技术领域
[0001] 本
发明属于红外传感领域，特别涉及一种基于自旋塞贝克效应的非制冷红外传感器装置。
背景技术
[0002] 非制冷红外传感器因为其不需要液氮制冷系统的特点，体积较小，结构相对简单，在军事、工业、医疗等领域有着广泛的应用。
[0003] 但现有的非制冷红外传感器存在的问题限制了其性能的继续提升。
电阻型非制冷红外传感器有1/f噪声，并且需要持续耗能。
热电堆或热电阻红外传感器受到其工作原理的限制，器件性能难以继续提升。限制热电堆或热电阻红外传感器性能的主要问题为材料的
塞贝克系数、
电阻率和热导率之间相互依赖，难以在不影响其他参数的前提下优化某个参数，以达到较高的响应率和
比探测率。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种基于自旋塞贝克效应的非制冷红外传感器装置，期望获得较高的响应率和比探测率，以解决上述问题。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0006] 一种基于自旋塞贝克效应的非制冷红外传感器装置，包括由下至上依次设置的
硅基底、
二氧化硅衬底、敏感材料层、红外吸收层、顺磁材料层和
电极层；
[0007] 所述硅基底位于
二氧化硅衬底下方，并在中心
位置设置一空腔；
[0008] 所述二氧化硅衬底沉积在硅基底上方，并在二氧化硅衬底的三个侧面设置
隔热缝隙；
[0009] 所述敏感材料层由具有自旋塞贝克效应的敏感材料
薄膜沉积而成，其位于二氧化硅衬底上方；
[0010] 红外吸收层由红外
吸收材料薄膜沉积而成，其面积小于敏感材料层的面积，并设置在远离未设置隔热缝隙的一侧敏感材料层的上方；
[0011] 顺磁材料层由顺
磁性材料蒸
镀成窄带状，位于未设置隔热缝隙的一侧敏感材料层的上方，利用逆自旋霍尔效应将
自旋电流转化为
电压；
[0012] 电极层中的两个输出
端子分别蒸镀在窄带状顺磁材料层长度方向的两端，用于测量非制冷红外传感器装置的电压输出。
[0013] 其中热传导结构包括硅基底内部的空腔和二氧化硅衬底上的隔热缝隙。设计空腔的目的是为了阻止热量从主体敏感材料下方传导给基底材料。配合底部空腔，在主体敏感材料的三个侧面设置的隔热缝隙可以有效阻止沿敏感材料侧面的热传导。
[0014] 进一步的，在所述具有自旋塞贝克效应的敏感材料薄膜上形成具有孔洞结构的声子
晶体结构，用于增强声子散射，降低材料的热导率。
[0015] 进一步的，当红外
辐射被红外吸收层吸收导致其
温度上升，在具有自旋塞贝克效应的敏感材料层的长度层的方向两端产生温度差ΔT，由于自旋塞贝克效应，所述温度差ΔT将导致敏感材料层的长度方向两端产生自旋电压，所述自旋电压导致顺磁材料层沿敏感材料层的长度方向两侧出现
不平衡的自旋极化强度，进而产生带有自旋极化矢量的自旋电流，由于逆自旋霍尔效应，在顺磁材料层的长度方向的两端产生电压输出，通过电极层中的两个输出端子读取所述电压输出即可实现对红外辐射进行测量。
[0016] 进一步的，所述敏感材料层的材料为锑化铟、氧化
铁和铁镍
合金铁或其它具有自旋塞贝克效应的材料。
[0017] 进一步的，所述红外吸收层的材料为黑金、
碳纳米管和SU-8的混合物或氮化硅。
[0018] 进一步的，所述顺磁材料层的材料为铂。
[0020] 进一步的，所述硅基底的长和宽分别为240μm和150μm，厚度为200μm，其中心位置的空腔尺寸为长180μm、宽110μm、厚度200μm。
[0021] 进一步的，所述二氧化硅衬底的长和宽与硅基底的长和宽相同，分别为240 μm和150μm，其厚度为2μm。
[0022] 进一步的，所述敏感材料层的长和宽分别为160μm和90μm，其厚度为0. 05μm。
[0023] 进一步的，所述红外吸收层的长和宽分别为80μm和90μm，其厚度为1μm，其面积占所述敏感材料层面积的50％。
[0024] 进一步的，所述顺磁材料层的厚度为0.05μm。
