红外光源与敏感元素的纳米结构集成研究现状

近年来，随着纳米技术的不断发展，纳米结构与光学相关的特性被不断探索开发出来。例如，美国ICx Photonics公司在微米量级的金属辐射层上利用表面粗糙化技术研制出了小体积、低功耗、高辐射率的PulsIR^®MEMS红外光源^[54]，如图8-2所示。瑞士Leister公司也研制了集成铂黑纳米结构的MEMS红外光源^[55]，通过在半导体薄膜表面上沉积铂黑材料，使光源在2～14μm波段内的辐射强度达到90%，如图8-3所示。2008年，荷兰代尔夫特理工大学的J.F.Creemer等人研制出了以TiN纳米薄膜材料作为发热层的MEMS红外光源^[56]，TiN不仅有良好的耐高温特性，而且与CM0S工艺兼容，降低了制造成本。另外，美国In-tex公司于2011年通过等离子体增强型化学气相沉积（PECVD）方法在光源表面沉积纳米无定形碳材料作为辐射层，通过离子注入掺杂来改变其硬度、导电性等，提高了光源的辐射强度^[57]。德国FRAUNH0FER物理测量技术研究所结合现有的MEMS工艺技术，加工得到微桥型红外光源，并在其表面涂覆了由纳米Al₂0₃颗粒形成的涂层，使红外光源的发射率得到了很大的提升^[58]。在国内，复旦大学使用Pt电阻丝与SixNy-空气表面二维光子晶体制作了MEMS红外光源，其发射率较传统红外光源提高了2倍^[59]。

图8-2 PulsIR^®MEMS红外辐射源

上述光源结构存在的问题在于辐射性能方面有待提高，采用传统CM0S-MEMS工艺制作的红外光源辐射率由于受到辐射材料薄膜结构的限制，辐射性能低于集成了纳米结构的光源，而纳米辐射增强结构很难采用CM0S-MEMS兼容的工艺制作，如需要特殊的电化学腐蚀工艺、高温烧结工艺等。为了提高红外光源的相关性能且保持辐射源制作成本的相对低廉，如何使用CM0S-MEMS兼容的工艺制作纳米结构以增强辐射性能成为了今后红外辐射源设计与制作工艺研究的重点。

图8-3 瑞士Leister公司的Axetris红外辐射源

另一方面，红外探测器是红外气体传感系统中的一个重要组成部分。基于热电堆敏感原理的红外探测器因其特殊的性质，在气体传感器中获得了应用。目前，针对热电堆红外探测器的研究已经广泛开展。例如，2012年，法国IEMN电子、微电子、纳米技术研究中心使用CM0S工艺制造了一种无须封装的红外热电堆传感器^[60]，该方案使用金属薄膜将多晶硅敏感材料部分遮蔽，在多晶硅薄膜中形成温度梯度以实现红外辐射的探测，虽然该方案制得的红外探测器分辨率较低，但由于其不需封装就能使用，制作成本十分的低廉，非常适用于低端产品。2011年，韩国LG公司与韩国大学合作，使用N型多晶硅与Al为材料，通过MEMS工艺制造了桥式结构的高性能热电堆红外探测器^[61]，且将其应用于NDIR二氧化碳气体传感器，该器件在体积上比传统热电堆器件小了近50%。在该器件中使用了Si0₂-Cr镀层作为红外吸收层，进而提高了红外吸收效率，如图8-4所示。

近几年来，随着新型纳米技术的发展，纳米材料或结构也逐步在红外传感器中获得了应用。例如，西班牙纳米光子技术中心在使用单分子自组装层功能化的Si衬底上制作Au纳米盘结构，实现了对红辐射的探测；该金属纳米结构对红外线表现出很强的等离子体共振，从而提升了探测器的敏感度。(www.xing528.com)

据2008年11月1日美国《MIT技术评论》消息报道，硅因为具有吸收光线、产生电流的能力，所以是制作光传感器和太阳能电池的材料。可是大约有一半的红色光与大部分红外线会穿过硅片，不会被吸收。但在一次偶然的实验过程中发现了一种新型材料黑硅，即在硅片的表面进行一系列的处理，形成一层黑色的物质，这种黑色的物质具体形貌呈锥状森林结构^[62-64]。通过测试发现这种黑硅结构对于可见光和部分短波红外光有很强的吸收能力，而且制作工艺简单，因此，在国内外迅速成为研究热点。图8-5所示为黑硅相关资料的图片，其中图8-5a为黑硅实物照片，图8-5b为原子力扫描电镜黑硅结构照片，图8-5c为红外吸收测试结果曲线。

图8-4 韩国LG公司制作，应用于NDIR气体传感器的热电堆结构

图8-5 黑硅相关资料图片

a）黑硅实物图 b）原子力扫描电镜黑硅结构 c）红外吸收测试结果

黑硅纳米结构是电子产业界的一种革命性新材料，相比于传统的硅材料，黑硅纳米结构具有很强的光吸收能力，它对近红外波段的光几乎全部吸收，吸收率能实现在90%以上。在无需使用特殊材料的前提下，多种制备黑硅纳米结构的方法已经可以嵌入到目前的半导体制造工艺中。鉴于其较高的红外吸收效率及其与CM0S工艺相兼容的特性，黑硅纳米结构可作为一种全新的红外吸收材料应用于MEMS红外探测器中，进而提高探测器的优值。