超结构吸收体单晶高性能红外探测器 | 应用物理前沿推介系列No.23

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本期推介

基于超结构吸收体的LiTaO₃单晶高性能红外探测器

热释电红外探测器具有非制冷、低功耗、响应快等优势，在人体检测、气体传感、热成像等领域有着广泛的应用。随着物联网、智能家居等领域的不断发展，对红外探测器件的集成度和响应速度提出了更高的要求，利用薄膜技术减小敏感材料的厚度以提升热释电红外传感器的响应速度和集成度成为主流。然而，由于难以控制热释电薄膜的取向和缺陷等微观结构导致热释电材料薄膜化后性能退化严重，同时，实现热释电红外传感器响应波长选择的滤光片限制了器件集成度的进一步提高。

LiTaO₃单晶是一种具有优良物理和化学性能的无铅热释电材料，可用于目标检测、红外成像、气体探测和生物研究等非制冷红外探测器研制。为推动基于LiTaO₃单晶材料及其器件在上述领域的实际应用，需要解决如下问题：（1）减小LiTaO₃单晶材料的厚度，提升热释电红外器件的高频探测率和响应速度，同时实现LiTaO₃单晶的晶圆级硅基异质集成，以便利用成熟的MEMS工艺开展器件的批量制造；（2）实现波长选择结构与LiTaO₃单晶材料所制器件的集成，以突破滤光片对器件探测波段数目和体积优化的限制。

为减小LiTaO₃单晶薄膜的厚度，L.Nougaret等研究者在2009年通过射频磁控溅射生长LiTaO₃膜（约400nm），但测试结果表明LiTaO₃层中存在杂质相[1]。另外，M. Bruel等研究者于1995年率先提出的离子注入剥离（Crystal Ion Sliced, CIS）技术也已被应用于硅基薄膜的制造[2]。2022年，国内研究团队提出了一种采用键合减薄(Bonding and Thinning)技术制造LiTaO3单晶薄膜晶圆的方法[3]，主步骤如图1(a)所示。该技术包括表面活化键合（Surface Activated Bonding, SAB）技术和机械旋转研磨。键合减薄技术不同于直接减薄，在进行磨抛步骤前需要将晶圆键合到较厚的衬底上，以提高其抗压强度。运用SAB技术在室温下实现了LiTaO₃晶圆和Si晶圆之间的高强度键合。拉伸测试结果表明(图1(b))，在所有样品中最小的键合强度也能达到3.05 MPa。通过机械旋转研磨和化学机械抛光技术 (Chemical Mechanical Polishing, CMP)将4英寸的LiTaO₃单晶薄膜减薄到12 μm（图1(c)）。为验证该制造方案的可靠性，该工作还用所制备的晶圆制作了双元热释电红外(Pyroelectric Infrared, PIR)探测器并测试了电学性能。结果表明，该探测器具有良好的响应率和探测率，且与结构类似的PIR探测器相比，使用减薄后的LiTaO₃单晶制成的探测器具有更快的响应速度（图1(d)）。

图 1. (a)键合减薄主要步骤；(b)结合强度测试结果，计算可得最小键合强度可达3.05 MPa；(c)减薄后的LiTaO₃单晶薄膜晶圆横截面SEM照片； (d) 由12 μm LiTaO₃膜与75 μm LiTaO₃膜制成的PIR器件响应时间对比。

为提高LiTaO₃单晶材料热释电红外探测器集成度，超材料完美吸收体(Metamaterial perfect absorbers, MPA)这种人工电磁材料吸引了研究者的注意。瑞士联邦理工学院的Alexander Lochbaum等研究者设计出一种(Metal-Dielectric-Metal, MDM)型超材料，实现了吸收中心位于3.96 μm的波长选择性吸收，且实测吸收率达到99%[4]。日本纳米材料研究所的Thang Duy Dao等研究者针对N₂O、NO气体的特征吸收峰设计并制造出吸收中心位于3.88 and 5.50 μm的MPA红外探测器，可用两种气体的探测[5]。美国杜克大学的Suen, Jonathan Y团队通过调节MPA的表面纳米图形的尺寸参数，实现了吸收峰的宽范围调节(8~12 μm)[6]。而国内研究团队在2022年设计并制作了一种MDM型超材料[7]。其中纳米金属图形通过电子束蒸镀和电子束光刻(ElectronBeam Lithography, EBL)制成，图形的扫描电子显微照片如图2(b)所示。使用傅里叶变换红外光谱仪(Fourier transform infrared spectrometer, FTIR)测试了其吸收光谱，结果显示该MPA结构在4.04 μm波长下显示出近97.8%的吸收率，半峰宽为0.753 μm。研究者将设计出的MPA作为红外探测器的吸收层制作出一种PIR器件，结构示意图如图2(c)所示，该探测器实现了对波长位于4 μm附近的红外光波的选择性探测，如图2(d)所示。这种基于超材料完美吸收体的PIR探测器具有良好的电学性能，其响应率(Rv)为1.7×10⁴ V/W，探测率(D*)为 1.7 × 10⁸ cm Hz^1/2/W，响应时间为5.8 ms。