[0025] 进一步的，所述电极层的厚度为0.1μm。
[0026] 在本发明的红外传感器中，对于影响电压输出的自旋塞贝克系数和热导率属于具有自旋塞贝克效应的敏感材料的性质，而影响噪声的电阻率则是属于
顺磁性材料的性质。这使得分别优化这些参数以提升器件性能，如响应率和比探测率成为可能。相对于现有的非制冷红外传感器装置，本发明的红外传感器响应率和比探测率分别提高了1个和2个数量级。
附图说明
[0027] 图1示出了本发明
实施例的非制冷红外传感器装置的结构立体图。
[0028] 图2是沿图1长度方向的截面示意图。
[0029] 图3示出了本发明的响应率和比探测率与器件长度的关系。
[0030] 图4示出了本发明的响应率和比探测率与器件宽度的关系。
[0031] 图5示出了本发明的响应率和比探测率与敏感材料层厚度的关系。
[0032] 图6示出了本发明的响应率和比探测率与红外吸收层占敏感材料层面积比的关系。
具体实施方式
[0033] 下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。
[0034] 如图1和2所示，本发明实施例的基于自旋塞贝克效应的非制冷红外传感器装置100的结构包括
自下而上依次设置的硅基底110、二氧化硅衬底120、敏感材料层130、红外吸收层140、顺磁材料层150和电极层160，其中硅基底110 为非制冷红外传感器装置100的载体，基于自旋塞贝克效应的红外传感器的整体结构构建于硅基底之上，并由二氧化硅衬底作为
支撑。
[0035] 硅基底位于二氧化硅衬底下方，并在中心位置设置一空腔，二氧化硅衬底沉积在硅基底上方，并在二氧化硅衬底的三个侧面设置隔热缝隙170；敏感材料层由具有自旋塞贝克效应的敏感材料薄膜沉积而成，其位于二氧化硅衬底上方；红外吸收层由红外吸收材料薄膜沉积而成，其面积小于敏感材料层的面积，并设置在远离未设置隔热缝隙的一侧敏感材料层的上方；顺磁材料层由顺磁性材料蒸镀成窄带状，位于未设置隔热缝隙的一侧敏感材料层的上方，利用逆自旋霍尔效应将自旋电流转化为电压；电极层中的两个输出端子分别蒸镀在窄带状顺磁材料层长度方向的两端，用于测量非制冷红外传感器装置的电压输出。
[0036] 为了在具有自旋塞贝克效应的主体敏感材料两端获得较大的温度差，需要设计一种热传导结构，使热量尽可能通过主体敏感材料的一端向另一端流动，而不是从主体敏感材料的下方或侧面流向基底材料，因此在硅基底中心位置设计一个空腔的目的是为了阻止热量从主体敏感材料下方传导给基底材料。配合该空腔，在主体敏感材料的三个侧面设置隔热缝隙170，可以有效阻止沿主体敏感材料侧面的热传导。
[0037] 由于具有自旋塞贝克效应的材料(锑化铟、氧化铁以及镍铁合金等)一般都具有非常高的热导系数，相比
半导体材料较难形成很大的温度梯度。因此，需要对器件的热传导结构进行优化。
[0038] 从微观
角度来看，热传导可以被视为一种以声子或
电子为载体的
能量传递过程。当红外辐射被红外吸收层吸收后，热量传递给铁磁材料转化为材料的内能，引起材料的温度升高，材料内部的声子和电子获得能量，通过电子与
原子的相互作用，热量得以在材料内部传递，形成定向的热流。通过在材料中引入纳米界面、
缺陷等微观结构或宏观上的孔洞结构，可以增强声子散射，降低材料的热导率。
[0039] 通过引入具有孔洞结构的声子晶体结构，可以增加声子散射，有效降低材料的热导率，同时，声子晶体本身包含的孔洞也可以有效的降低器件整体的热导，提高器件性能。声子晶体具体的结构参数可以根据具体需要进行设置，以获得较优的热导结构，提升传感器性能。
[0040] 接下来将具体描述非制冷红外传感器中材料的选择、制备工艺及其工作原理。
[0041] 由于在包括导体、半导体和绝缘体在内的多种材料都被发现具有自旋塞贝克效应，例如锑化铟、氧化铁和铁镍合金等，因此可以根据实际需要选择上述材料中的一种或其它具有自旋塞贝克效应的材料作为敏感材料层的材料。
