專利名稱：一種非制冷紅外探測(cè)器的設(shè)計(jì)及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種非制冷紅外探測(cè)器的設(shè)計(jì)和制備方法，特別是關(guān)于一種基于單晶硅PN結(jié)溫度特性的多波段非制冷紅外探測(cè)器的設(shè)計(jì)和制備。
背景技術(shù)：
隨著近代科學(xué)的發(fā)展，人們認(rèn)識(shí)到，溫度不為絕對(duì)零度的物體都會(huì)輻射電磁波，室溫下大部分物體輻射波處在紅外波段。于是，紅外輻射成像方式成為一種全新的探測(cè)方式， 不僅可以擺脫黑暗的困擾，甚至可以消除煙霧的影響。二戰(zhàn)以后，由于反空導(dǎo)彈系統(tǒng)的需要，紅外探測(cè)器才真正的發(fā)展起來。從起初的多晶鉛鹽制備的紅外探測(cè)器，到后來以各種窄能帶間隙的半導(dǎo)體化合物為材料制備的紅外探測(cè)器，都極大的促進(jìn)了該領(lǐng)域的進(jìn)步。與此同時(shí)，由于軍用夜視的需要，紅外成像設(shè)備也成為重要的研究方向。紅外成像設(shè)備視距遠(yuǎn)， 受天氣影響小，識(shí)別偽裝能力強(qiáng)。在工業(yè)應(yīng)用上，如鐵水、鋼水液面檢測(cè)、石油管漏油檢查、 供電原部件過熱檢查，集成電路熱故障分析等；軍事應(yīng)用上，如紅外夜視、紅外制導(dǎo)、紅外偵察、紅外火控、紅外雷達(dá)、紅外通信、紅外隱形等技術(shù)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮著極其重要的作用；另外，在醫(yī)療熱成像診斷、森林防火、空海救援、污染監(jiān)測(cè)和資源勘探方面都有廣泛應(yīng)用。由于紅外輻射是以電磁波，也即光子的形式來進(jìn)行能量傳輸?shù)?，因而紅外探測(cè)器根據(jù)不同工作原理大致分為兩類一種是基于特定材料中的光子-電子相互作用，稱為光子探測(cè)器；另一種是基于特定材料吸收紅外輻射后材料的溫度發(fā)生改變，稱為熱探測(cè)器。在目前的高端紅外成像系統(tǒng)中，主要采用紅外光子探測(cè)器，因?yàn)樗鼰o論在靈敏度、響應(yīng)速度等方面，都優(yōu)于熱探測(cè)器。但是，為了能夠使器件能夠工作在紅外波長(zhǎng)范圍且抑制熱噪聲，必須將器件冷卻到較低的溫度(一般為液氮溫度77K)。一般來說，光子探測(cè)器的制冷部分不僅體積十分笨重而且價(jià)格相當(dāng)昂貴，不利于設(shè)備的集成化，小型化，價(jià)格仍然較高，難以廣泛應(yīng)用。相比于光子型紅外探測(cè)器，熱探測(cè)器則擁有其不可替代的優(yōu)勢(shì)和巨大的應(yīng)用潛力， 熱探測(cè)器可以于室溫下運(yùn)行，成本低，易于小型化，熱探測(cè)器在最近幾年里已經(jīng)引起了工業(yè)界、學(xué)術(shù)界、軍事界等多方面的關(guān)注。熱探測(cè)器的工作原理是，吸收入射紅外輻射，引起器件或材料溫度變化，再轉(zhuǎn)變成一定的物理量，而達(dá)到紅外探測(cè)的目的。無論是使用具有很好電阻溫度系數(shù)的VOx材料制備微測(cè)熱輻射計(jì)，還是采用BaSrTiO(BST)這類具有很好熱釋電特性的材料制備紅外探測(cè)器，盡管這些材料都能將紅外輻射很好的轉(zhuǎn)換成電學(xué)特性(電阻、 電壓變化等)進(jìn)行感應(yīng)和測(cè)量，但是這些材料以及制備方法有一個(gè)致命的缺點(diǎn)，就是與傳統(tǒng)的硅微加工工藝不兼容。這嚴(yán)重限制了紅外探測(cè)器的小型化和集成化。且這類探測(cè)器的探測(cè)靈敏度、響應(yīng)速度有限，主要工作8-14 μ m的長(zhǎng)波紅外波段。單晶硅PN結(jié)的制備技術(shù)在半導(dǎo)體制造中已經(jīng)相當(dāng)成熟和完善，同時(shí)它也具備十分優(yōu)越的溫度特性，可以用于作為紅外探測(cè)器中的溫度敏感單元。在理想PN結(jié)模型情況下，流過PN結(jié)的電流密度J和施加在結(jié)兩端的電壓V之間的關(guān)系如下