图 2. (a)谐振时的电磁场分布；(b)超材料顶部纳米金属图形的SEM照片；(c)基于超材料的PIR探测器结构示意图；(d)PIR探测器的吸收光谱和响应光谱。

目前，与传统陶瓷型热释电红外器件相比，基于LiTaO₃单晶材料的热释电红外器件在响应速度方面显著提高，实现了红外器件与超材料完美吸收体的集成，为实现基于热释电红外器件的多波段快速光谱探测提供了可能。此外，采用CIS技术实现亚微米厚度热释电单晶薄膜和器件的晶圆级集成，还可以进一步缩短器件响应时间，提高器件探测率，降低器件成本。

推介人

彭斌 电子科技大学，教授，主要研究领域为极端环境用温度、应变、压力、无线无源传感器，以及微波无源器件等。

参考资料

[1] L. Nougaret, P. Combette, and F. Pascal-Delannoy, “Growth of lithium tantalate thin films by radio-frequency magnetron sputtering with lithium enriched target,” Thin Solid Films, 517, 1784,  2009.

[2] M. Bruel, “SILICON-ON-INSULATOR MATERIAL TECHNOLOGY,” Electronics Letters, 31, 1201,1995.

[3] X. Zeng, W. Luo, K. Zhang et al., “Wafer-Scale Fabrication of Silicon-Based LiTaO3 Pyroelectric Infrared Detectors by Bonding and Thinning Technology,” IEEE Sensors Journal, 22, 17721, 2022.

[4] A. Lochbaum, Y. Fedoryshyn, A. Dorodnyy et al., “On-Chip Narrowband Thermal Emitter for Mid-IR Optical Gas Sensing,” Acs Photonics, 4, 1371, 2017.

[5] T. D. Dao, S. Ishii, T. Yokoyama et al., “Hole Array Perfect Absorbers for Spectrally Selective Midwavelength Infrared Pyroelectric Detectors,” Acs Photonics, 3, 1271, 2016.

[6] J. Y. Suen, K. B. Fan, J. Montoya et al., “Multifunctional metamaterial pyroelectric infrared detectors,” Optica, 4, 276, 2017.

[7] K. Zhang, W. Luo, X. Zeng et al., “Integration and Characterization of LiTaO₃ Single Crystal Film Pyroelectric Sensor Using Mid-Infrared Metamaterial Perfect Absorber,” IEEE Sensors Journal, 22, 10381, 2022.

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中国物理学会特别成立了“应用物理前沿推介委员会”，同时将鼓励各方向召集人牵头组织针对所在领域的专题讨论会，使广大物理同行以未来重大应用为牵引，进行有深度的学术研讨，促进优秀科学家之间的思想碰撞，激发科学家提出有颠覆性应用潜力的新原理、新方法、新技术路线和新概念。

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中国物理学会

应用物理前沿推介委员会

主    任：吴义政， 复旦大学

副主任：杨海涛，中科院物理所

一、传感与探测方向

召集人：柴国志

委   员：王鹏、彭斌、黄晓砥、贺晓霞

二、量子精密测量方向

召集人：荣星

委   员：屈继峰、刘刚钦、杜关祥、鲁大为

三、新型信息载体与技术方向

召集人：黄元

委   员：李志强、郝玉峰、叶堉、张金星

四、微波与太赫兹物理与技术方向

召集人：孙亮

委   员：齐静波、陶洪琪、李龙、高翔

五、光子与光电子学方向

召集人：肖云峰

委   员：魏钟鸣、王建禄、李家方、邓震

六、功率半导体物理与器件方向

召集人：孙钱

委   员：黄森、江洋、周弘、王俊

七、材料物理方向

召集人：于浦

委   员：柳延辉、刘淼、周家东、于海滨

八、低温物理与技术方向

召集人：金魁

委   员：程智刚、刘楠、李雪、沈俊

九、能量转化、存储与传输方向

召集人：禹习谦

委   员：史迅、刘明桢、赵怀周、王凯

十、极端条件物理与技术方向

召集人：吉亮亮

委   员：于晓辉、周睿、胡建波、付恩刚

END

设计：陈   龙

排版：陈   龙

美编：张   悦

主编：吴义政

副主编：杨海涛

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