综述：基于人工微结构的光谱选择性红外热敏探测器

红外热敏探测器不管是在军事还是在民用领域都有着非常重要的应用。传统的红外热敏探测器主要采用宽光谱吸收的方式，这虽然赋予了器件宽带响应的特点，但同时也会因为引入了不必要的辐射热导而增加本底噪声，从而限制了器件的探测性能极限。研究表明，具有窄带选择性吸收的热敏探测器在特定的条件下可以突破这一极限。经过精心设计的人工微纳结构不但可以实现波长选择性吸收来降低器件的辐射热导，而且由于其具有亚波长特性，还可以大大降低器件的热容，从而为实现高性能的红外热敏探测器提供了可能性。

据麦姆斯咨询报道，中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室、复旦大学光电研究院和中国科学院大学的联合科研团队在《红外与毫米波学报》期刊上发表了以“基于人工微结构的光谱选择性红外热敏探测器”为主题的文章。该文章第一作者为谈冲，主要从事超构表面增强吸收及光电器件集成方面的研究工作。

本文在简单介绍红外探测器基本概念的基础上，聚焦测辐射热计、温差电偶和热释电探测器件，回顾总结基于人工微结构体系的光谱选择性红外热敏探测器的相关研究进展。

图1 电磁波与红外探测：（a）电磁波谱。（b）开灯时所拍摄的作者的可见光照片（上图）与红外照片（下图）。（c）关灯时下作者的可见光照片（上图）和红外照片（下图）

红外热敏探测器

传统的红外热敏探测器主要包括热敏材料和与其直接接触的吸收器两个部分，通过吸收光产热来进行探测，其基本结构如图2所示。按照工作原理划分，热敏探测器主要可分为如下三种：温差电偶、测辐射热计和热释电探测器。这三种热敏探测器使用的热敏材料能够将温度变化转化为电信号，不直接依赖于入射的光子。因此，热敏探测器响应的光谱波段范围在很大程度上取决于吸收器的设计。传统的吸收器设计，包括无序金、铝、硅和碳膜等，主要是聚焦在实现从可见到长波红外的超宽带吸收，从而实现了热敏探测器的超宽带响应。

图2 热敏探测器的基本结构

理想热敏探测器的响应率、噪声与探测率

热敏探测器件吸收光时，其会产生温度变化。温度变化的第一项为瞬态项，会随时间指数衰减。引入系数K = ΔV/ΔT来衡量热敏材料在温度变化时输出电压信号的能力。因此，热敏探测器的电压响应率如下，其中热时间常数τth = Cth /Gth：

除了响应率外，热敏探测器的性能还依赖于噪声。理想热敏探测器的噪声主要来源是探测器与周围环境发生随机热交换时的温度扰动产生的热扰动噪声。热导是热敏探测器的关键参数，描述了探测器与环境热交换的难易程度。相同温度下热敏探测器的热导越低，其最小可探测功率越低，即噪声越低。热探测器与周围环境热交换的热导包含三个部分，与空气热交换有关的热导、与支撑结构热交换有关的热导和器件的辐射热导。假设器件工作在真空环境中，且支撑结构具有完美的热绝缘性质，即与空气和支撑结构有关的热导均为0，仅需考虑辐射热导。

传统的理想热敏探测器理论上通常假设吸收器具有宽光谱吸收特性，且η基本不随波长的变化而变化。可得噪声等效功率为：

噪声等效功率是理想热敏探测器在辐射热导产生的噪声背景中能够探测到的最小可探测功率，其为入射在探测器上的辐射产生的电信号恰好等于噪声信号时所对应的辐射功率。

理想热敏探测器的比探测率D*：

其中，Δf为噪声等效带宽，是探测器的有效噪声带宽。D*实际上是将NEP按探测器的面积和带宽归一化，使得具有不同面积以及电路的探测器能够进行性能对比，是描述探测器性能的一个重要指标。

