研究背景

红外探测技术在军事、工业、汽车、消费电子等诸多领域都有着广泛的应用。其中，基于双材料微悬臂梁热变形的光机械非制冷红外探测器，通过“光-热-机械-电”能量转换实现红外测量，展现了巨大的应用潜力。然而，与大多数类型的红外探测器一样，它也面临着填充因子低的限制，即热敏区域占芯片面积小导致光能利用效率低下。近年来，微型超构透镜凭借其紧凑的尺寸、高设计灵活性和与微机电系统（MEMS）较好的兼容性，有望与红外探测器单片集成，以提升其探测性能。通过在红外探测器上集成微型超构透镜阵列，可以大幅提升入射红外光的利用效率，从而增强红外传感器的响应。

图1 集成微型超构透镜显著提高红外探测器的像素利用区域

研究简介

近期，中国科学技术大学微纳米复合材料实验室赵旸教授团队研究设计了一种长波红外（LWIR）微型超构透镜阵列与光机械红外探测器的单片集成方案，如图2所示，并对其进行了制造和表征。该团队开发了一种微纳米加工工艺，将微型超构透镜阵列直接制作在红外探测器衬底的背面。通过微型超构透镜阵列对红外光的聚集作用，红外探测器的等效填充因子得到了显著提高，从而获得了更灵敏的红外响应。实验测试结果表明，单片集成微型超构透镜阵列显著提升了光机械红外探测器在8~14 μm波段的响应率，实现了81.8%的性能提升。相关研究成果以“Optomechanical Infrared Detector Monolithically Integrated with Micro-Metalens Array”为题，发表在光学科学Top期刊《ACS Photonics》。

图2 单片集成微型超构透镜的红外探测器研究内容

研究内容

微型超构透镜是一种基于亚波长结构设计的平面透镜。与传统的曲面透镜不同，微型超构透镜通过亚波长结构的排列组合灵活操控光波的相位、幅度或偏振，从而实现光的精确聚焦和控制。这种技术使得微型超构透镜具有紧凑的尺寸、设计灵活性和对不同光谱的高效控制能力。同时，它们与微机电系统（MEMS）高度兼容，广泛应用于高分辨成像、光学传感器和虚拟现实（VR）设备等领域。该工作中，微悬臂梁像素锚定在硅衬底上，而由硅制成的介电微型超构透镜直接制作在衬底背面。利用不同尺寸亚波长单元结构对光的相位进行调控，模拟出曲面透镜的相位轮廓，即可实现对光的聚焦调控。仿真计算结果表明，当吸收板尺寸为26 μm x 26 μm时（像素尺寸为60 μm），超过80%的入射辐射可以被吸收板所接收，极大地提升了光能利用效率。

图3 面向长波红外应用的微型超构透镜阵列设计与仿真计算

图4 单片集成微型超构透镜的红外探测器阵列制造与表征

如图4所示，该研究采用了包含五次光刻与刻蚀的微纳加工工艺。首先，使用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术，在300 μm厚的双面抛光4英寸硅片上沉积了2.5 μm厚的SiO₂牺牲层，并对锚钉孔阵列进行图形化处理。随后，通过低压化学气相沉积（LPCVD）生成500 nm厚的低应力氮化硅（SiNx）膜，再溅射50 nm厚的铬层与300 nm厚的金层，构建SiNx/Au双层薄膜结构。接着，蚀刻去除隔离部分的金层，形成热隔离支腿。随后将芯片翻转，并在背面沉积100 nm厚的铝膜作为硬掩膜，通过电子束光刻（EBL）技术形成微型超构透镜阵列图案，并采用金属干蚀刻与深硅蚀刻将图案转移至铝掩膜与硅衬底。最后，将样品浸入49%氢氟酸（HF）溶液中以去除SiO₂牺牲层，并通过临界点干燥避免悬臂梁结构因毛细作用粘附在衬底上。

该工作利用如图5所示的红外光与可见光结合的实验光路测试了单片集成微型超构透镜对于红外探测器响应率的影响。红外热源的辐射通过超构透镜聚焦到红外探测器上，使微悬臂梁温度升高并发生弯曲。同时，可见光束从另一侧照射探测器，并被微悬臂梁的反光板反射，在透镜后焦平面上形成衍射光谱。刀口滤光片遮挡了部分衍射光谱，未被遮挡的部分则继续移动。因此，微悬臂梁的反光板的变形导致衍射图样位移，从而引起CCD图像传感器上的光强变化，使得目标的红外辐射信息能够通过CCD图像传感器轻松重建。

图5 单片集成微型超构透镜的红外探测器响应测试

实验使用了不同的中性密度滤光片来实现0%、50%和100%的红外辐射透过率。通过线性拟合可见光CCD在三种透过率下的灰度变化，即可获得探测器的响应度。测试结果表明，集成微型超构透镜像元的平均响应度为0.20 Gray level/Transmittance，而没有集成微型超构透镜的像元的平均响应度为0.11 Gray level/Transmittance。因此，微型超构透镜的集成使光机械红外探测器的响应率提高了81.8%。

中国科学技术大学精密机械与精密仪器系博士生罗振东、侯虎旺为共同第一作者，赵旸教授、张鹏特任副研究员为共同通讯作者。该工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省教育厅科研项目与深圳市科技创新委员会项目资助。部分实验工作在中国科学技术大学微纳研究与制造中心、工程与材料科学实验中心完成。