[0042] 红外吸收层主要用于吸收红外辐射能量，并将其转化为
热能，使具有自旋塞贝克效应的
主体材料温度上升。因此要求红外吸收层的材料有较高的吸收率和较小的
热容。红外吸收层的设计已有比较成熟的技术，因此可以根据需要选择现有的红外吸收层，如在气压较高的氮气氛围中通过
蒸发镀膜制备而成的黑金薄膜，也可以采用
碳纳米管与SU-8的混合物，还可以采用制备工艺较为简单的氮化硅。
[0043] 顺磁性材料用于通过逆自旋霍尔效应将自旋电流转化为可以探测的电压输出，常见的顺磁性材料为铂(Pt)。
[0044] 电极层用于测量非制冷红外传感器装置的电压输出，通常选用铝(Al)作为电极层的材料。
[0045] 首先，对厚度为700μm的硅基底进行清洗和烘干，准备器件的制备。完成准备后在硅基底表面沉积一层2μm厚的热二氧化硅(Thermal SiO2)作为衬底，之后通过剥离工艺制备传感器的铁磁材料，铁磁材料选择锑化铟、氧化铁或铁镍合金中的一种，在二氧化硅衬底上溅射一层0.05μm厚的铁磁材料，并通过剥离法成型。在铁磁材料上层通过
等离子体增强
化学气相沉积法(PECVD)沉积一层1μm厚的氮化硅(氮化硅在远红外波段具有较好的吸收性能)，由反应离子
刻蚀制备红外吸收层。下一步通过剥离工艺制备铂条，用于激发逆自旋霍尔效应，将自旋电流转化为可探测的电压输出，首先蒸镀0.05μm厚的铂，并通过剥离法成型。之后制备铝电极，用于
输出电压信号的读取，首先蒸镀0.1μm厚的铝，并用剥离法成型。然后从背面将硅基底进行化学机械
抛光(CMP)，将硅基底厚度磨至200μm，使用深反应离子刻蚀(DRIE)从硅基底背后刻蚀出空腔，最后用氢氧化
钾湿法刻蚀清除二氧化硅衬底下方剩余的
单晶硅，形成完整的空腔。
[0046] 本发明设计的基于自旋塞贝克效应的非制冷红外传感器通过自旋塞贝克效应对红外辐射进行探测。具体过程如下。
[0047] 首先通过红外吸收材料吸收红外辐射温度上升，然后在具有自旋塞贝克效应的敏感材料两端就会形成温度差ΔT，此时由于自旋塞贝克效应，在具有自旋塞贝克效应的敏感材料内部就会产生自旋电压，即自旋向上的电子与自旋向下的电子的化学势之差μ↑-μ↓，在宏观上表现为，整个材料的冷端和热端一端自旋向上的电子较多，而另一端自旋向下的电子较多，也就是在材料中出现自旋极化。
[0048] 本发明设计的红外传感器中，通过逆自旋霍尔效应对具有自旋塞贝克效应的敏感材料中产生的自旋电压进行测量。敏感材料中产生的自旋电压，将导致其上的顺磁性材料沿敏感材料长度方向两侧出现不平衡的自旋极化强度，此时在顺磁性材料中将产生带有自旋极化矢量σ的自旋电流JS，进而在由自旋极化矢量与自旋电流决定的平面的法向量方向将出现一个电动势EISHE，其表达式如下：
[0049] EISHE＝DISHEJS×σ
[0050] 其中DISHE是由顺磁性材料本身性质决定的常数。
[0051] 综合考虑自旋塞贝克效应与逆自旋霍尔效应，可以得到本发明设计的红外传感器输出电压的表达式：
[0052]
[0053] 其中，S为自旋塞贝克系数，ΔT为具有自旋塞贝克效应的敏感材料130冷端和热端的温度差，w为具有自旋塞贝克效应的敏感材料的宽度，t为具有自旋塞贝克效应的敏感材料的厚度。
[0054] 本发明设计的基于自旋塞贝克效应的红外传感器是一种无源器件，因此主要噪声为热噪声，平均噪声的表达式如下：
[0055]
[0056] 其中，k为玻尔兹曼常数，T为
环境温度，R为顺磁性材料150的电阻，Δf 为测量系统的
频率响应带宽。
[0057] 使用响应率(Responsivity)和比探测率(Detectivity)来评价本发明设计的红外传感器。响应率的表达式为：
[0058]
[0059] 其中，Pabsorb为入射红外辐射功率，即红外吸收材料140吸收的红外辐射功率。
[0060] 比探测率的表达式为：
[0061]
[0062] 其中，RS为本发明设计的红外传感器的响应率，A为红外吸收材料140的面积；k为玻尔兹曼常数，T为环境温度，R为顺磁性材料150的电阻。
