非製冷紅外探測器件及其製作方法
2023-08-05 03:51:01 4
專利名稱：非製冷紅外探測器件及其製作方法
技術領域：
本發明涉及紅外探測技術領域，特別涉及一種非製冷紅外探測器件及其製作方法。
背景技術：
紅外探測器件是熱成像系統的核心元件，主要分為兩類製冷型(基於光子探測) 和非製冷型(基於熱探測)，前者曾被認為是實際應用中最佳的紅外熱探測技術，但由於需要匹配製冷裝置，其製造和使用成本較高。近年來非製冷紅外探測器件獲得了長足發展，與製冷紅外探測器件相比，非製冷紅外探測器件不需要在熱成像系統中安裝製冷裝置，因此尺寸較小、重量較輕且功耗較低； 此外，還可提供更寬的頻譜響應和更長的工作時間。根據紅外頻譜覆蓋範圍，紅外探測器件還被分為短波紅外型、中波紅外型和長波紅外型(也稱遠紅外，覆蓋5 14 μ m)。現有的非製冷長波紅外探測器件中，主要有兩種類型一種是以VOx、非晶矽或非晶SixGei_x作為溫敏電阻的紅外探測器件，其通過檢測溫敏電阻的輸出信號來獲取紅外圖像信息；另一種是以單晶矽PN結二極體作為感應單元的紅外探測器件，其通過檢測二極體的輸出信號來獲取紅外圖像信息(參見Masashi Ueno et al，」640X480 pixel uncooled infrared FPA with SOI diode detectors",Proc. Of SPIE Vol. 5783,2005, PP566)。電壓溫度響應係數是決定非製冷紅外探測器的溫度靈敏度的重要參數，目前，單晶矽PN結二極體型紅外探測器中，二極體的正向電壓溫度響應係數約為1.3mV/K，通過改變單個二極體的各項工藝參數對二極體的正向電壓溫度響應係數的影響不大，通常需要串聯多個二極體(例如6-8個)才能提高紅外探測器整體的溫度靈敏度，才能滿足實際應用的需求，然而，多個串聯的二極體將導致單晶矽PN結二極體型紅外探測器的工作電壓較大 (通常高於6V)。
發明內容
本發明解決的問題是提供一種溫度靈敏度較高、工作電壓較低的非製冷紅外探測器件及其製作方法。為解決上述問題，本發明提供一種非製冷紅外探測器件，包括包含有絕緣層的襯底；所述襯底上的SixGei_x層，所述SixGei_x層中包括相鄰的P型區和N型區。其中，所述襯底為SOI襯底。可選的，所述襯底包括單晶矽層和所述單晶矽層上的埋層氧化層，所述絕緣層即
為埋層氧化層。所述SixGei_x層根據Ge組分的變化禁帶寬度在0. 66-1. 12eV的範圍內。相應的，還提供一種非製冷紅外探測器件的製作方法，包括
提供襯底；在所述襯底上形成SixGei_x層；在所述SixGei_x層中形成相鄰的P型區和N型區。可選的，當所述襯底為SOI襯底時，在所述襯底上形成SixGei_x層採用外延生長工藝。可選的，當所述襯底為單晶矽襯底時，在所述襯底上形成SiGe層採用外延生長工藝，然後還包括通過離子注入在單晶矽襯底和SixGei_x層的界面處形成埋層氧化層。可選的，當所述襯底為單晶矽襯底時，在所述襯底上形成SixGei_x層採用SixGei_x 體材料和單晶矽襯底鍵合製作。相應的，還提供一種非製冷紅外探測器件，包括SOI襯底，所述SOI襯底具有N型頂矽層；所述N型頂矽層上的P型SixGei_x層，所述P型SixGei_x層採用選擇性外延生長。相應的，一種非製冷紅外探測器件的製作方法，包括提供SOI襯底，所述SOI襯底具有N型頂矽層；在所述N型頂矽層上形成氧化層；去除部分所述氧化層而露出下面的單晶矽層；在露出的頂矽層表面外延生長P型SixGei_x層。與現有技術相比，上述技術方案具有以下優點本發明採用SixGei_x材料來製作二極體的P型區，形成SiGe PN結二極體或者 SiGe/Si異質結二極體來降低工作電壓，由於SixGei_x材料根據Ge的組分變化其禁帶寬度在0. 66-1. 12eV間變化，相對於單晶矽二極體而言，SixGei_x材料的禁帶寬度更窄，由此形成 PN結二極體更容易激發，能夠減小(qVf-Eg)項，從而提高電壓溫度響應係數。經過模擬，採用SiGe P型區的二極體的開啟電壓約為單晶矽二極體的一半，而其電壓溫度響應係數約能提高10%，因此可以獲得高的電壓溫度響應係數並降低工作電壓。
通過附圖所示，本發明的上述及其它目的、特徵和優勢將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標記指示相同的部分。並未刻意按實際尺寸等比例縮放繪製附圖，重點在於示出本發明的主旨。圖1為實施例一中非製冷紅外探測器件的結構示意圖；圖2為實施例一中SiGe PN結與傳統單晶矽PN結的能帶比較圖；圖3為實施例二中非製冷紅外探測器件的結構示意圖；圖4為實施例三中非製冷紅外探測器件的結構示意圖；圖5為實施例三中SiGe/Si異質結與傳統單晶矽PN結的能帶比較圖；圖6為本發明實施例中SiGe PN結與傳統單晶矽PN結的I-V曲線模擬圖。
