研究背景(jing)

紅外(wai)探(tan)測技術在軍事，工業和民用等(deng)諸(zhu)多(duo)領域都有著廣(guang)泛的(de)(de)應用。其中，基(ji)于雙材(cai)料微懸臂熱變形的(de)(de)光機(ji)械(xie)非(fei)制冷紅外(wai)探(tan)測器，通過在可見光譜(pu)范圍內實現紅外(wai)測量(liang)，展現了巨大(da)的(de)(de)應用潛力(li)。然而，與大(da)多(duo)數類(lei)型的(de)(de)探(tan)測器一(yi)樣，它也面臨著填充因(yin)子低的(de)(de)限制，即(ji)熱敏區域占比小導(dao)致光能(neng)利(li)用效率低下(xia)。近年來，微超透鏡憑(ping)借其緊湊的(de)(de)尺寸、高(gao)設計(ji)靈活性和與微機(ji)電系統（MEMS）較好的(de)兼容性(xing)，有望(wang)與(yu)紅(hong)外探測(ce)器集成(cheng)，以提升其性(xing)能(neng)。通過在紅(hong)外傳感器上集成(cheng)微超(chao)透(tou)鏡陣(zhen)列，可以大幅提升入射紅(hong)外光的(de)利用效率(lv)，從而增強(qiang)紅(hong)外傳感器的(de)響應。

 圖1 集(ji)成微超透鏡顯著(zhu)提(ti)高像素利用(yong)區域

研究簡介

近期，188bet足球微納(na)米復(fu)合材料實驗室(shi)趙旸教授團(tuan)隊(dui)研究設(she)計了一種長(chang)波紅外(wai)（LWIR）微超(chao)透鏡陣列與光機械紅外探測器(qi)的單(dan)片式集成方案，如圖2所示(shi)，并對其進行了(le)(le)制造和表(biao)征。該團隊開發了(le)(le)一種(zhong)微納米加工(gong)工(gong)藝(yi)，將微超透鏡陣列直接制作(zuo)在(zai)探(tan)測(ce)(ce)器(qi)襯底的背面。通過微超透鏡陣列對紅(hong)外信號的聚集作(zuo)用，紅(hong)外探(tan)測(ce)(ce)器(qi)的等(deng)效(xiao)填充(chong)因子得到了(le)(le)顯(xian)著提(ti)高(gao)，從而獲得了(le)(le)更(geng)靈(ling)敏的紅(hong)外響(xiang)應。實驗測(ce)(ce)試結果表(biao)明(ming)，集成微超透鏡陣列顯(xian)著提(ti)升(sheng)了(le)(le)光機械紅(hong)外探(tan)測(ce)(ce)器(qi)在(zai)8–14 μm波段(duan)的響(xiang)應率，實現了(le)81.8%的性能提(ti)升。相關研(yan)究(jiu)成(cheng)果以“Optomechanical Infrared Detector Monolithically Integrated with Micro-Metalens Array”為(wei)題(ti)，發表在光學科學Top期刊(kan)《ACS Photonics》。

 圖2 單片式集成微型微超透鏡的紅外(wai)探測器(qi)研究內容

研究內(nei)容

圖3 紅(hong)外微超(chao)透鏡陣列設(she)計與(yu)仿真(zhen)計算

微(wei)超透(tou)鏡(jing)(jing)(jing)是一種基于亞波(bo)長結構設(she)計的平面透(tou)鏡(jing)(jing)(jing)。與傳(chuan)統的曲(qu)面透(tou)鏡(jing)(jing)(jing)不同(tong)(tong)，微(wei)超透(tou)鏡(jing)(jing)(jing)通(tong)過(guo)亞波(bo)長結構的排列組合(he)靈活操控光波(bo)的相位(wei)、幅度(du)或偏振，從而實現(xian)光的精確聚焦和(he)(he)控制。這種技(ji)術使(shi)得微(wei)超透(tou)鏡(jing)(jing)(jing)具有緊湊的尺寸、設(she)計靈活性和(he)(he)對不同(tong)(tong)光譜的高效控制能力。同(tong)(tong)時(shi)，它們與微(wei)機電系(xi)統（MEMS）高度兼容，廣泛應用于高分辨成像、光學(xue)傳感器和虛擬現(xian)實(shi)設備等領域(yu)。該工作中，微(wei)懸臂(bei)像(xiang)素錨定在硅襯底(di)上，而(er)由硅制成的(de)介電微(wei)超(chao)透鏡直接制作在襯底(di)背面。利用不同尺(chi)寸亞波長單元結(jie)構對光的(de)相(xiang)位(wei)調控，模擬出曲面透鏡的(de)相(xiang)位(wei)輪廓，即可實現對光的(de)聚(ju)焦(jiao)調控。仿真計(ji)算結(jie)果表明，當吸收板尺(chi)寸為26 μm×26 μm時（像素尺寸為(wei)60 μm），超過80%的入射(she)輻射(she)可以(yi)被吸(xi)收板所(suo)接(jie)收，極(ji)大地提升(sheng)了(le)光(guang)能利(li)用效(xiao)率。