图3展示了不同类型探测器的比探测率及其理论极限，结果显示理想热敏探测器的性能理论极限与光电探测器相比还有一定差距。不过，上述的理想热敏探测器性能理论极限是基于理想的宽谱吸收热敏探测器所得。由基尔霍夫辐射定律可知，物体的辐射率与吸收率有关，宽谱强吸收的特性意味着器件同时具有宽谱强辐射的特性，导致器件具有比较大的辐射热导，增大了器件的噪声，最终影响了探测器的性能上限。

图3 红外探测器比探测率随波长变化关系图

实际上，许多应用场景往往并不需要超宽带的吸收，只需要对特定波长的电磁波强吸收即可。研究表明，具有窄带选择性吸收的热敏探测器，其比探测率可突破宽谱吸收热敏探测器的理论极限，甚至特定情况下可优于光电型探测器。与宽谱吸收的理想热敏探测器相同，选择性吸收的理想热敏探测器也只需要考虑其与背景的辐射热导产生的噪声，这种噪声来源于探测器发射或吸收的光子能量的涨落。

计算热敏探测器在300 K下几种选择性吸收情况相比于宽谱全吸收的增强：若选择性全吸收3-5 μm，其余波段完全不吸收，则比探测率增强4.19倍；若选择性全吸收8-14 μm，其余波段完全不吸收，则比探测率增强1.41倍；若选择性吸收的中心波长为10 μm，带宽为100 nm，其余波段完全不吸收，则比探测率增强10.21倍。因此，光谱选择性吸收的热敏探测器件性能指标不但远好于宽光谱响应热敏探测器，甚至能够超越长波红外光电探测器的理论极限。

光谱选择性热敏探测器的实现方法

以超构表面、纳米微腔为代表的人工微结构光子学器件近年来吸引了人们的广泛关注。人工微结构可在比工作波长更短的尺度上操纵和控制光子，实现对光的选择性强吸收，相关的工作实现了覆盖微波、太赫兹、红外到可见光等各个波段，被证明具有强大的电磁调控能力。人工微结构理念的出现，为红外探测器的研究发展提供了新的契机。研究结果表明，将人工微结构引入到光子型红外探测器，能够有效提高探测器的性能，包括光导探测器，光伏探测器，量子阱探测器，超晶格探测器，量子点探测器以及肖特基型热电子探测器等。另外，在热探测器方面，研究结果显示，通过精细的光学微结构设计，将人工微结构集成在测辐射热计、温差电偶和热释电探测器中，不但可以实现波长选择性吸收，降低器件的辐射热导，而且由于微结构具有亚波长特性，同时具有局域光的能力，可以通过减薄器件厚度来大大降低器件的热容，从而可实现器件综合性能的提升。

基于人工微结构光谱选择性增强吸收的红外热敏探测器主要包括两种类型，一种为法布里珀罗腔结构，另一种为人工设计的等离激元超构表面结构。这两种结构能将光吸收并局域在特定的区域。对于如图4所示的法布里珀罗腔型结构，热敏材料设计在悬浮在反射衬底上，热敏材料与反射衬底之间的间隔决定了共振波长。这种结构能够实现窄带而且可调谐的光谱响应特性。不过，该结构也具有以下局限性：（1）这种结构依旧要求在探测器上有吸收介质来吸收光并产生温度变化。（2）法布里珀罗腔结构的吸收具有很强的角度相关性，需要使用低数值孔径的成像系统。（3）悬浮结构的热敏探测器下方需要形成法布里珀罗光学腔，无法加入支撑结构，增大了像元的尺寸，降低了焦平面阵列的填充系数。（4）像元的光谱响应由悬浮的法布里珀罗腔的长度决定，邻近像元之间难以精确独立地控制腔长，因此不易实现多光谱响应的探测。（5）由于热敏探测器悬浮在反射衬底上，热探测产生的机械振动会改变法布里珀罗腔的共振波长，也就改变了器件的工作波长，引入了额外的噪声来源。

图4 法布里珀罗腔结构的光谱选择性探测器：（a）基本结构示意图。（b）热敏材料VOx置于腔内的结构。（c）热敏材料置于顶层的结构。（d）基于法布里珀罗腔选择性探测的微型光谱仪

