双层伞状开孔的微测辐射热计红外吸收分析_蒋君贤.pdf

收稿日期:2 0 2 2-0 8-2 2.*通信作者:陈 超E-m a i l:c h e n c h a o u e s t c.e d u.c n光电器件D O I:1 0.1 6 8 1 8/j.i s s n 1 0 0 1-5 8 6 8.2 0 2 2 0 8 2 2 0 1双层伞状开孔的微测辐射热计红外吸收分析蒋君贤,王 涛,陈 超*,吴志明,王 军(电子科技大学 光电科学与工程学院,成都6 1 0 0 5 4)摘 要:建立了具有伞状吸收层结构的微测辐射热计探测单元的红外吸收模型。基于光学导纳矩阵法和阻抗匹配理论,采用三维电磁仿真软件C S T,对伞状结构不同开孔尺寸和形状下模型的红外吸收特性进行了分析。结果表明,双层伞状开孔微测辐射热计光学性能与伞状结构开孔大小有密切的关系。该伞状微测辐射热计中引入开孔后,在保持较高的红外吸收特性的基础上,减少了探测单元热容,从而提升了器件响应速度。最终所得探测单元在81 4m红外波段内的平均吸收率为8 5%,满足超大规模小像元非致冷红外焦平面探测器的设计要求。关键词:微测辐射热计;光学仿真;小像元;吸收率;微桥结构中图分类号:T N 2 1 5 文章编号:1 0 0 1-5 8 6 8(2 0 2 3)0 1-0 0 4 4-0 5I n f r a r e dA b s o r p t i o nA n a l y s i so fM i c r o b o l o m e t e rw i t hT w o-L a y e rU m b r e l l a-S h a p e dO p e n i n g sJ I ANGJ u n x i a n,WANGT a o,CHE NC h a o,WUZ h i m i n g,WANGJ u n(S c h o o l o fO p t o e l e c t r o n i cS c i e n c ea n dE n g i n.,U n i v e r s i t yo fE l e c t r o n i cS c i e n c ea n dT e c h n o l.o fC h i n a,C h e n g d u6 1 0 0 5 4,C H N)A b s t r a c t:A ni n f r a r e da b s o r p t i o n m o d e lf o r m i c r o b o l o m e t e rd e t e c t i o n u n i t s w i t h a nu m b r e l l a-s h a p e da b s o r p t i o nl a y e rs t r u c t u r ea r ee s t a b l i s h e d.B a s e do nt h eo p t i c a la d m i t t a n c em a t r i xm e t h o da n di m p e d a n c e m a t c h i n gt h e o r y,t h ei n f r a r e da b s o r p t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h em o d e lu n d e rd i f f e r e n ta p e r t u r es i z e sa n ds h a p e so ft h eu m b r e l l as t r u c t u r ea r es i m u l a t e du s i n gt h r e e-d i m e n s i o n a l e l e c t r o m a g n e t i cs i m u l a t i o ns o f t w a r eC S T.T h er e s u l t ss h o wt h a tt h eo p t i c a lp e r f o r m a n c eo f t h ed u a l-l a y e ru m b r e l l a-s h a p e da p e r t u r em i c r o b o l o m e t e r i sc l o s e l yr e l a t e dt ot h ea p e r t u r es i z eo f t h eu m b r e l l as t r u c t u r e.T h e i n t r o d u c t i o no f t h ea p e r t u r e i nt h eu m b r e l l a-s h a p e dm i c r o b o l o m e t e r r e d u c e st h eh e a tc a p a c i t yo ft h ed e t e c t i o nu n i tw h i l em a i n t a i n i n gh i g hi n f r a r e da b s o r p t i o nc h a r a c t e r i s t i c s,t h e r e b y i m p r o v i n gd e v i c e r e s p o n s es p e e d.T h e r e s u l t i n gd e t e c t i o nu n i th a sa na v e r a g ea b s o r p t i o nr a t eo f8 5%i nt h e81 4mi n f r a r e db a n d,m e e t i n gt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so f l a r g e-s c a l es m a l l-p i x e ln o n-c o o l e d i n f r a r e df o c a l p l a n ed e t e c t o r s.K e yw o r d s:m i c r o b o l o m e t e r;o p t i c a l s i m u l a t i o n;s m a l l p i x e l;a b s o r p t i v i t y;m i c r o-b r i d g e s t r u c t u r e0 引言近年来,非致冷红外焦平面探测器在朝着小型化、低功耗、高灵敏、高分辨率方向发展1-2,已在越来越多的行业内得到应用。