通過(guò)利用單個(gè)焦平面陣列（FPA）結(jié)合濾光輪來(lái)選擇合適的光譜窗口，使用兩個(gè)FPA及其電子器件分別在兩個(gè)光譜窗口工作，研究人員已實(shí)現(xiàn)了探測(cè)器的光譜選擇性。但是，濾光輪或不同的FPA的使用增加了探測(cè)器的復(fù)雜性和成本，并提升了FPA之間對(duì)準(zhǔn)的難度。光譜選擇性也可以利用法布里-珀羅（Fabry-Pérot，F(xiàn)-P）腔實(shí)現(xiàn)，其中FPA中的多個(gè)像素可以利用不同的腔高度來(lái)制造，以使其至少在兩個(gè)光譜窗口中工作。改變腔體高度的方法有很多，其中一種是利用超構(gòu)表面（metasurface）來(lái)控制光譜響應(yīng)。近期，已有許多利用頻率選擇表面（FSS）型元件的研究來(lái)探索該方法。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近日，美國(guó)密蘇里大學(xué)哥倫比亞分校（University of Missouri Columbia）的研究團(tuán)隊(duì)在Scientific Reports期刊發(fā)表了以“Uncooled two-microbolometer stack for long wavelength infrared detection”為主題的論文。該論文第一作者為Amjed Abdullah，通訊作者為Mahmoud Almasri。

該論文研究了一種新型的雙層微測(cè)輻射熱計(jì)堆疊結(jié)構(gòu)，用于探測(cè)在長(zhǎng)波紅外（LWIR）波段的兩個(gè)不同光譜窗口的入射輻射。該結(jié)構(gòu)將超構(gòu)表面（metasurface）盤(pán)陣列圖案化于底部微測(cè)輻射熱計(jì)上（吸收范圍：8 μm – 12 μm），采用F-P腔作為頂部微測(cè)輻射熱計(jì)（吸收范圍：7.5 μm – 9 μm），并選擇非晶硅鍺氧化物（SixGeyO1?x?y）作為其紅外（IR）敏感材料，如圖1所示。底部微測(cè)輻射熱計(jì)采用金屬-絕緣體-金屬（MIM）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，懸浮于襯底上方，如圖1（b）所示。

圖1 （a）像素面積40?×?40 μm2的3D雙層微測(cè)輻射熱計(jì)堆疊結(jié)構(gòu)；（b）雙波段微測(cè)輻射熱計(jì)超構(gòu)表面設(shè)計(jì)的工作原理示意圖

該雙層微測(cè)輻射熱計(jì)堆疊結(jié)構(gòu)采用表面微加工技術(shù)在3英寸晶圓上實(shí)現(xiàn)制備，制備流程如圖2所示。

圖2 雙層微測(cè)輻射熱計(jì)堆疊結(jié)構(gòu)制備流程

隨后，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)該雙層微測(cè)輻射熱計(jì)堆疊結(jié)構(gòu)的電阻溫度系數(shù)（TCR）、噪聲以及光學(xué)相關(guān)指標(biāo)做了測(cè)試。光學(xué)指標(biāo)測(cè)試設(shè)置如圖3所示。

圖3 光譜響應(yīng)率和探測(cè)率測(cè)試設(shè)置的示意圖

研究團(tuán)隊(duì)測(cè)量了雙層微測(cè)輻射熱計(jì)堆疊結(jié)構(gòu)中每個(gè)微測(cè)輻射熱計(jì)的光譜響應(yīng)率，結(jié)果如圖4所示。這些結(jié)果表明，通過(guò)在單個(gè)像素尺寸上堆疊雙層微測(cè)輻射熱計(jì)，超構(gòu)表面能夠調(diào)諧光譜響應(yīng)并實(shí)現(xiàn)多光譜吸收。

圖4 雙層微測(cè)輻射熱計(jì)堆疊結(jié)構(gòu)中每個(gè)微測(cè)輻射熱計(jì)的光譜響應(yīng)率

研究人員還測(cè)量了底部微測(cè)輻射熱計(jì)和頂部微測(cè)輻射熱計(jì)的電壓響應(yīng)率，作為斬波頻率的函數(shù)，結(jié)果如圖5所示。由于傳感層中包含了可改善探測(cè)器響應(yīng)性和靈敏度的超構(gòu)表面，因此具有超構(gòu)表面的底部微測(cè)輻射熱計(jì)表現(xiàn)出了更好的響應(yīng)率和探測(cè)率。最后，根據(jù)上述指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，得出該雙層微測(cè)輻射熱計(jì)的光譜響應(yīng)率、探測(cè)率、熱響應(yīng)時(shí)間等指標(biāo)。

圖5 不同偏置電流下斬波頻率的函數(shù)

綜上所述，本論文介紹了一種40?×?40 μm2非制冷雙層微測(cè)輻射熱計(jì)堆疊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造及測(cè)試。每個(gè)微測(cè)輻射熱計(jì)捕捉一部分光譜，以便最大化長(zhǎng)波紅外波段中兩個(gè)不同光譜窗口的紅外吸收率。底部微測(cè)輻射熱計(jì)采用超構(gòu)表面制造，可選擇性吸收8 μm – 12 μm之間的入射輻射，同時(shí)反射該范圍以外的輻射。

頂部微測(cè)輻射熱計(jì)由位于其像素與底部超構(gòu)表面之間的諧振F-P腔制成，可吸收7.5 μm – 9 μm之間的入射輻射，并將所有未吸收的輻射傳輸至該窗口之外。雙波段設(shè)計(jì)可以通過(guò)比較兩光譜波段的相對(duì)信號(hào)來(lái)測(cè)量物體的絕對(duì)溫度。該研究結(jié)果顯示，底部微測(cè)輻射熱計(jì)和頂部微測(cè)輻射熱計(jì)的光譜響應(yīng)率分別為3.4?×?10? V/W和1.7?×?10? V/W，探測(cè)率分別為4.3?×?10? cm√Hz/W和2.1?×?10? cm√Hz/W，熱響應(yīng)時(shí)間分別為1.1 ms和3.79 ms，熱導(dǎo)率分別為6.55?×?10?? W/K和4.34?×?10?? W/K，吸收率分別為34.74%和21.51%。另外，文中還采用真空退火技術(shù)降低了探測(cè)器的電壓噪聲功率譜密度（PSD），并將轉(zhuǎn)折頻率（corner frequency）移至較低值。

審核編輯：劉清