与法布里珀罗腔结构相比，能够同时具有光谱选择特性和增强吸收特性的人工微结构超构表面在某些方面具有一定的优势。超构表面是指由亚波长人工原子按某种特定排列方式构建的微结构阵列，因其结构单元及排列方式均可自由设计，展现出对电磁波强大的调控能力，近十多年来一直是光学领域研究的前沿。超构表面的电磁响应特性与其结构的几何形状有关，因此可以通过人工设计微结构单元实现所需的电磁响应。通常，超构表面的特殊电磁响应特性与腔结构类似，是通过共振来实现对特定波长的耦合。与微腔结构中常见的法布里珀罗共振不同，超构表面更多的是基于表面等离激元共振模式，实现对特定波长的光强吸收，并转化为热，进而通过热敏材料实现热电转化。等离激元共振包括两种类型，一种是表面等离极化激元（SPP），是被限制在介质与金属界面上与金属的电子等离子体发生耦合的传输型表面波，其波矢比介质中光子的波矢更大，无法直接激发，且电场在垂直于界面方向上呈指数衰减。另一种是局域表面等离激元（LSP），是金属纳米颗粒表面上的电子振荡受到几何形状所产生的边界条件限制，被局域在金属纳米颗粒表面的共振模式。上述的两种共振类型可以通过具有微结构的超构表面激发，从而对共振波长位置的光产生强吸收。因此，集成了超构表面的热敏探测器能够通过上述两种共振模式来实现光谱选择性吸收。超构表面吸收器具有不需要额外的微腔结构就能实现增强吸收与光谱选择的特性。因此，超构表面热敏探测器不需要附加的光学结构，从而可以方便地设计和制备支撑结构以实现更好的热绝缘和更大的填充系数。此外，材料的吸收、光谱以及角度特性在很大程度上由所设计微结构单元所决定，从而单片上就能集成不同光谱选择特性的探测器。超构表面还能将光压缩在亚波长的区域范围内，使得吸收器的体积和质量很小，降低器件整体的热容，提高器件的性能。因此，集成人工超构表面微结构的热敏探测器具有更大的优势，接下来，我们简要介绍基于人工微结构材料体系的光谱选择性热敏探测器的相关实例。

相关实例

测辐射热计

测辐射热计利用材料的电阻随温度变化而变化的特性来测量吸收到的辐射。实际应用中，在恒定的电流或电压工作模式下，吸收热辐射后温度升高产生的电阻变化可通过测量对应的电压或电流的变化来获得。对于测辐射热计，衡量其材料性能的一个重要参数是电阻温度系数α（TCR）。电阻温度系数是温度变化时材料电阻变化的百分比，描述了材料的电阻对温度变化的敏感程度。绝大多数材料由于存在热激发载流子和热相关的散射过程，其TCR 的值都不会为0。常用的具有电阻高温度变化特性的材料包括非晶硅和氧化钒，其TCR值超过了2%。

金属-介质-金属的三层结构在超构表面吸收器方面已经有了成熟的研究工作，因此可以直接将其利用到测辐射热计上，作为光学吸收结构使用。图5（a）是Thomas Maier 等早期提出的金属-介质-金属三层结构作为吸收器的测辐射热计。图5（b）为Shun Jiang等人所报道的利用相变材料VOx作为热敏材料，表面集成了Au-SiN-Au光栅型微结构的测辐射热计。图5（c）所展示的是Thang Duy Dao等人设计的集成了金属-介质-金属（Au-Al₂O₃-Au）型超构表面吸收器的测辐射热计，器件选取了a-Si作为热敏材料，并在超构表面吸收结构与热敏材料间生长了一层绝缘介质Al₂O₃以防漏电。图5（d）为Amjed Abdullah等人所提出的超构表面集成测辐射热计，器件利用SixGeyO1-x-y作为热敏材料，采用单层Al方块超构表面阵列作为吸收器，并设计了支撑结构以实现良好的热绝缘。图5（e）是Chunxu Chen等设计的Au-SiNx-Au结构的超构表面测辐射热计，顶层的Au结构同时作为光学结构和热敏材料，且底部进行了悬空处理以降低热导。