具體實施例方式為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施方式
做詳細的說明。
在下面的描述中闡述了很多具體細節以便於充分理解本發明，但是本發明還可以採用其他不同於在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況下做類似推廣，因此本發明不受下面公開的具體實施例的限制。其次，本發明結合示意圖進行詳細描述，在詳述本發明實施例時，為便於說明，表示器件結構的剖面圖會不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是示例，其在此不應限制本發明保護的範圍。此外，在實際製作中應包含長度、寬度及深度的三維空間尺寸。正如本發明背景技術部分所述，目前的單晶矽PN結二極體型紅外探測器中，二極體的正向電壓溫度響應係數約為1. 3mV/K，通過改變單個二極體的各項工藝參數對二極體的正向電壓溫度響應係數的影響不大，為了提高紅外探測器整體的溫度靈敏度，通常需要串聯多個二極體(例如6-8個)才能滿足實際應用的需求，然而多個串聯的二極體將導致單晶矽PN結二極體型紅外探測器的工作電壓較大。因此，如何提高溫度靈敏度並降低工作電壓成為該類型紅外探測器件的主要研究方向。本發明的發明人經過研究發現，採用SixGei_x材料形成PN 二極體或SiGe/Si異質結二極體來製作非製冷紅外探測器件可以很好的解決上述問題，下面說明本發明的原理公式(1)為二極體正向電壓溫度響應係數的表達式。
「 ^ dVf qVf -3kT-Ee(1)_L = U.-L
dTqT其中Vf 二極體正向電壓；q 電子電量；k 玻爾茲曼常數；T 二極體溫度；Eg 半導體材料禁帶寬度。從公式(1)可以看出(1)減小二極體正向電壓Vf，可以提高電壓溫度響應係數並降低工作電壓；(2)通過讓二極體工作在合適的溫度下，可以提高電壓溫度響應係數，但對於非製冷紅外探測器來說，基本上保持在室溫工作，所以不能通過溫度的優化來獲得較高的電壓溫度響應係數；(3)減小(qVf-Eg)項也可以提高電壓的溫度響應係數，由於民與半導體材料本身有關，因此可以通過選擇其他的材料來減小這一項，從而提高電壓溫度靈敏度係數。傳統的單晶矽二極體的電壓溫度響應係數約為1. 3mV/K，通常需要多個二極體的串聯來保證非製冷紅外探測器的溫度靈敏度，而單晶矽二極體的開啟電壓約為0. 8V,因此紅外探測器的整體工作電壓約需6-9V，工作電壓較高，如果為了降低工作電壓而減少二極體數目則會降低探測器的溫度靈敏度，影響器件的使用。基於此，根據公式(1)的分析，本發明採用SixGei_x材料來製作PN結二極體或SiGe/Si異質結二極體來降低工作電壓，通過理論分析和模擬，SiGe 二極體的開啟電壓約為單晶矽二極體的一半，而其電壓溫度響應係數約能提高10%，因此可以獲得高的電壓溫度響應係數並降低工作電壓。以下結合附圖詳細描述本發明所述非製冷紅外探測器及其製作方法的具體實施例。實施例一圖1為本實施例中非製冷紅外探測器件的結構示意圖，圖2為本實施例中SiGe PN 結與傳統單晶矽PN結的能帶比較圖。如圖1所示，非製冷紅外探測器包括SOI (Silicon On Insulator，絕緣體上矽)襯底；
所述SOI襯底上的SixGei_x層104，所述SiGe層104中包括相鄰的P型區105和 N型區106。其中，SOI襯底由底矽層101、埋層氧化層102和頂矽層103組成，所述底矽層101 和頂矽層103均為單晶矽材料。對於紅外探測器件來說，頂矽層103和埋層氧化層102要儘量薄，其厚度範圍例如為50nm-200nm。SOI襯底是通過在單晶矽晶片上注入氧離子形成埋層氧化矽，或者採用兩塊體矽材料鍵合的方式製作而成的。SixGei_x層為外延生長的單晶SixGei_x材料，其中Ge的成分可以根據需要在外延生長過程中進行調整，Ge的成分一般在0. 1-0. 6 (原子百分比)。P型區105和N型區106組成PN結二極體，可以利用光刻、離子注入的方式製作。在半導體行業中，SixGeh材料通常用來製作HBT (Heterojunction bipolar transistor，異質結電晶體)以及一些高速電路。而在本實施例中主要利用SiGe材料來製作溫度敏感二極體，其將接受到的紅外輻射轉變為二極體的溫度變化，繼而引起二極體的輸出電壓變化來實現紅外圖像的檢測。