權(quán)利要求
1.一種基于單晶硅PN結(jié)溫度特性的多波段、非制冷紅外探測(cè)器，其特征在于所述紅外探測(cè)器由紅外焦平面陣列(FPA)、支撐焦平面陣列的襯底以及位于上述襯底上的驅(qū)動(dòng)和讀出電路組成。
2.如權(quán)利要求1所述的紅外焦平面陣列，其特征在于是多個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的像元陣列；所述焦平面陣列可以是一維線陣型和二維陣列型，可有1X64、1X128、1X256、 1X512、1X1024、64X64、128X128、256X256、512X512、1024X1024 等像元數(shù)。
3.如權(quán)利要求2所述的紅外焦平面陣列，其特征在于所述像元由主結(jié)構(gòu)層、紅外吸收結(jié)構(gòu)層、溫度傳感器、熱隔離支撐結(jié)構(gòu)、電互聯(lián)引線組成；所述像元是懸空結(jié)構(gòu)，通過熱隔離支撐結(jié)構(gòu)固支在襯底上。
4.如權(quán)利要求3所述的紅外焦平面陣列，其特征在于所述主結(jié)構(gòu)層由一層或多層半導(dǎo)體介質(zhì)材料組成，如氮化硅薄膜、二氧化硅薄膜、碳化硅薄膜等半導(dǎo)體介質(zhì)材料，用于支撐和隔離紅外吸收結(jié)構(gòu)層和溫度傳感器；所述主結(jié)構(gòu)層可以兼作全部或部分紅外吸收層； 所述主結(jié)構(gòu)層形狀可以是長(zhǎng)方形、正方形或者圓形，面積可以是IOOym2 1mm2，在保證整個(gè)焦平面陣列尺寸最小的同時(shí)，應(yīng)使主結(jié)構(gòu)層面積最大，以吸收更多紅外輻射。
5.如權(quán)利要求3所述的紅外焦平面陣列，其特征在于所述紅外吸收結(jié)構(gòu)層為吸收紅外輻射并將其轉(zhuǎn)化成為熱能形式進(jìn)而傳遞給溫度傳感器的結(jié)構(gòu)。所述紅外吸收結(jié)構(gòu)層可以是主結(jié)構(gòu)層，或與一層或多層高紅外吸收效率的薄膜材料疊加形成紅外吸收層，所述薄膜材料可以是黑金屬、薄金屬層、碳納米管等吸收紅外輻射的材料；所述薄膜材料的位置可設(shè)置在主結(jié)構(gòu)層上面、下面或中間，尺寸及形狀可與主結(jié)構(gòu)層基本一致。
6.如權(quán)利要求3所述的紅外焦平面陣列，其特征在于為提高紅外吸收結(jié)構(gòu)層的吸收效率，并實(shí)現(xiàn)不同波段的紅外探測(cè)，在所述紅外吸收結(jié)構(gòu)層上可以設(shè)置表面等離子體增強(qiáng)共振吸收結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以是一維光柵結(jié)構(gòu)、二維光柵結(jié)構(gòu)、二維表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等，表面等離子體增強(qiáng)共振吸收結(jié)構(gòu)采用金屬材料制備。所述表面等離子體增強(qiáng)共振吸收結(jié)構(gòu)的特征尺寸根據(jù)探測(cè)波長(zhǎng)的要求設(shè)計(jì)，為亞波長(zhǎng)；所述紅外吸收結(jié)構(gòu)層可以吸收0. 8-2. 5um的短波紅外、3-5um的中波紅外、以及8-14um的長(zhǎng)波紅外輻射，使該探測(cè)器能進(jìn)行多個(gè)波段紅外輻射的探測(cè)。