图5 金属-介质-金属结构超构表面选择性吸收测辐射热计

除了上述的金属-介质-金属的三层结构之外，单层超构表面结构通过合理的结构设计也能实现探测器性能的增强。图6（a）左图是M Mahjouri-Samani等设计的菱形Ag超构表面结构。图6（b）是Tatsuya Tsubota等人设计的用于近红外波段的Si基测辐射热计。图6（c）是F. B. P. Niesler等人设计的近红外波段金属测辐射热计。Chen Chen等设计了如图6（d）所示的以Ti和Si作为热敏材料的测辐射热计。他们所使用的悬空薄膜结构厚度仅为220 nm，且单像元尺寸仅为6.2 μm，从而大大降低了器件的热容。

图6 超构表面选择性吸收测辐射热计

温差电偶

温差电偶探测器的结构与测辐射热计类似，但其热电转化的原理是塞贝克效应。塞贝克效应是指两种导体存在温差时，其两端会产生温差电势。利用塞贝克效应所制成的器件被称为温差电偶探测器。与测辐射热计不同的是，其工作时不需要额外的恒定电压或电流，且可以通过串联多个结组成温差电堆来增大响应的电压。对于这类型的器件，衡量材料性能的重要参数是塞贝克系数。

温差电偶通常是利用两种不同塞贝克系数的材料接触形成结来实现的。常用的高塞贝克系数的金属材料包括铋和锑，其单种材料的塞贝克系数约为几十μV/K；半导体材料包括n型与p型硅，碲化铋，碲化锑等，单种材料的塞贝克系数为一百到两三百μV/K。一般而言，半导体材料具有相对更好的性能。亚波长人工微结构的集成也能够提升温差电偶的性能。

Shinpei Ogawa等人设计了一种集成了金属孔阵列的温差电探测器（图7（a））。这种金属孔阵列能够通过调节几何结构尺寸实现在4–7 μm波段内可调的强吸收，从而实现光谱选择性探测。图7（b）为Anand S. Gawarikar等人所报道的温差电堆探测器，器件采用了由 Ge-NaF-Cr反射层和Ge-Ni吸收层组成的法布里珀罗腔结构，对10 μm附近的红外光实现了类法布里珀罗共振，吸收峰的半高宽约为2.5 μm。图7（c）是AlexanderLochbaum等设计的用于针对二氧化碳气体传感的器件，器件由一个热辐射光源和一个温差电偶探测器组成。图7（d）是Aapo Varpula等人设计的具有网格结构的长波温差电偶探测器。该器件采用P型与N型多晶硅作为热电偶材料，并分别集成了TiW和TiN的网格结构作为吸收器，吸收结构实现了8 – 14 μm波段的选择性吸收。

图7 基于塞贝克效应的光谱选择性热敏探测器

近年来，利用新材料和新方法还进一步制备得到了一些新型温差电偶探测器。Mingyu Zhang等人制备和测试了如图8（a）所示的碳纳米管温差电偶探测器。图8（b）是Alireza Safaei设计的基于塞贝克效应的长波热探测器。图8（c）为Mahdiyeh Abbasi等人所提出的新型温差电偶探测器。

图8 超构表面选择性吸收新型温差电偶探测器

热释电探测器

热探测器的另一种类型是热释电探测器。热释电探测器利用了热释电效应，即温度变化时，晶体内的极化发生变化，从而在表面产生电荷。与其他两种热探测器不同，热释电探测器是一种交流器件，探测的是温度的变化。大部分热释电材料也是铁电材料。

热释电探测器在工作时，温度变化引起极化变化，从而在表面产生电荷，并在外电路形成电流，其信号的大小取决于材料温度的变化大小以及热释电系数的大小。铁电材料的热释电系数相对较高，约为一两百μC/m²K，如钛酸钡，铌酸锂等；而非铁电材料的热释电系数普遍较低，在十μC/m²K以下，其中硫酸锂的系数相对高，总热释电系数为86.3 μC/m²K。