[0063] 接下来将参照图3-图6对基于自旋塞贝克效应的非制冷红外传感器装置的仿真结果进行说明。
[0064] 首先建立本发明设计的红外传感器的
几何模型用于仿真传感器的温度分布，在具有自旋塞贝克效应的敏感材料130冷端的顺磁性材料150和电极160的温度与硅基底110温度相同，不影响顺磁性材料150的温度分布，因此只需要考虑温度在硅基底110、二氧化硅衬底120、具有自旋塞贝克效应的敏感材料130、红外吸收材料140中的分布情况。根据温度的仿真结果，即可计算红外传感器的评价指标响应率和比探测率。本实施例中选择的具有自旋塞贝克效应的敏感材料1 30为铁镍合金(Observation of the spin Seebeck effect,K Uchida,S Takahashi, K Harii,et al.,Nature,455,pages 778–781,09 October 2008)，选择的红外吸收材料140为氮化硅。
[0065] 设定硅基底110的尺寸为长和宽分别为240μm和150μm，厚度为200μm，其中心位置的空腔尺寸为长180μm、宽110μm、厚度200μm，二氧化硅衬底 120的长和宽与硅基底的长和宽相同，分别为240μm和150μm，二氧化硅衬底的厚度为2μm，敏感材料130的长和宽分别为160μm和90μm，其厚度为0.0 5μm，红外吸收材料140的长和宽分别为80μm和90μm，其厚度为1μm，红外吸收材料140的面积占所述敏感材料130面积的50％。同时设定环境温度为2
93.15K，入射的红外辐射功率Pabsorb为1μW，仿真结果显示本发明设计的红外传感器的响应率RS＝5446.98V/W，比探测率 而传统的非制冷红外传感器的响应
率典型值为202.8V/W，比探测率典型值为 (Characterization of
nanometer-thick polycrystalline silicon with phonon-boundary scattering enhanced thermoelectric properties and its appl ication in infrared sensors,Zhou H,Kropelnicki P,Lee C,Nanoscale,Issue 2, pages 532-541,14 January 2015)。
与传统的非制冷红外传感器相比，本实施例的基于自旋塞贝克效应的非制冷红外传感器响应率高了一个数量级，比探测率高了两个数量级。响应率标志着器件的灵敏程度，更高的响应率表示本发明设计的红外传感器相比传统的非制冷红外传感器可以更加灵敏地对红外辐射做出响应；比探测率表示器件的噪声
水平的高低，更高的比探测率表示本发明设计的红外传感器与传统的非制冷红外传感器相比，具有更低的噪声，可以探测出更微小的红外辐射。
[0066] 图3-图6分别显示了不同器件参数的改变对器件性能的影响。图3显示出器件性能随着器件长度的增加先上升随后下降，说明器件长度应适中；图4显示器件性能随着器件宽度的增加而上升，表示器件宽度不应过小；图5显示器件性能随着敏感材料130的厚度减小而上升，在保证成膜
质量的前提下，敏感材料130 的厚度应尽可能小；图6显示随着红外吸收材料140面积占敏感材料130面积比的增加，器件的响应率持续下降，比探测率先上升后下降，表示红外吸收材料1 40的面积应在30％-50％。
[0067] 本发明提出了一种基于自旋塞贝克效应的非制冷红外传感器装置，相比传统的非制冷红外传感器响应率高了一个数量级，比探测率高了两个数量级，能够更加灵敏的探测红外辐射，并且具有更低的噪声。另外需要说明的是，本
申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉
本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。
