中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
研究背景
紅外探測技術(shù)在軍事、工業(yè)、汽車(chē)、消費電子等諸多領(lǐng)域都有著(zhù)廣泛的應用。其中，基于雙材料微懸臂梁熱變形的光機械非制冷紅外探測器，通過(guò)“光-熱-機械-電”能量轉換實(shí)現紅外測量，展現了巨大的應用潛力。然而，與大多數類(lèi)型的紅外探測器一樣，它也面臨著(zhù)填充因子低的限制，即熱敏區域占芯片面積小導致光能利用效率低下。近年來(lái)，微型超構透鏡憑借其緊湊的尺寸、高設計靈活性和與微機電系統（MEMS）較好的兼容性，有望與紅外探測器單片集成，以提升其探測性能。通過(guò)在紅外探測器上集成微型超構透鏡陣列，可以大幅提升入射紅外光的利用效率，從而增強紅外傳感器的響應。
圖1 集成微型超構透鏡顯著(zhù)提高紅外探測器的像素利用區域
研究簡(jiǎn)介
近期，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納米復合材料實(shí)驗室趙旸教授團隊研究設計了一種長(cháng)波紅外（LWIR）微型超構透鏡陣列與光機械紅外探測器的單片集成方案，如圖2所示，并對其進(jìn)行了制造和表征。該團隊開(kāi)發(fā)了一種微納米加工工藝，將微型超構透鏡陣列直接制作在紅外探測器襯底的背面。通過(guò)微型超構透鏡陣列對紅外光的聚集作用，紅外探測器的等效填充因子得到了顯著(zhù)提高，從而獲得了更靈敏的紅外響應。實(shí)驗測試結果表明，單片集成微型超構透鏡陣列顯著(zhù)提升了光機械紅外探測器在8~14 μm波段的響應率，實(shí)現了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 單片集成微型超構透鏡的紅外探測器研究?jì)热?/strong>
研究?jì)热?/strong>
微型超構透鏡是一種基于亞波長(cháng)結構設計的平面透鏡。與傳統的曲面透鏡不同，微型超構透鏡通過(guò)亞波長(cháng)結構的排列組合靈活操控光波的相位、幅度或偏振，從而實(shí)現光的精確聚焦和控制。這種技術(shù)使得微型超構透鏡具有緊湊的尺寸、設計靈活性和對不同光譜的高效控制能力。同時(shí)，它們與微機電系統（MEMS）高度兼容，廣泛應用于高分辨成像、光學(xué)傳感器和虛擬現實(shí)（VR）設備等領(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透鏡直接制作在襯底背面。利用不同尺寸亞波長(cháng)單元結構對光的相位進(jìn)行調控，模擬出曲面透鏡的相位輪廓，即可實(shí)現對光的聚焦調控。仿真計算結果表明，當吸收板尺寸為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(cháng)波紅外應用的微型超構透鏡陣列設計與仿真計算
圖4 單片集成微型超構透鏡的紅外探測器陣列制造與表征
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厚的低應力氮化硅（SiNx）膜，再濺射50 nm厚的鉻層與300 nm厚的金層，構建SiNx/Au雙層薄膜結構。接著(zhù)，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，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)形成微型超構透鏡陣列圖案，并采用金屬干蝕刻與深硅蝕刻將圖案轉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)干燥避免懸臂梁結構因毛細作用粘附在襯底上。
該工作利用如圖5所示的紅外光與可見(jiàn)光結合的實(shí)驗光路測試了單片集成微型超構透鏡對于紅外探測器響應率的影響。紅外熱源的輻射通過(guò)超構透鏡聚焦到紅外探測器上，使微懸臂梁溫度升高并發(fā)生彎曲。同時(shí)，可見(jiàn)光束從另一側照射探測器，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移動(dòng)。因此，微懸臂梁的反光板的變形導致衍射圖樣位移，從而引起CCD圖像傳感器上的光強變化，使得目標的紅外輻射信息能夠通過(guò)CCD圖像傳感器輕松重建。
圖5 單片集成微型超構透鏡的紅外探測器響應測試
實(shí)驗使用了不同的中性密度濾光片來(lái)實(shí)現0%、50%和100%的紅外輻射透過(guò)率。通過(guò)線(xiàn)性擬合可見(jiàn)光CCD在三種透過(guò)率下的灰度變化，即可獲得探測器的響應度。測試結果表明，集成微型超構透鏡像元的平均響應度為0.20 Gray level/Transmittance，而沒(méi)有集成微型超構透鏡的像元的平均響應度為0.11 Gray level/Transmittance。因此，微型超構透鏡的集成使光機械紅外探測器的響應率提高了81.8%。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)精密機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家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、廣東省教育廳科研項目與深圳市科技創(chuàng )新委員會(huì )項目資助。部分實(shí)驗工作在中國科學(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)驗中心完成。
