測輻射熱儀的製作方法

2023-04-25 08:12:06

本發明涉及一種測輻射熱儀(bolometer)，並且涉及包括測輻射熱儀陣列的裝置。

背景技術：

測輻射熱儀可用於探測及測量入射電磁輻射的能量(或功率)。

基於超導體的測輻射熱儀能夠表現出高靈敏度及快速響應。

一種形式的基於超導體的測輻射熱儀是熱電子測輻射熱儀(HEB)，其包括超導體以及一對常規金屬觸點。JP 200488852A中描述了熱電子測輻射熱儀的一種示例。

另一形式的基於超導體的測輻射熱儀是冷電子測輻射熱儀(CEB)，其包括常規金屬-絕緣體-超導體(NIS)隧道結，例如，像US5634718A中所描述的。金屬區域用作使用隧道結冷卻的吸收體(absorber)。

又一形式的基於超導體的測輻射熱儀是轉換邊界傳感器(TES)，其類似於冷電子測輻射熱儀，但其使用直流加熱。US2010304977A1中描述了轉換邊界傳感器的一種示例。

儘管使用常規金屬和超導體的現有形式的測輻射熱儀表現出高靈敏度以及快速響應，但仍存在用於改善性能的空間。

技術實現要素：

根據本發明的第一方面，提供了一種測輻射熱儀。所述測輻射熱儀包括超導體-絕緣體-半導體-超導體結構或超導體-絕緣體-半導體-絕緣體-超導體結構。所述半導體包括矽層、鍺層或矽鍺合金層中的電子氣，在所述矽層、鍺層或矽鍺合金層中，谷簡併度(valley degeneracy)至少部分地被提升。

使用矽、鍺或矽鍺合金中的電子氣作為檢測元件不僅可有助於降低耦合到所述檢測元件的熱量，還可有助於減少所述檢測元件的熱容量。這可有助於提高靈敏度和響應度。

絕緣體可包括介電材料層。此外或可替代地，絕緣體可包括非簡併(non-degenerately)摻雜半導體層。

在超導體-絕緣體-半導體-絕緣體-超導體結構中，所述絕緣體可以是同一類型的，例如，每個絕緣體包括對應的介電材料層和/或對應的非簡併摻雜半導體層。所述絕緣體的至少部分可包括一個或多個公共層。

使用介電材料可有助於降低子間隙洩露(sub-gap leakage)，該子間隙洩露能夠提高一個或多個結的靈敏度和冷卻能力。

矽層、鍺層或矽鍺層可以是應變的。因此，可使用應變至少部分地提升谷簡併度。所述層可通過憑藉在另一不同的半導體(即，具有不同的晶格常數和/或晶體結構)層上形成而應變。例如，矽層可在應變鬆弛矽鍺合金層上形成。可使用局部應變引起應變(或「工藝引起」應變)。可通過電子氣的限制提升谷簡併度。限制可在二維電子氣中產生。

矽層、鍺層、矽鍺合金層可包括n型矽層、鍺層或矽鍺合金層。例如，所述層可用磷(P)、砷(As)或銻(Sb)摻雜。

所述矽層、鍺層或矽鍺層可摻雜到至少1×1018cm–3或至少1×1019cm–3的濃度，也就是說，使得所述層簡併摻雜。所述層可摻雜到至少1×1020cm–3的濃度。所述層可摻雜到高達1×1021cm–3或更大的濃度。所述層可具有不超過5nm、不超過4nm或不超過3nm的厚度。因此，所述電子氣可以是二維電子氣。但是，所述層可更厚，例如，具有至少10nm或至少20nm的厚度，且可具有高達50nm或高達100nm或更高的厚度。

所述層可包括德爾塔摻雜(delta-doped)層。所述德爾塔摻雜層可以是n型德爾塔摻雜層，例如，用磷(P)、砷(As)或銻(Sb)進行摻雜。所述德爾塔摻雜層可具有至少1×1012cm–2、至少5×1012cm–2、至少1×1013cm–2、或至少2×1013cm–2的區域摻雜濃度。所述德爾塔摻雜層可具有不超過3nm的厚度(半寬度厚度)。