7.如權(quán)利要求3所述的紅外焦平面陣列，其特征在于所述溫度傳感器由1個(gè)或數(shù)個(gè)串聯(lián)的PN結(jié)組成，通過一層隔離介質(zhì)層粘附于紅外吸收結(jié)構(gòu)上面或下面。所述PN結(jié)可以采用單晶硅、多晶硅等材料制備，可以是橫向PN結(jié)，也可以是縱向PN結(jié)，多個(gè)PN結(jié)之間通過電互連引線進(jìn)行串聯(lián)。
8.如權(quán)利要求3所述的紅外焦平面陣列，其特征在于所述熱隔離支撐結(jié)構(gòu)為多層結(jié)構(gòu)，下層和上層為一層或多層由較小熱導(dǎo)率的半導(dǎo)體介質(zhì)層材料組成，中間層是電互聯(lián)引線。所述熱隔離支撐結(jié)構(gòu)材料可以與主結(jié)構(gòu)層材料一致，可以是氮化硅、氧化硅、碳化硅等； 所述熱隔離支撐結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)成一折或多折的細(xì)長(zhǎng)支腿形式，用于提高焦平面陣列像元與襯底間的熱隔離效率，減小相鄰像元之間以及像元與襯底間的熱傳導(dǎo)。
9.如權(quán)利要求3所述的紅外焦平面陣列，其特征在于所述電互聯(lián)引線的一端與所述溫度傳感器相連，另一端與所述襯底上的驅(qū)動(dòng)和讀出電路相連，用于實(shí)現(xiàn)溫度傳感器與襯底上的驅(qū)動(dòng)和讀出電路的電連接；所述電互聯(lián)引線為金屬或金屬硅化物材料，位于熱隔離支撐結(jié)構(gòu)層中間。
10.如權(quán)利要求1所述的紅外焦平面陣列，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)和讀出電路位于襯底上，用于對(duì)溫度傳感器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)、采樣和信號(hào)放大。紅外焦平面陣列由規(guī)則的像元行列組成，每個(gè)像元可通過行尋址寄存器和列尋址寄存器對(duì)陣列式溫度傳感器信號(hào)逐一進(jìn)行串行處理。信號(hào)處理采用下述方法通過行尋址寄存器將某行像元選中，然后逐列讀出選中行上像元的輸出電壓，通過柵調(diào)制積分器將讀出電壓放大，并且存儲(chǔ)于取樣保持電路，待整行像元輸出全部讀取完畢，再進(jìn)行下一行像元信號(hào)的讀取，當(dāng)所有像元數(shù)據(jù)全部讀取完畢，再對(duì)整個(gè)焦平面陣列數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并且成像；所述電路可采用通用數(shù)?；旌想娐吩O(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn) CMOS工藝制備。
11.如權(quán)利要求1所述的基于單晶硅PN結(jié)溫度特性的多波段非制冷紅外探測(cè)器，一種焦平面陣列的制備方法，包括下列步驟1)采用SOI基片作為加工基片，第一次光刻，光刻膠作為掩膜，刻蝕單晶硅器件層，形成PN結(jié)有源區(qū)；2)低壓化學(xué)氣相沉積法在SOI基片正面淀積一薄層二氧化硅，進(jìn)行離子注入、退火，使注入的離子激活并在器件層擴(kuò)散均勻分布，形成PN結(jié)的N區(qū)，也可以形成P區(qū)；3)第二次光刻，光刻膠作為掩膜再一次離子注入形成PN結(jié)，若步驟2中離子注入形成的是PN結(jié)的N區(qū)，則本步中則注入離子形成P區(qū)；若步驟2中離子注入形成的是PN結(jié)的P 區(qū)，則本步中則注入離子形成N區(qū)。