影响，进而优化出更合格的模型。为了提高计算效率，仅分析一个周期的器件结构，在两侧使用周期性边界条件，金属光栅所用材料为金，其光学参数来自文献[9]；VO2的光学参数由文献[10]给出：

ε∞=3.95 eV，n=3.33 eV，c=0.66 eV，同时使用Lorentz项参数如表1。

表1 Lorentz项参数Tab.1 Parameter of Lorentz

探测器的初始结构参数设置为：光栅周期5 μm，金属光栅占空比为0.5，光栅厚度100 nm，Si3N4钝化层厚度200 nm，VO2层厚度100 nm，Si3N4支撑层厚度300 nm，底部为金反射层300 nm。仿真结构图如图1（b）所示。

3 结果与讨论

由于S偏振光无法产生SPP波，因此默认入射光的电场方向为x方向，此时入射光的偏振方向平行于入射面，为P偏振。设置入射光波段为2 ～20 μm，分别仿真了不含光栅结构时，各层厚度对于热吸收效率的影响。同时对于含有光栅结构时，分别考虑金属光栅占空比、周期、深度等参数对器件在中红外波段的光学性质的影响，得到吸收谱线。

3.1 无光栅结构时，模型参数对性能的影响

热传感器主要反映器件对热的吸收和反应能力，从传感器的结构上来看，硅读出电路上方通常用热导率小的氮化硅制作绝热微桥来支撑，桥面上沉积氧化钒薄膜等热敏感薄膜，它们通过两条支撑臂上的引线与Si衬底中的信号处理电路相连。这样敏感膜吸收的热量绝大部分只能从支撑臂传入Si衬底，降低了探测器的热导，提高了红外辐射引起的温度变化幅度。电阻上方用Si3N4作为红外吸收膜，红外光照射在探测器上时一部分被吸收层吸收，另一部分透过吸收层和敏感膜被金属反射层反射回来，再次被吸收膜所吸收。

从上面可以看出钝化层氮化硅的厚度对器件性能的影响相当明显，首先，热辐射要通过它才能传达到吸收层的位置，而且还要对器件起到保护和绝缘的作用。不同厚度的钝化层，对热的吸收效率有不同的影响，在此基础上，对不同厚度的钝化层的器件进行了仿真计算，结果如图2。

图2 无光栅结构时钝化层厚度对吸收效率的影响Fig.2 Influence of the passivation layer thickness on absorption efficiency without grating

从计算结果上可以看出，钝化层厚度直接影响了入射波长在2～3 μm之间的第一个吸收峰，随着钝化层厚度的增大，第一个吸收峰吸收率明显下降，同时，伴随着发生波长10～14 μm之间第二个吸收峰产生红移。

同时，氧化钒的厚度也会大大影响器件的吸收效率（如图 3），从氧化钒厚度的计算结果来看，图3中可以明显看出，氧化钒的厚度对于吸收效率的影响，吸收谱线随着氧化钒厚度的变化而发生明显的红移，从而，对第二个吸收峰的位置可以通过氧化钒的厚度来进行调制。

图3 无光栅结构时氧化钒厚度对于吸收效率的影响Fig.3 Influence of VOxthickness on absorption efficiency without grating

3.2 含有光栅结构时，模型参数对于模型的影响

对器件增加光栅陷光结构（金光栅周期5 μm，光栅占空比为0.5，光栅厚度100 nm）后，会对器件的吸收谱产生影响，结果如图4和图5，从计算结果看，分别反映了增加光栅结构对于器件的吸收谱造成明显变化，吸收峰从2个变化成4个，在4 μm波长处出现一个新的吸收峰，8 μm处出现一个小的吸收峰，原来10～12 μm间的吸收峰发生明显变化，在特定波长处吸收效率可以超过95%。

而且，钝化层厚度的影响与不加光栅结构时产生明显区别，效果依然是在2.5 μm处出现第一吸收峰，但吸收效率明显下降，从80%下降至60%左右，同时吸收效率也随钝化层厚度的增大而加强，红移现象依然。

图4 钝化层厚度对于吸收效率的影响Fig.4 Influence of the passivation layer thickness on absorption efficiency with grating

图5 氧化钒厚度对于吸收效率的影响Fig.5 Influence of VOxthickness on absorption efficiency with grating

分析原因是由于光栅结构与钝化层之间产生等离子体吸收，即SPP波，电场位于钝化层内部，从而SPP波的传播和吸收与钝化层的厚度有密切关系，厚度越大吸收越完全，吸收效率越高。

而氧化钒的吸收效率没有发生明显变化，厚度影响的依然是吸收谱线的峰值位置。随着厚度的增加，发生谱线红移。

对光栅的参数进行调整并比较不同光栅参数（占空比、周期、厚度）对于吸收效率的影响如图6、图7、图8。图中可以看出，占空比对于吸收效率的影响，主要反映在对于吸收峰的改变，尤其是6～8 μm间的吸收峰，吸收峰随占空比的缩小向右侧移动，峰值也有所下降。周期的改变对于吸收效果也类似，峰值随周期的降低而红移且峰值下降。光栅厚度对于吸收效率的影响在于随着光栅厚度的缩小，其吸收效率会显著提高。

图6 不同占空比对于吸收效率的影响Fig.6 Influence of duty cycle on absorption efficiency

图7 光栅周期对于吸收效率的影响Fig.7 Influence of grating period on absorption efficiency

图8 光栅厚度对吸收效率的影响Fig.8 Influence of grating thickness on absorption efficiency

3.3 优化后的模型

优化的参数设置为：光栅周期3 μm，金属光栅占空比为0.5，光栅厚度3 nm，Si3N4支撑层厚度200 nm，VO2层厚度350 nm，Si3N4钝化层厚度200 nm。

优化后模型的仿真结果如图9所示。

图9 优化后模型的吸收效率仿真结果Fig.9 Absorption efficiency of optimized model

该结构下器件共有三个主要吸收峰，与同类型的结构相比[12]，最高吸收效率位于10～14 μm，可达99.4%（文献[12]的最大吸收效率是90%），4 μm处吸收效率可达 97%，器件可以获得良好的光学吸收效果。在整个波长范围内平均吸收效率达30.5%。三个吸收峰对应的电场分布如图10所示。

同时，有试验表明，顺利通过大气的红外辐射主要有三个波段范围，即1～2.5 μm，3～5 μm，8～14 μm[11]，通常把这三个波段范围称为大气窗口。该结构的吸收峰值正好位于这三个大气窗口内，可知该结构对于改进红外热探测器的吸收效率具有重要意义。

4 结论

介绍了一种红外吸收新型微测辐射热计结构，分析了其结构对于光学性能的影响，利用SPP谐振吸收原理使得器件的吸收谱处于中红外波段，吸收峰值达到 98%以上，同时，调整后的新结构三个吸收峰刚好对应三个大气红外吸收窗口，整个波长范围内的平均吸收效率超过 30%。该方案增强了入射光吸收，提高了红外非制冷热探测器的吸收效率，对于其市场化有重要意义。

图10 结构改进后三个吸收峰对应的电场分布图Fig.10 The electric field distribution of the three absorption peaks

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（编辑：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

吴元庆

国家自然科学基金资助项目（No. 11304020）

吴元庆（1982-），男，辽宁庄河人，讲师，研究方向是MEMS理论和设计，E-mail: wuyuanqing123@163.com 。

时间：2016-11-29 11:30:54

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