热释电探测器的响应率在高频下的衰减比测辐射热计和温差电偶更慢，因而具有更高的截止频率和更快的响应速度。然而，受限于光吸收后的热扩散过程，实际的传统宽谱吸收结构响应时间约为ns到μs量级。人工微结构由于具有深亚波长的特性，能够缩小吸收结构的尺度，降低热从吸收结构扩散到热释电材料的时间，从而加快器件的响应。

对于短波与中波波段的热释电探测器，近期的研究工作通过引入随机分布的结构以及周期性的金属-介质-金属阵列结构已经实现了良好的超构表面集成。Jon W. Stewart等使用随机分布的Ag纳米方块结构制备了超构表面集成的热释电探测器（图9（a）），热释电材料为AlN。KaishengZhang等设计了如图9（b）所示的超构表面钽酸锂热释电探测器。他们使用金属-介质-金属三层结构作为吸收结构，其中顶层金属为十字阵列结构，实现了在3.16 μm处95%的窄带高吸收，其半高宽为0.7 μm。Anh Tung Doan等设计并制备了如图9（c）所示的Al-Al₂O₃-Al圆柱的吸收结构，同时底层Al作为器件的上电极，其下则为ZnO热释电材料。

图9 超构表面集成的短波及中波热释电探测器

在更长的波段上，超构表面结构集成的热释电探测器也能够实现针对气体吸收的5- 8 μm波段，和长波大气窗口增强探测。Xiaochao Tan等设计了如图10（a）所示的一种用于多种气体检测的超构表面钽酸锂热释电探测器。图10（b）是Kansho Yamamoto等人设计的超构表面光谱选择性热释电探测器，他们使用AlN作为热释电材料，并在上电极引入金属圆孔阵列的结构。Jonathan Y. Suen等设计了如图10（c）的上电极结构，这种结构同时还作为光吸收层，在长波波段实现共振强吸收。

图10 超构表面集成的气体探测与长波热释电探测器

总结与展望

传统的宽谱响应热敏探测器由于具有相对比较大的辐射热导，因此也就会具有相对比较大的本底噪声，最终限制了器件性能的上限。研究表明，窄带光谱选择性吸收的热敏探测器可以突破这一限制。人工微结构材料体系可在亚波长尺度范围内操控光子，实现光谱选择性吸收。集成人工微结构超构表面的光谱选择性热敏探测器可降低辐射热导，降低器件的本底噪声，提升了器件的性能。此外，超构表面的深亚波长特性和强局域效应还能够减小器件及其支撑结构的质量，从而降低器件热容，缩短器件的响应时间和增大响应率。对于仅需要在特定波段进行探测的应用，如大气窗口波段内的探测、气体红外传感等，集成具有光谱选择性的人工微结构是提高热敏探测器性能的有效途径。尽管理论分析表明光谱选择性热敏探测器的比探测率能够达到10¹¹ cm∙√Hz/W量级，但现有报导的实际器件性能与理论极限还有很大距离，还有很大的上升空间。目前的相关研究工作依然有限，未来仍需要更加深入地开展相关研究，包括建立与实际更加符合的理论模型以及进行更多与光谱选择性热敏探测器相关的实验，以期达到或接近理论预测的极限。现有的工作所达到的最高性能是基于法布里珀罗腔结构的光谱选择性热探测器（图7（b）），其比探测率达到了10⁹ cm∙√Hz/W。如前文所述，尽管超构表面结构相比于法布里珀罗腔结构具有众多优势，集成超构表面结构的相关实验工作尚未充分挖掘其潜力，其性能仍未超过法布里珀罗腔结构的热敏探测器。因此，未来的工作还应继续利用好超构表面结构的波长选择性和结构尺寸深亚波长的特性，借鉴超构表面调控电磁波的相关工作，设计具有更小尺寸和更强局域效应的超构表面结构，集成在热敏探测器上进一步减小器件的热容和热导，实现更高的比探测率。总之，人工微结构微纳光子学的发展为研发下一代更高性能的红外探测器提供了新的机遇。

这项研究获得国家重点研发计划项目（2022YFA1404701、2017YFA0205800）、国家自然科学基金项目（62075231）和上海市科委项目（20JC1414603）的资助和支持。