所述矽、鍺或矽鍺可以是未摻雜的。所述矽層、鍺層或矽鍺層可布置於例如包括半導體摻雜層的異質結構這樣的結構中。因此，電子氣可作為調製摻雜的結果而產生。所述測輻射熱儀可包括門電極和布置於電極和半導體之間的門介電材料，門電極和門介電材料被設置成施加電場以形成電子氣。

所述矽層、鍺層或矽鍺層可包括量子阱。

所述層可具有小於1μm2的面積(即，平面圖中)。所述層可具有不超過1μm2或不超過0.01μm2的面積。但是，所述層可具有高達100μm2或高達1000μm2或更大的面積。

所述測輻射熱儀可包括基板。所述基板可採用單晶矽或單晶鍺的晶片或晶粒的形式。所述測輻射熱儀可包括一個或多個緩衝層。所述一個或多個緩衝層可包括漸變矽鍺層。所述一個或多個緩衝層可包括矽鍺層。所述矽鍺層可以是應變鬆弛的。

所述絕緣體可以是或可包括耗盡半導體(depleted semiconductor)區域。所述絕緣體可以是或可包括低摻雜半導體區域，所述低摻雜半導體區域在所述測輻射熱儀的運行溫度是絕緣體。

所述絕緣體可包括化學工藝產品或沉積材料。所述介電材料可包括或主要是氧化物。所述介電材料可包括或主要是氮化物。所述介電材料可包括或主要是氮氧化物。

所述介電材料可包括或主要是所述半導體的氧化物。因此，所述介電材料可包括或主要是二氧化矽或氧化鍺或二氧化鍺。

所述介電材料可包括或主要是所述超導體的氧化物。

所述介電材料可包括或主要是氧化物、氮化物、氮氧化物的混合物，或半導體和氧化物、氮化物、氮氧化物的複合物，或超導體的複合物。

所述介電材料層可具有不超過5nm、不超過3nm或不超過2nm的厚度。

所述超導體可以是單一超導體，例如鋁(Al)、錫(Sn)、鈮(Nb)、釩(V)或鉭(Ta)。

根據本發明的第二方面，提供了一種裝置，包括：測輻射熱儀和被設置成測量所述測輻射熱儀的電路，所述電路包括：電壓偏置源和/或電流偏置源以及用於測量通過所述測輻射熱儀的電流和/或用於測量所述測輻射熱儀兩端的電壓的傳感器。

