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

據麥姆斯咨詢報道，近日，美國密蘇里大學哥倫比亞分校（University of Missouri Columbia）的研究團隊在Scientific Reports期刊發表了以“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輻射熱計堆疊結構，用于探測在長波紅外（LWIR）波段的兩個不同光譜窗口的入射輻射。該結構將超構表面（metasurface）盤陣列圖案化于底部微測輻射熱計上（吸收范圍：8 μm – 12 μm），采用F-P腔作為頂部微測輻射熱計（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。底部微測輻射熱計采用金屬-絕緣體-金屬（MIM）結構設計，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雙層微測輻射熱計堆疊結構；（b）雙波段微測輻射熱計超構表面設計的工作原理示意圖

該雙層微測輻射熱計堆疊結構采用表面微加工技術在3英寸晶圓上實現制備，制備流程如圖2所示。

圖2 雙層微測輻射熱計堆疊結構制備流程

隨后，研究團隊對該雙層微測輻射熱計堆疊結構的電阻溫度系數（TCR）、噪聲以及光學相關指標做了測試。光學指標測試設置如圖3所示。

圖3 光譜響應率和探測率測試設置的示意圖

研究團隊測量了雙層微測輻射熱計堆疊結構中每個微測輻射熱計的光譜響應率，結果如圖4所示。這些結果表明，通過在單個像素尺寸上堆疊雙層微測輻射熱計，超構表面能夠調諧光譜響應并實現多光譜吸收。

圖4 雙層微測輻射熱計堆疊結構中每個微測輻射熱計的光譜響應率

研究人員還測量了底部微測輻射熱計和頂部微測輻射熱計的電壓響應率，作為斬波頻率的函數，結果如圖5所示。由于傳感層中包含了可改善探測器響應性和靈敏度的超構表面，因此具有超構表面的底部微測輻射熱計表現出了更好的響應率和探測率。最后，根據上述指標進行計算，得出該雙層微測輻射熱計的光譜響應率、探測率、熱響應時間等指標。

圖5 不同偏置電流下斬波頻率的函數

綜上所述，本論文介紹了一種40?×?40 μm2非制冷雙層微測輻射熱計堆疊結構的設計、制造及測試。每個微測輻射熱計捕捉一部分光譜，以便最大化長波紅外波段中兩個不同光譜窗口的紅外吸收率。底部微測輻射熱計采用超構表面制造，可選擇性吸收8 μm – 12 μm之間的入射輻射，同時反射該范圍以外的輻射。

頂部微測輻射熱計由位于其像素與底部超構表面之間的諧振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。雙波段設計可以通過比較兩光譜波段的相對信號來測量物體的絕對溫度。該研究結果顯示，底部微測輻射熱計和頂部微測輻射熱計的光譜響應率分別為3.4?×?10? V/W和1.7?×?10? V/W，探測率分別為4.3?×?10? cm√Hz/W和2.1?×?10? cm√Hz/W，熱響應時間分別為1.1 ms和3.79 ms，熱導率分別為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降低了探測器的電壓噪聲功率譜密度（PSD），并將轉折頻率（corner frequency）移至較低值。

審核編輯：劉清