金属纳米粒子负载类蜂窝状多孔硅薄膜及其热电堆芯片的制作方法

本发明属于红外探测器芯片领域中的一种薄膜以及采用所述薄膜的热电堆芯片，具体涉及一种金属纳米粒子负载类蜂窝状多孔硅薄膜及其制备方法、采用所述金属纳米粒子负载类蜂窝状多孔硅薄膜的热电堆芯片及其制备方法。

背景技术：

1、热电堆红外探测器是非制冷红外探测器的一种，具有无需斩波、寿命长、稳定性好、功耗和成本低等优点，被广泛应用于非接触测温与存在感知，在非分散红外气体检测与红外成像等领域也有广阔的应用前景。作为热电堆红外探测器的核心元件，热电堆芯片主要由支撑层、热电偶、绝缘层和红外吸收层等薄膜构成。红外吸收层吸收红外辐射转换为热并传递给热电偶；热电偶基于塞贝克(温差电)效应，输出与目标物体红外辐射相关的电信号。红外辐射能量经过了光-热转换、热传递与热-电转换三个过程，芯片性能也取决于三个过程效率的叠加。

2、多年来，研究人员从薄膜材料、芯片结构等角度进行了广泛研究，但热电堆芯片探测率和响应时间一直无法突破108cm hz1/2/w和毫秒瓶颈，限制了热电堆芯片的高端应用。从热电堆芯片诞生的第一天起，光-热和热-电转换分别由吸收层与热电偶层两个部件独立完成，这一基本构型始终没有变化。吸收层的高效光吸收需要一定薄膜厚度，而厚薄膜带来大热容和长响应时间，这一矛盾从根本上阻碍了热电堆芯片性能突破。此外，这一构型还需要在吸收层和热电偶层之间布置绝缘层，光生热需要跨越绝缘层传递给热电偶，不仅带来额外热损耗而且进一步延长响应时间。

技术实现思路

1、为了解决现有热电堆芯片的热电性能较低的技术问题；本发明提供一种金属纳米粒子负载类蜂窝状多孔硅薄膜及其制备方法、采用所述金属纳米粒子负载类蜂窝状多孔硅薄膜的热电堆芯片及其制备方法。

2、本发明采用以下技术方案实现：一种金属纳米粒子负载类蜂窝状多孔硅薄膜，其应用在热电堆芯片上，所述金属纳米粒子负载类蜂窝状多孔硅薄膜是一种多功能薄膜，是以半导体硅薄膜为基质，构筑负载纳米ag或au或pt贵金属粒子的蜂窝状多孔硅复合膜。

3、作为上述方案的进一步改进，通过金属辅助化学刻蚀方法构筑负载纳米ag或au或pt贵金属粒子的蜂窝状多孔硅复合膜。

4、作为上述方案的进一步改进，所述多功能薄膜是一种金属纳米颗粒负载类蜂窝状多孔单晶硅或多晶硅或非晶硅硅薄膜。

5、本发明还提供一种热电堆芯片，其采用上述任意金属纳米粒子负载类蜂窝状多孔硅薄膜。

6、本发明还提供一种上述任意金属纳米粒子负载类蜂窝状多孔硅薄膜的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

7、步骤一、利用cvd生长技术，沉积形成多晶硅或单晶硅薄膜；

8、步骤二、利用p或b离子注入工艺，注入形成n型或p型多晶硅或单晶硅薄膜；

9、步骤三、将沉积得到的n型或p型多晶硅或单晶硅薄膜，利用磁控溅射技术，或浸入hf、agno3或h2ptcl6或haucl4和h2o的混合溶液，沉积形成ag或pt或au粒子薄膜；

10、步骤四、将沉积有贵金属粒子薄膜的样品，浸入hf，h2o2，和h2o的混合溶液，刻蚀得到金属纳米粒子负载类蜂窝状多孔硅，整体形成所述金属纳米粒子负载类蜂窝状多孔硅薄膜。