所述系統可包括：被配置成將所述測輻射熱儀冷卻到不超過100K的溫度的系統。所述系統可包括：被配置成將所述測輻射熱儀冷卻到不超過4.2K的溫度的製冷系統。

所述電路可被設置用於單個光子測量和/或累積測量。

根據本發明的第三方面，提供了一種裝置，包括：被支撐在公共基板上的測輻射熱儀的陣列。

所述系統可包括：被配置成將所述測輻射熱儀冷卻到不超過100K的溫度的系統。所述系統可包括：被配置成將所述測輻射熱儀的陣列冷卻到不超過4.2K的溫度的製冷系統。

所述電路可被設置用於單個光子測量和/或累積測量。

根據本發明的第四方面，提供了一種天文探測系統(即，天文學中使用的成像系統)，包括：所述測輻射熱儀或所述裝置。

根據本發明的第五方面，提供了一種生物醫學成像系統，包括：所述測輻射熱儀或所述裝置。

根據本發明的第六方面，提供了一種安全檢查系統(例如，機場中用於對乘客和/或行李進行成像)，包括：所述測輻射熱儀或所述裝置。

根據本發明的第七方面，提供了一種遙感系統(例如，用於地面的航空成像)，包括：所述測輻射熱儀或所述裝置。

根據本發明的第八方面，提供了一種量子信息處理系統，包括：所述測輻射熱儀或所述裝置。

附圖說明

現在將參照附圖，通過示例的方式，描述本發明的一些實施例，其中：

圖1是包括測輻射熱儀的探測系統的示意框圖；

圖2是超導體-絕緣體-半導體-絕緣體-超導體(S-I-Sm-I-S)結構的示意圖；

圖3是超導體-絕緣體-半導體-超導體(S-I-Sm-S)結構的示意圖；

圖4是測輻射熱儀的等距視圖；

圖5是圖4中示出的測輻射熱儀的平面圖；

圖6是沿圖5中的線A-A』的測輻射熱儀的剖面；

圖7a至圖7f圖示製造期間在不同階段的測輻射熱儀；

圖8是製造測輻射熱儀的方法的工藝流程圖；

圖9是響應度與電壓的曲線圖；

圖10是功率譜密度中的差異與頻率的曲線圖；

圖11是噪聲等效功率與電壓的曲線圖；

圖12圖示另一測輻射熱儀；

圖13圖示使用透鏡的測輻射熱儀；以及

圖14示意性地圖示包括測輻射熱儀陣列的裝置。

具體實施方式

參照圖1，示出了探測系統1，探測系統1用於測量光、紅外和/或電磁波譜的太赫茲區域中的一個或多個光子2形式的入射輻射的能量(功率)。

系統1包括測輻射熱儀3(其可以是陣列中的元件)，測輻射熱儀3使用製冷系統4(諸如閉式循環氦氣系統4)冷卻到超低溫，優選地，冷卻到0.5和2K之間。測輻射熱儀3可被提供有冷卻設備5，冷卻設備5可被集成到測輻射熱儀3中，或其在與測輻射熱儀形成的同一基板上被支撐。

使用電路6實施光子能量的測量，電路6包括電流或電壓偏置源7以及電壓或電流傳感器8，電流或電壓偏置源7可以是用於驅動恆定電流通過測輻射熱儀3的電流偏置源，或可以是用於將恆定的電壓偏置施加到測輻射熱儀3兩端的電壓偏置源，電流或電壓傳感器8可以是測量測輻射熱儀3兩端電壓的電壓計，或可以是測量流過測輻射熱儀3的電流的電流計。

測輻射熱儀3可在電流偏置模式下或電壓偏置模式下運行。

在電流偏置模式下，電流源7驅動恆定電流通過測輻射熱儀3，並且使用電壓計8測量測輻射熱儀3隨著光子能量的吸收兩端電壓的變化。

在電壓偏置模式下，電壓源7對測輻射熱儀3兩端施加固定電壓，並且測量由光子吸收引起的流過測輻射熱儀3的電流的改變。

參照圖2和圖3，測輻射熱儀3可使用超導體-絕緣體-半導體-絕緣體-超導體(S-I-Sm-S)結構91或超導體-絕緣體-半導體-絕緣體-超導體(S-I-Sm-I-S)結構92。

結構91、92包括在半導體11區域(例如，層)中形成的電子氣10，半導體11是矽、鍺或矽鍺合金。使用應變和/或量子限制(quantum confinement)，半導體11中的谷簡併度至少部分地被提升。

具體地，參照圖2，第一結構91包括超導體-絕緣體-半導體結121，超導體-絕緣體-半導體結121包括介電材料131區域和第一超導體觸點141，介電材料131與半導體11直接接觸，第一超導體觸點141與介電材料131直接接觸。結構91包括超導體-半導體結15，超導體-半導體結15包括第二超導體觸點142，第二超導體觸點142與半導體11直接接觸。

在第一結構91中，半導體11與介電材料131的界面處形成的任何耗盡區(depletion region)足夠短，和/或具有足夠低的勢壘高度，從而被認為不提供絕緣體區域。

另外參照圖3，第二結構92包括第一和第二超導體-絕緣體-半導體結121、122。每個結121、122包括對應的介電材料131、132區域以及對應的超導體觸點141、142，介電材料131、132與半導體11直接接觸，超導體觸點141、142分別與介電材料131、132直接接觸。