注入完成之后，去除步驟2)中生成的薄層二氧化硅，可以通過濕法腐蝕，也可以通過干法刻蝕的方式；1)在基片正面生成二氧化硅，作為隔離介質(zhì)層，第三次光刻，去除二氧化硅獲得PN結(jié)互聯(lián)孔，以及熱隔離支撐結(jié)構(gòu)上的電互聯(lián)引線與像元的接觸孔，可以通過濕法腐蝕，也可以通過干法刻蝕的方式。對(duì)形成的接觸孔進(jìn)行離子注入，以便在接觸孔處形成歐姆接觸；5)低壓化學(xué)氣相沉積法在基片正面淀積一層多晶硅，對(duì)其進(jìn)行離子注入和激活，第四次光刻，光刻膠作掩膜，正面刻蝕多晶硅形成PN結(jié)電互聯(lián)引線；基片正面濺射金屬，該金屬可以是Co、W等，1次或2次快速退火形成Si-金屬化合物，除去沒有與Si反應(yīng)的金屬，形成金屬硅化物引線。采用濕法腐蝕或者干法刻蝕的方式去除基片背面多晶硅，便于后續(xù)釋放結(jié)構(gòu)6)低壓化學(xué)氣相沉積工藝淀積低應(yīng)力的介質(zhì)薄膜，材料可以是氮化硅薄膜、氧化硅薄膜、碳化硅薄膜；第五次光刻，光刻膠做掩膜，刻蝕正面低應(yīng)力介質(zhì)薄膜，形成熱隔離支撐結(jié)構(gòu)、像元主結(jié)構(gòu)，以及像元與驅(qū)動(dòng)和讀出電路實(shí)現(xiàn)電互聯(lián)的接觸孔；7)淀積紅外吸收層材料，再淀積薄層金屬作為電學(xué)互聯(lián)引線，金屬互聯(lián)引線可以是 Au、Al、W或者Cu等材料；8)對(duì)基片背面進(jìn)行第六次光刻，光刻膠作為掩膜，通過濕法或干法的方式去除步驟6) 中采用低壓化學(xué)氣相沉積的介質(zhì)薄膜，形成背腔腐蝕窗口，再通過各向異性濕法腐蝕的方式，也可以通過干法深刻蝕的方式，去除部分襯底單晶硅獲得隔熱背腔。為防止基片碎裂， 可先不腐蝕穿通硅襯底，留有一定余厚；9)對(duì)基片正面進(jìn)行第七次光刻，腐蝕7)中生長(zhǎng)的金屬薄層材料，形成像元與外部電路的電互聯(lián)引線；10)進(jìn)行第八次光刻，圖形化紅外吸收層，可以通過干法，也可以通過濕法工藝去除多余的紅外吸收層材料，獲得紅外探測(cè)器的紅外吸收結(jié)構(gòu)層通過濕法腐蝕或者干法刻蝕的方式去除熱隔離支撐結(jié)構(gòu)下面的二氧化硅理氧層，直至襯底硅，再對(duì)基片進(jìn)行劃片，最后各向異性濕法腐蝕或者干法方式刻蝕襯底硅，將步驟8)中未腐蝕的硅襯底腐蝕掉，直至像元結(jié)構(gòu)釋放。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種非制冷紅外探測(cè)器的設(shè)計(jì)和制備方法，特別是關(guān)于一種基于單晶硅PN結(jié)溫度特性的多波段非制冷紅外探測(cè)器的設(shè)計(jì)和制備。本發(fā)明所提供的紅外探測(cè)器由紅外焦平面陣列、支撐焦平面陣列的襯底以及位于上述襯底上的驅(qū)動(dòng)和讀出電路組成；其中，PN結(jié)作為紅外探測(cè)器中溫度敏感單元設(shè)置在焦平面陣列的像元內(nèi)，將吸收的熱能轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)輸出；設(shè)置于像元上的紅外吸收結(jié)構(gòu)層用于實(shí)現(xiàn)吸收不同波段的紅外輻射；焦平面陣列信號(hào)最終由讀出電路輸出。本發(fā)明提供的紅外探測(cè)器可實(shí)現(xiàn)非制冷工作和多波段紅外探測(cè)。
文檔編號(hào)H01L27/146GK102509728SQ20111033895
公開日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月1日
發(fā)明者于曉梅, 周曉雄, 文永正, 袁明泉 申請(qǐng)人:北京大學(xué)