微测辐射热计作为红外辐射能量吸收的核心结构,其设计及制造直接影响着非致冷探测器的性能指标3。目前被广泛应用的微桥结构主要有单层和双层微桥结构。传统单层微桥结构的微测辐射热计将光敏层和红外吸收层沉积于一个桥面上,工艺相对简单。但随着探测器技术的发展,像元尺寸不断缩小,单层微桥的悬臂梁需要制备得越来越细长才能达到较高的性能,但过长的悬臂梁结构会极大地降低微测辐射热计单元的占空比4-5。而双层结构的微测辐射热计结构,利用双吸收层技术,额外增加了一层悬浮吸收层结构,可极大提高单元占空比。这种通过提高像元填充系数和改变光学谐振腔的设计可获得更高的吸收率,从而提升器件性能。然而由于增加了一层结构,导致探测44S EM I C O N D U C T O RO P T O E L E C T R O N I C S V o l.4 4N o.1F e b.2 0 2 3 单元的热容也随之增加,这将影响器件的响应速度。本文将展开微测辐射热计结构的相关研究,设计一种像元尺寸为1 2m的双层伞状微测辐射热计开孔结构,以达到在不降低器件红外吸收的基础上,尽量降低器件热容,从而满足较高帧频探测的要求。采用三维电磁仿真软件C S T对像元结构的红外吸收进行了仿真计算,讨论了开孔数目对探测单元红外吸收率的影响,得到器件的红外吸收率及电场强度分布,从而获知模型性能,提高设计效率,为后续器件制备提供参考。1 理论分析及模型1.1 基本理论微测辐射热计目前主要利用光学导纳矩阵理论分析其光学性能,通过改变各层膜厚和衬底与桥面形成的光学谐振腔高度,优化结构获得较高的红外吸收率6。本文所设计的伞装双层微测辐射热计单元结构如图1所示。图1 微测辐射热计膜层结构图4通过光学导纳矩阵法,可计算图1所示的结构的薄膜光吸收情况7-9,得到膜系在不同波长红外辐照时的特征矩阵,求出反射率R()和透射率T()进而得到膜系红外吸收谱A()。根据薄膜光学理论计算膜系吸收率的矩阵方法,引入导纳Y和特征矩阵Mj(第j层膜的特征矩阵),计算多层介质薄膜的反射率和透射率。Mj=c o sji s i nj/jijs i njc o sj(1)式(1)为薄膜的特征矩阵。其中j=2 Njdjc o sj为入射光在各膜层中传输所产生的相位变化。考虑到器件工作的实际情况,针对理论计算可以作以下假设:各层是各向同性的均匀薄膜8;输入波是横电波(S波)且垂直入射。对于S波且垂直入射时,j=0,整个膜系的特征矩阵M为M=BC=kj=1Mj1s(2)那么将空气视为入射介质,整个系统反射率和透射率分别为R()=0B-C0B+C0B-C0B+C*(3)T()=40s(0B+C)(0B+C)*(4)其中,0为入射介质的光学导纳,s为出射介质的光学导纳。所以膜系吸收率为A()=1-R()-T()(5)由于光学导纳矩阵计算结果是基于二维膜层,未考虑模型三维尺寸,当采用不同微桥结构时,探测单元对于红外辐射的吸收也有所不同。为了更真实和准确地模拟器件的红外吸收特性,本文采用C S T仿真软件,建立了三维的微测辐射热计红外吸收模型,进行光学仿真,并引入阻抗匹配原理进行分析论证。阻抗匹配理论1 0是一种基于电磁参数的研究方法,当入射电磁波的波长远远大于吸波结构的尺寸时,可以将其看作均匀介质,即在工作波段范围内,通过改变吸收器的介电常数()和磁导率()使吸收器的结构阻抗和自由空间阻抗相匹配,其中,为入射光波长1 0。吸收器结构的阻抗Z和自由空间的阻抗Z0()可表示为Z=(1+S1 1)2-S22 1(1-S1 1)2-S22 1(6)Z0()=()()(7)式中,S1 1为 反 射 系 数,S2 1为 透 射 系 数。反 射 率R()可表示为R()=Z-Z0()Z+Z0()2(8)由式(8)可知,当Z=Z0()=1时,吸收器的反射率最小,满足阻抗匹配条件1 0。由于微桥结构中底层有金属铝的存在,使得结构的透射率接近0,当结构阻抗Z=1时,吸收器可实现优异的吸收性能。2 光学仿真设计2.1 微桥结构建模双层结构因具有较高的占空比而广受关注1 1。本文所设计的1 2m1 2m的双层微测辐射热计结构,如图2所示。该结构的膜系及厚度参数如表1,所选材料相关材料参数来自相关折射率数据库。54 半导体光电2 0 2 3年2月第4 4卷第1期蒋君贤 等:双层伞状开孔的微测辐射热计红外吸收分析 表1 微测辐射热计膜层厚度表膜层膜厚/mS i3N40.0 7T i0.0 2 5S i3N40.0 2 5S i3N40.0 3VOx0.0 7S i3N40.1 2真空腔2A l0.3 3硅衬底5图2 双层微测辐射热计伞盖33开孔结构图伞盖膜层开孔大小为b,中心孔半径为r,开孔距离中心孔间距为d1,伞盖膜系及厚度如表2所示。表2 微测辐射热计伞盖膜层厚度表膜层膜厚/mS i3N40.0 2 5T i0.0 1S i3N40.0 8真空腔22.2 双层结构光学仿真分析双层微测辐射热计是在单层的基础上,添加一层吸收层,可以获得更高的填充系数,同时可以增加一次腔共振,以增加微测辐射热计的红外吸收,从而获得更高的响应率。但这会引入额外的热容,降低器件响应速度。因此将双层伞装微测辐射热计单元基础上的伞盖层增设开孔,从而达到降低探测单元热容的目的。本文设计了两种不同开孔数、孔径大小的结构,进行红外吸