圖4 單片式集成微(wei)超透鏡的紅(hong)外(wai)探測器陣(zhen)列的制造與表(biao)征

如圖4所(suo)示，該研究(jiu)采(cai)用(yong)了(le)包含五次光刻與刻蝕的(de)微納加(jia)工工藝。首先，使用(yong)等(deng)離子體增強化學氣(qi)相沉積(ji)（PECVD）技術，在300 μm厚的雙面拋光4英寸硅片(pian)上(shang)沉積了2.5 μm厚的SiO?犧牲層，并對(dui)錨釘孔陣列進行圖形(xing)化(hua)處(chu)理。隨后，通(tong)過低壓化(hua)學(xue)氣相沉積（LPCVD）生成(cheng)500 nm厚的低應力氮(dan)化硅（SiNx）膜，再濺射50 nm厚的鉻層與(yu)300 nm厚(hou)的金層，構建SiNx/Au雙(shuang)層(ceng)薄(bo)膜結構。接著，蝕刻去除隔(ge)(ge)離(li)部(bu)分的(de)金(jin)層(ceng)，形成熱隔(ge)(ge)離(li)支(zhi)腿。隨后將芯片(pian)翻轉，并(bing)在背面(mian)沉積100 nm厚的鋁膜作為硬掩膜，通(tong)過電子束(shu)光(guang)刻（EBL）技術生(sheng)成微(wei)超透鏡陣列圖(tu)案，并采用金屬干蝕刻與(yu)深硅蝕刻將圖(tu)案轉(zhuan)移至鋁掩(yan)膜(mo)與(yu)硅襯底。最后(hou)，將樣品浸入(ru)49%氫氟酸（HF）溶液中以去(qu)除SiO?犧牲層，并通過臨界點干燥避免(mian)懸(xuan)臂結(jie)構因(yin)毛細(xi)作(zuo)用粘附(fu)在基底上。

圖5 集成(cheng)微超(chao)透鏡的紅(hong)外探測器響(xiang)應測試

該工作利用如圖5所示的(de)(de)(de)紅外(wai)光(guang)與可見光(guang)結合(he)的(de)(de)(de)實驗(yan)光(guang)路測試了集成(cheng)微(wei)超透(tou)(tou)鏡對于紅外(wai)探測器(qi)響應率(lv)的(de)(de)(de)影響。紅外(wai)熱源的(de)(de)(de)輻(fu)射(she)通過紅外(wai)透(tou)(tou)鏡聚(ju)焦到探測器(qi)上，使(shi)微(wei)懸(xuan)臂(bei)(bei)梁溫度升高并(bing)(bing)發生彎曲。同時，可見光(guang)束從另一側照(zhao)射(she)探測器(qi)，并(bing)(bing)被微(wei)懸(xuan)臂(bei)(bei)梁的(de)(de)(de)反(fan)(fan)光(guang)板反(fan)(fan)射(she)，在(zai)透(tou)(tou)鏡后焦平(ping)面上形(xing)成(cheng)衍(yan)射(she)光(guang)譜(pu)(pu)。刀口濾光(guang)片遮擋了部(bu)分衍(yan)射(she)光(guang)譜(pu)(pu)，未(wei)被遮擋的(de)(de)(de)部(bu)分則繼續移動。因此(ci)，反(fan)(fan)光(guang)板的(de)(de)(de)變形(xing)導致衍(yan)射(she)圖樣位移，從而引起CCD上的光強變化，使(shi)紅外(wai)目(mu)標的圖像能夠通過(guo)CCD輕松重建。

實驗使用了不同(tong)的中性密度濾(lv)光(guang)片來實現0%、50%和(he)100%的紅外輻射(she)透過率。通過線性擬合可見光CCD在(zai)三種透過率下的灰度變化，即可獲(huo)得探測(ce)器(qi)的響(xiang)應度。測(ce)試結果表明，集成微(wei)超透鏡像(xiang)元的平均響(xiang)應度為0.20 Gray level/ Transmittance，而沒(mei)有(you)集成微超透鏡(jing)的(de)像元的(de)平(ping)均(jun)響應度(du)為(wei)0.11 Gray level/ Transmittance。因此，微超(chao)構透(tou)鏡的集成使光機械紅(hong)外探(tan)測器的響應率(lv)提高(gao)了81.8%。

188bet足球精(jing)密機械與(yu)精(jing)密儀(yi)器(qi)系博士生羅(luo)振東、侯(hou)虎(hu)旺為(wei)共同第一作(zuo)者，趙旸教授、張鵬特任副(fu)研(yan)究(jiu)員為(wei)共同通訊作(zuo)者。該(gai)工(gong)(gong)作(zuo)得(de)到(dao)了科技部國(guo)家重(zhong)點研(yan)發(fa)計劃(hua)、國(guo)家自(zi)然科學基金、廣東省教育廳(ting)科研(yan)項(xiang)目與(yu)深圳市科技創(chuang)新委(wei)員會項(xiang)目資(zi)助。部分實(shi)(shi)驗工(gong)(gong)作(zuo)在188bet足球微(wei)納研(yan)究(jiu)與(yu)制造中(zhong)心、工(gong)(gong)程與(yu)材料科學實(shi)(shi)驗中(zhong)心完成。

原(yuan)文鏈接：//doi.org/10.1021/acsphotonics.4c00904