通过利用单个焦平面阵列（FPA）结合滤光轮来选择合适的光谱窗口，使用两个FPA及其电子器件分别在两个光谱窗口工作，研究人员已实现了探测器的光谱选择性。但是，滤光轮或不同的FPA的使用增加了探测器的复杂性和成本，并提升了FPA之间对准的难度。光谱选择性也可以利用法布里-珀罗（Fabry-Pérot，F-P）腔实现，其中FPA中的多个像素可以利用不同的腔高度来制造，以使其至少在两个光谱窗口中工作。改变腔体高度的方法有很多，其中一种是利用超构表面（metasurface）来控制光谱响应。近期，已有许多利用频率选择表面（FSS）型元件的研究来探索该方法。
据麦姆斯咨询报道，近日，美国密苏里大学哥伦比亚分校（University of Missouri Columbia）的研究团队在Scientific Reports期刊发表了以“Uncooled two-microbolometer stack for long wavelength infrared detection”为主题的论文。该论文第一作者为Amjed Abdullah，通讯作者为Mahmoud Almasri。
该论文研究了一种新型的双层微测辐射热计堆叠结构，用于探测在长波红外（LWIR）波段的两个不同光谱窗口的入射辐射。该结构将超构表面（metasurface）盘阵列图案化于底部微测辐射热计上（吸收范围：8 µm – 12 µm），采用F-P腔作为顶部微测辐射热计（吸收范围：7.5 µm – 9 µm），并选择非晶硅锗氧化物（SixGeyO1−x−y）作为其红外（IR）敏感材料，如图1所示。底部微测辐射热计采用金属-绝缘体-金属（MIM）结构设计，悬浮于衬底上方，如图1（b）所示。
图1 （a）像素面积40 × 40 µm²的3D双层微测辐射热计堆叠结构；（b）双波段微测辐射热计超构表面设计的工作原理示意图
该双层微测辐射热计堆叠结构采用表面微加工技术在3英寸晶圆上实现制备，制备流程如图2所示。
图2 双层微测辐射热计堆叠结构制备流程
随后，研究团队对该双层微测辐射热计堆叠结构的电阻温度系数（TCR）、噪声以及光学相关指标做了测试。光学指标测试设置如图3所示。
图3 光谱响应率和探测率测试设置的示意图
研究团队测量了双层微测辐射热计堆叠结构中每个微测辐射热计的光谱响应率，结果如图4所示。这些结果表明，通过在单个像素尺寸上堆叠双层微测辐射热计，超构表面能够调谐光谱响应并实现多光谱吸收。
图4 双层微测辐射热计堆叠结构中每个微测辐射热计的光谱响应率
研究人员还测量了底部微测辐射热计和顶部微测辐射热计的电压响应率，作为斩波频率的函数，结果如图5所示。由于传感层中包含了可改善探测器响应性和灵敏度的超构表面，因此具有超构表面的底部微测辐射热计表现出了更好的响应率和探测率。最后，根据上述指标进行计算，得出该双层微测辐射热计的光谱响应率、探测率、热响应时间等指标。
图5 不同偏置电流下斩波频率的函数
综上所述，本论文介绍了一种40 × 40 µm²非制冷双层微测辐射热计堆叠结构的设计、制造及测试。每个微测辐射热计捕捉一部分光谱，以便最大化长波红外波段中两个不同光谱窗口的红外吸收率。底部微测辐射热计采用超构表面制造，可选择性吸收8 µm – 12 µm之间的入射辐射，同时反射该范围以外的辐射。顶部微测辐射热计由位于其像素与底部超构表面之间的谐振F-P腔制成，可吸收7.5 µm – 9 µm之间的入射辐射，并将所有未吸收的辐射传输至该窗口之外。双波段设计可以通过比较两光谱波段的相对信号来测量物体的绝对温度。该研究结果显示，底部微测辐射热计和顶部微测辐射热计的光谱响应率分别为3.4 × 10⁵ V/W和1.7 × 10⁵ V/W，探测率分别为4.3 × 10⁸ cm√Hz/W和2.1 × 10⁸ cm√Hz/W，热响应时间分别为1.1 ms和3.79 ms，热导率分别为6.55 × 10⁻⁸ W/K和4.34 × 10⁻⁸ W/K，吸收率分别为34.74%和21.51%。另外，文中还采用真空退火技术降低了探测器的电压噪声功率谱密度（PSD），并将转折频率（corner frequency）移至较低值。
这项研究获得了美国国家自然科学基金（NSF）ECCS 1509589和CMMI 1653792的资助和支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41598-023-30328-1