可省略介電材料131、132區域中的一個或兩個。因此，可通過半導體的耗盡的區域提供絕緣體。

如將在下文中更詳細地解釋的，結構的結可形成在半導體11的同一表面上。

如還將在下文中更詳細地解釋的，可直接或使用經由超導體觸點141、142，將光子能量耦合到電子氣10中。

參照圖4、圖5和圖6，現在將更詳細地描述使用超導體-絕緣體-半導體-絕緣體-超導體(S-I-Sm-I-S)結構92的測輻射熱儀3。

測輻射熱儀3包括基板16、覆蓋基板16的第一緩衝層17、覆蓋第一緩衝層17的、部分刻蝕的第二緩衝層18、以及支撐在第二緩衝層18上的半導體區域11。半導體區域11採用應變矽的圖案化的層(或「島」)的形式，應變矽具有提供二維電子氣10(圖3)的嵌入式德爾塔摻雜(delta-doped)層19。矽層11具有大約10％的鍺等效應變(其被定義成歸因於10％Ge含量的鬆弛矽鍺合金層的應變，並且等於大約0.42％的晶格失配(lattice mismatch))。但是，矽層11可具有更大值的等效應變，例如，高達75％。第二緩衝層18的未刻蝕的部分以及應變矽層11通常形成臺面20(圖6中最佳示出)。

厚介電層21(本文還稱為「鈍化層」)覆蓋第二緩衝層18的部分刻蝕的部分以及臺面20。厚介電層21具有應變矽層11的相對側的臺面20頂上的第一和第二窗221、222(圖5中最佳示出)。在窗141、142中(圖6中最佳示出)，第一和第二薄介電層131、132形成在厚介電層21中的窗221、222中的應變矽層11的頂上。可省略第一和/或第二薄介電層131、132。

在此示例中，超導體雙槽天線形式的超導體天線23覆蓋介電層21、131、132。但是，可使用其他天線結構。此外，不需要使用天線將光子能量耦合到電子氣10中。可使用其他形式的耦合。

具體地，參照圖6，天線23的第一區域和第二區域分別提供經由薄介電區域131、132到矽層11的第一觸點和第二觸點141、142。應變矽層11、第一介電區域131以及第一超導體區域141形成第一超導隧道結121。應變矽層11、第二介電區域132以及第二超導體區域142形成第二超導隧道結122。

基板16採用單晶(001)-取向矽晶片(silicon wafer)或晶粒(wafer die)的形式。但是，矽晶片或晶粒可具有其他取向。第一緩衝層17採用矽鍺(Si1-xGex)漸變層的形式，其中，鍺含量x沿生長軸z增長，第二緩衝層12採用矽鍺(Si1-xGex)的部分刻蝕層的形式，其中，鍺含量x至少為0.2。鍺含量x可在大約0.2和0.5之間，優選地，在0.2和0.3之間。應變矽層11具有約30nm的厚度，且德爾塔摻雜層19採用具有不超過3nm的半寬度厚度、且具有約1013cm–2的區域摻雜密度的磷層的形式。矽層11可具有10nm和100nm之間的厚度。德爾塔摻雜層19距離矽層11的上表面幾納米形成。厚介電層21由具有約200nm厚度的二氧化矽(SiO2)層形成。薄介電區域131、132包括具有少於3nm厚度的二氧化矽(SiO2)和/或三氧化鋁(Al2O3)。並且提供超導觸點131、132的超導天線23由鋁(Al)形成。

如圖4和圖5中示出的，天線23形成具有一組槽的圖案，該組槽包括第一和第二面向外面的『C』型槽241、242以及限定第一和第二天線引線部分261、262的交叉連接槽25。第一觸點區域和第二觸點區域141、142被布置於接近引線部分261、262的末端。第一窄槽和第二窄槽271、272將天線23分成在直流偏置下彼此隔離的第一部分和第二部分231、232。

具體地，參照圖5，矽層11在平面圖中可以是矩形，具有第一邊長和第二邊長s1,s2。各邊可相等，即s1＝s2＝s。各邊長可在10nm和10μm之間的範圍中，即，10nm≤{s1,s2}≤10μm。