本實施例中非製冷紅外探測器的其他結構與現有的PN結二極體紅外探測器結構類似。紅外輻射對二極體的影響主要是隨著二極體對紅外輻射的吸收，二極體的溫度升高，從而引起本徵載流子的激發，在恆定偏置電流的情況下會引起二極體兩端電壓的變化，這樣一來，紅外輻射的強弱就可以通過二極體兩端電壓變化反映出來。而半導體材料禁帶寬度的大小，決定了本徵載流子激發的難易程度，禁帶寬度窄，更容易引起本徵載流子的激發並越過PN結內建勢壘參與導電，從而提高溫度靈敏度。如圖2所示，單晶矽的禁帶寬帶為1. 12eV, Ge的禁帶寬度為0. 66eV, SixGe1^x材料根據Ge的組分變化其禁帶寬度在 0. 66-1. 12eV間變化，相對於單晶矽二極體而言，SixGei_x材料的禁帶寬度更窄，由此形成PN 結二極體更容易激發，能夠提高溫度靈敏度。上述非製冷紅外探測器件的製作方法如下首先，提供SOI襯底；其次，在所述SOI襯底上外延生長SixGei_x層；接著，以光刻膠層為掩膜在所述SixGei_x層中通過離子注入工藝形成P型區，同樣的，以光刻膠層為掩膜在所述SixGei_x層中通過離子注入工藝N型區，所述N型區與P型區組成PN結二極體；然後，再通過光刻、刻蝕的方法製作出探測器件的懸空結構和引線，把二極體的電壓信號輸入到外圍的讀出電路，本步驟和傳統工藝基本相同。圖6為本發明實施例中SiGe PN結二極體與傳統的Si PN結二極體的I_V曲線模擬圖。表1為上述兩種PN結二極體的電壓溫度靈敏度對照表。由此可見，本發明實施例中的非製冷紅外探測器件電壓溫度靈敏度有明顯提高，相同的偏置電流下工作電壓較低。表1各種類型PN結二極體的電壓溫度靈敏度對照表
權利要求
1.一種非製冷紅外探測器件，其特徵在於，包括 包含有絕緣層的襯底；所述襯底上的SixGeh層，所述SixGeh層中包括相鄰的P型區和N型區。
2.根據權利要求1所述的非製冷紅外探測器件，其特徵在於，所述襯底為SOI襯底。
3.根據權利要求1所述的非製冷紅外探測器件，其特徵在於，所述襯底包括單晶矽層和所述單晶矽層上的埋層氧化層，所述絕緣層即為埋層氧化層。
4.根據權利要求1-3任一項所述的非製冷紅外探測器件，其特徵在於，所述SixGei_x層根據Ge組分的變化禁帶寬度在0. 66-1. 12eV的範圍內。
5.一種非製冷紅外探測器件的製作方法，其特徵在於，包括 提供襯底；在所述襯底上形成SixGei_x層；在所述SixGei_x層中形成相鄰的P型區和N型區。
6.根據權利要求5所述非製冷紅外探測器件的製作方法，其特徵在於，當所述襯底為 SOI襯底時，在所述襯底上形成SixGei_x層採用外延生長工藝。
7.根據權利要求5所述非製冷紅外探測器件的製作方法，其特徵在於，當所述襯底為單晶矽襯底時，在所述襯底上形成SixGei_x層採用外延生長工藝，然後還包括通過離子注入在單晶矽襯底和SixGei_x層的界面處形成埋層氧化層。
8.根據權利要求5所述非製冷紅外探測器件的製作方法，其特徵在於，當所述襯底為單晶矽襯底時，在所述襯底上形成SixGei_x層採用SixGei_x體材料和單晶矽襯底鍵合製作。
9.一種非製冷紅外探測器件，其特徵在於，包括 SOI襯底，所述SOI襯底具有N型頂矽層；所述N型頂矽層上的P型SixGei_x層，所述P型SixGei_x層採用選擇性外延生長。
10.一種非製冷紅外探測器件的製作方法，其特徵在於，包括 提供SOI襯底，所述SOI襯底具有N型頂矽層；在所述N型頂矽層上形成氧化層； 去除部分所述氧化層而露出下面的單晶矽層； 在露出的頂矽層表面外延生長P型SixGei_x層。
全文摘要
本發明提供一種非製冷紅外探測器件及其製造方法，包括包含有絕緣層的襯底；所述襯底上的SiGe層，所述SiGe層中包括相鄰的P型區和N型區。相應的，本發明還提供另一種非製冷紅外探測器件，包括SOI襯底，所述SOI襯底具有N型頂矽層；所述N型頂矽層上的P型SiGe層，所述P型SiGe層採用選擇性外延生長。發明採用SiGe材料來製作二極體的P型區，形成SiGe PN結二極體或者SiGe/Si異質結二極體來降低工作電壓，由於SiGe材料根據Ge的組分變化其禁帶寬度在0.66-1.12eV間變化，相對於單晶矽二極體而言，SiGe材料的禁帶寬度更窄，由此形成PN結二極體更容易激發，從而提高電壓溫度響應係數。
文檔編號H01L31/101GK102376813SQ20101026223
公開日2012年3月14日 申請日期2010年8月24日 優先權日2010年8月24日
發明者何偉, 歐文, 陳大鵬 申請人:中國科學院微電子研究所