11、作为上述方案的进一步改进，所述制备方法首先以sih4作为反应气体，630℃作为衬底温度，生长多晶硅薄膜；其次，注入b离子，注入能量约为70-100kev，注入剂量约为2-5×1020ions/cm2，形成p型多晶硅薄膜；接着，将沉积得到的p型多晶硅薄膜，浸入hf、agno3和h2o的混合溶液，hf、agno3和h2o混合溶液的体积比为1:1:3，所述的agno3溶液浓度为0.005mol/l，hf溶液浓度为≥40％，浸泡时间1-5分钟，表面沉积形成ag粒子薄膜；之后，将沉积有ag粒子薄膜的样品，浸入hf，h2o2，和h2o的混合溶液，刻蚀得到银纳米粒子负载类蜂窝状多孔多晶硅，作为所述多功能薄膜。

12、作为上述方案的进一步改进，所述制备方法首先以sicl4和h2作为反应气体，1200℃作为衬底温度，外延生长单晶硅薄膜；其次，注入p离子，注入能量约为70-100kev，注入剂量约为2-5×1020ions/cm2，形成n型单晶硅薄膜；接着，以ag作为靶材，氩气激发，沉积一层ag粒子薄膜，作为刻蚀金属辅助层；之后，将沉积有ag粒子薄膜的样品，浸入hf，h2o2，和h2o的混合溶液，刻蚀得到银纳米粒子负载类蜂窝状多孔单晶硅，作为所述多功能薄膜。

13、作为上述方案的进一步改进，所述制备方法首先以sih4作为反应气体，630℃作为衬底温度，生长多晶硅薄膜；其次，注入b离子，注入能量约为70-100kev，注入剂量约为2-5×1020ions/cm2，形成p型多晶硅薄膜；接着，以au作为靶材，氩气激发，沉积一层au粒子薄膜，作为刻蚀金属辅助层；之后，将沉积有au粒子薄膜的样品，浸入hf，h2o2，和h2o的混合溶液，刻蚀得到金纳米粒子负载类蜂窝状多孔多晶硅，作为所述多功能薄膜。

14、进一步地，hf，h2o2，和h2o混合溶液的体积比为2:5:4，所述的hf溶液浓度为≥40％，h2o2溶液浓度为≥30％，浸泡时间1-2小时。

15、本发明还提供一种上述热电堆芯片的制备方法，所述热电堆芯片的制备方法包括以下步骤：

16、以si(100)为衬底，生长一层sio2薄膜作为芯片支撑层；

17、采用上述金属纳米粒子负载类蜂窝状多孔硅薄膜的制备方法在所述芯片支撑层上直接所述多功能薄膜；

18、以正硅酸乙酯si(oc2h5)4作为反应气体，700-750℃作为衬底温度，生长一层sio2薄膜，作为芯片绝缘层；

19、对作为绝缘层的sio2薄膜进行图案化处理，在银纳米粒子负载类蜂窝状多孔多晶硅多功能膜层两端形成开孔，漏出银纳米粒子负载类蜂窝状多孔多晶硅；

20、以alsi其中90％al作为靶材，氩气激发，沉积一层alsi薄膜，作为芯片电极；

21、以正硅酸乙酯si(oc2h5)4作为反应气体，700-750℃作为衬底温度，生长一层sio2薄膜，作为芯片保护层；

22、对作为保护层的sio2薄膜进行图案化处理，在热电堆芯片的焊盘部位形成开孔，漏出由al层构成的电极；

23、以xef2作为反应气体，背面释放，刻蚀去除热电堆下方硅衬底，形成悬空结构，得到最终所述基热电堆芯片。

24、与现有技术相比，本发明采用兼具高效光-热和热-电转换特性的薄膜材料，同时充当红外吸收层与热电偶，提升热电堆芯片性能。所述多功能薄膜材料特指一种金属纳米粒子负载类蜂窝状多孔硅薄膜，是以半导体硅薄膜为基质，通过金属辅助化学刻蚀方法，构筑的负载纳米ag或au或pt等贵金属粒子的蜂窝状多孔硅复合膜。借助蜂窝多孔结构的陷光和声子散射效应、金属纳米粒子的等离激元和能量过滤效应的协同作用，赋予复合膜宽光谱强吸收和高热电性能。本发明实施例公开的银纳米颗粒负载类蜂窝状多孔硅薄膜在2.5–20μm波长范围内的平均红外吸收性能，高达96.56％，热电性能相较于传统硅薄膜性能提升1.4倍。单一膜层取代传统热电堆芯片的红外吸收层、绝缘层和热电偶层三层薄膜，同时实现高效光吸收和热电转换的新构思，大幅度地降低芯片惰性热容和能量传递损耗，并带来热电堆红外探测器的性能跃升。