測輻射熱儀3的輸出阻抗是大約50Ω。

參照圖7a至圖7f以及圖8，現在將描述製造測輻射熱儀3的方法。

具體地，參照圖7a，通過使用化學氣相沉積或分子束外延，在矽基板16上生長外延半導體層17、18』、11』、19』來製備異質結構30(步驟S1)。異質結構30包括矽鍺合金(Si1-xGex)漸變層17、矽鍺合金(Si1-xGex)應變鬆弛緩衝18』、然後是矽層11』，矽層11』包含德爾塔摻雜層(也稱為「德爾塔層」)形式的薄的簡併摻雜層19』。

光刻膠層(未示出)應用到異質結構30的上表面31，曝光並顯影，以提供掩膜(未示出)(步驟S2)。掩膜(未示出)限定要保留的區域。

在未掩膜區域(未示出)中，使用等離子幹法刻蝕去除應變矽層11』以及下面的緩衝層18』的部分(步驟S3)。在此示例中，四氟化碳(CF4)和氧氣(O2)的10：1的混合物用於在30毫託(4Pa)的壓力以及100W的功率下刻蝕。

具體地，參照圖7b，刻蝕限定了包括應變矽島11的臺面20，應變矽島11在德爾塔摻雜層19中具有固定體積的電子氣10，並且留出部分刻蝕的矽鍺層18的上表面和側表面32、33以及應變矽層11的上表面和側表面34、35。

具體地，參照圖7c，沉積氧化矽(或「鈍化層」)的共形層21』(例如，通過化學蒸汽沉積來沉積)以保護應變矽層11的上表面和側表面34、35(步驟S4)。鈍化層21』允許限定觸點窗221、222，以及在形成隨後沉積的鋁層23』的圖案(圖7f)時使用等離子體幹法刻蝕，而不會損壞下面的矽。

光刻膠層(未示出)應用到鈍化層21』的上表面36，曝光並顯影，以提供掩膜(未示出)(步驟S5)。掩膜(未示出)限定要保留的區域。

使用溼法刻蝕去除鈍化層21』的未掩膜的區域(未示出)(步驟S6)。在此示例中，緩衝氫氟酸用作蝕刻劑。

具體地，參照圖7d，刻蝕限定鈍化層21中的窗221、222。

通過沉積並形成鋁層23』的圖案(圖5f)來製成到11的觸點。使用工藝從而通過加熱至高溫來清洗矽表面，並且隨後，在沉積鋁層23』之前立即在真空腔(未示出)中氧化該矽表面。

具體地，參照圖7e，在真空中將工件37加熱到550℃(步驟S7)，並且隨後，通過幹氧化，在鈍化層21中的窗22、222中的矽層的表面34處形成薄的二氧化矽層131、132(步驟S8)。但是，可省略氧化步驟。

具體地，參照圖7f，在薄氧化層131、132以及鈍化層21的表面36的上方沉積鋁層23』，例如通過濺射形成(步驟S9)。

光刻膠層(未示出)應用於鋁層23』的上表面37，曝光並顯影(步驟S10)。使用等離子刻蝕去除鋁層23』的未掩膜的區域(未示出)(步驟S11)。

在圖6中示出最終結構。

參照圖1至圖6，利用電子氣10作為吸收體的測輻射熱儀3能夠比使用金屬吸收體的測輻射熱儀表現出一種或更多的優勢。

首先，與常規金屬中的電子相比，矽(或鍺)中的電子可具有到晶格的更弱的熱連結。

其次，使用薄摻雜層(特別地，德爾塔摻雜層)能夠產生具有小熱容量的小體積的電子。

這些中的每個都能夠提高靈敏度和響應度。

此外，薄介電層(例如，二氧化矽層)的形成能夠提高測輻射熱儀的冷卻能力。

使用類似於上文中描述但具有未應變的、未摻雜的矽吸收體且不包括薄二氧化矽層的測輻射熱儀進行實驗。天線被設計成將150GHz(0.15THz)輻射耦合到吸收體。此頻率的輻射通常被認為是低能量，且對輻射探測器提出了要求。

圖9、圖10和圖11中示出了電流偏置模式下、220mK的測輻射熱儀的結果。這些結果取自熱電子模式下運行的測輻射熱儀。

具體地，參照圖9，測輻射熱儀表現出108VW–1量級(對應於最大的電子-冷卻)的峰值響應度。

具體地，參照圖10，測輻射熱儀表現出小於1.5微秒的響應時間。

最後，參照圖11，測輻射熱儀表現出5×10–18WHz–0.5的(黑)噪聲等效功率(NEP)。

這些結果不亞於現有的基於金屬的測輻射熱儀。由於應變矽層、薄摻雜層(特別地，德爾塔摻雜層)以及半導體-絕緣體-超導體隧道結，圖1至圖6中圖示的測輻射熱儀3預計會表現出更好的特性。

如之前提到的，應變可用於提升谷簡併度。此外或可替代地，量子限制可用於提升谷簡併度。

參照圖12，示出類似於參照圖3、圖4和圖5描述的測輻射熱儀3』，但測輻射熱儀3』的不同之處在於其使用倒置調製摻雜異質結構41以形成二維電子氣10。

異質結構41包括p型矽基板42以及(按照從基板42開始的順序)具有從0增加到0.4的鍺含量的1μm厚的未摻雜(ND＝1×1016cm–3)矽鍺合金漸變層43、具有0.4的鍺含量的10nm厚的未摻雜矽鍺合金層44、具有0.4的鍺含量的50nm厚的摻雜(ND＝6×1018cm–3)矽鍺合金層45、具有0.4的鍺含量的3nm厚的未摻雜矽鍺合金層46以及5nm厚的未摻雜(ND＝1×1016cm–3)矽層47。這在矽層47中產生形成『V』型勢壘(potential)48的導帶邊緣ECB，在矽層47中，二維電子氣10接近費米能級EF形成，且矽層47具有大約1×1011cm–2的薄層載流子(sheet carrier)濃度。

在之前給出的示例中，天線結構用於將光子能量耦合到電子氣10中。但是，光子能量可直接耦合到電子氣10中。

參照圖13，測輻射熱儀3可被提供有例如透鏡51，其被設置成將入射輻射2聚焦到電子氣10上。可省略天線結構，但仍使用超導觸點141、142。

參照圖14，示出了測輻射熱儀3、3』的(n×m)陣列58。

陣列58可在公共基板59(即，矽基板)上形成，且可包括處理電路60、用於單獨尋址每個測輻射熱儀3、3』的行和列解碼器、放大器和處理器。陣列58可包括1000×1000或更多個測輻射熱儀3。

根據特定應用要求的性能，基於鋁的測輻射熱儀3可在不同的光子溫度處運行。可使用閉循環鍵4He/3He系統並使用S-I-Sm隧道結來獲得300mK光子溫度，以將吸收體進一步冷卻到例如30mK。

可使用更簡單的1K平臺並使用S-I-Sm隧道結來冷卻基於釩的測輻射熱儀3，以將吸收體進一步冷卻到例如300mK或更低。

測輻射熱儀3以及測輻射熱儀陣列58可用在各種不同的應用中，包括天文探測、生物醫學成像、安全檢查、遙感和量子信息處理。

將理解，可對上文中描述的多個實施例進行許多修改。

可省略介電層。因此，絕緣體可採用非簡併摻雜半導體區域的形式，例如，被耗盡的未摻雜或低摻雜的半導體，其被插入到超導體和非簡併摻雜半導體之間，例如，德爾塔摻雜層。

如果使用應變矽，則矽可具有10％和75％之間的等效應變值。

不必將矽應變層用作半導體。相反地，可使用鍺(Ge)或矽鍺合金應變層。

電子氣不必是二維電子氣，可使用薄的三維電子氣。可使用其他薄的、高摻雜的摻雜分布。

不必將鋁用作超導體。相反地，可使用諸如錫(Sn)、鈮(Nb)、釩(V)或鉭(Ta)之類的其他超導材料。

不必將二氧化矽用作薄介電層。

各層可具有規定的那些厚度之外的厚度。可通過常規實驗找出合適的厚度。