CN102509728A - 一种非制冷红外探测器的设计及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非制冷红外探测器的设计和制备方法，特别是关于一种基于单晶硅PN结温度特性的多波段非制冷红外探测器的设计和制备。本发明所提供的红外探测器由红外焦平面阵列、支撑焦平面阵列的衬底以及位于上述衬底上的驱动和读出电路组成；其中，PN结作为红外探测器中温度敏感单元设置在焦平面阵列的像元内，将吸收的热能转化成电压信号输出；设置于像元上的红外吸收结构层用于实现吸收不同波段的红外辐射；焦平面阵列信号最终由读出电路输出。本发明提供的红外探测器可实现非制冷工作和多波段红外探测。

Description

一种非制冷红外探测器的设计及制备方法

技术领域

本发明涉及一种非制冷红外探测器的设计和制备方法，特别是关于一种基于单晶硅PN结温度特性的多波段非制冷红外探测器的设计和制备。

技术背景

随着近代科学的发展，人们认识到，温度不为绝对零度的物体都会辐射电磁波，室温下大部分物体辐射波处在红外波段。于是，红外辐射成像方式成为一种全新的探测方式，不仅可以摆脱黑暗的困扰，甚至可以消除烟雾的影响。二战以后，由于反空导弹系统的需要，红外探测器才真正的发展起来。从起初的多晶铅盐制备的红外探测器，到后来以各种窄能带间隙的半导体化合物为材料制备的红外探测器，都极大的促进了该领域的进步。与此同时，由于军用夜视的需要，红外成像设备也成为重要的研究方向。红外成像设备视距远，受天气影响小，识别伪装能力强。在工业应用上，如：铁水、钢水液面检测、石油管漏油检查、供电原部件过热检查，集成电路热故障分析等；军事应用上，如：红外夜视、红外制导、红外侦察、红外火控、红外雷达、红外通信、红外隐形等技术在现代战争中发挥着极其重要的作用；另外，在医疗热成像诊断、森林防火、空海救援、污染监测和资源勘探方面都有广泛应用。

由于红外辐射是以电磁波，也即光子的形式来进行能量传输的，因而红外探测器根据不同工作原理大致分为两类：一种是基于特定材料中的光子-电子相互作用，称为光子探测器；另一种是基于特定材料吸收红外辐射后材料的温度发生改变，称为热探测器。在目前的高端红外成像系统中，主要采用红外光子探测器，因为它无论在灵敏度、响应速度等方面，都优于热探测器。但是，为了能够使器件能够工作在红外波长范围且抑制热噪声，必须将器件冷却到较低的温度(一般为液氮温度77K)。一般来说，光子探测器的制冷部分不仅体积十分笨重而且价格相当昂贵，不利于设备的集成化，小型化，价格仍然较高，难以广泛应用。相比于光子型红外探测器，热探测器则拥有其不可替代的优势和巨大的应用潜力，热探测器可以于室温下运行，成本低，易于小型化，热探测器在最近几年里已经引起了工业界、学术界、军事界等多方面的关注。热探测器的工作原理是，吸收入射红外辐射，引起器件或材料温度变化，再转变成一定的物理量，而达到红外探测的目的。无论是使用具有很好电阻温度系数的VO_x材料制备微测热辐射计，还是采用BaSrTiO(BST)这类具有很好热释电特性的材料制备红外探测器，尽管这些材料都能将红外辐射很好的转换成电学特性(电阻、电压变化等)进行感应和测量，但是这些材料以及制备方法有一个致命的缺点，就是与传统的硅微加工工艺不兼容。这严重限制了红外探测器的小型化和集成化。且这类探测器的探测灵敏度、响应速度有限，主要工作8-14μm的长波红外波段。

单晶硅PN结的制备技术在半导体制造中已经相当成熟和完善，同时它也具备十分优越的温度特性，可以用于作为红外探测器中的温度敏感单元。在理想PN结模型情况下，流过PN结的电流密度J和施加在结两端的电压V之间的关系如下：

$J=J_S[\exp \left(\frac{\mathrm{qV}}{\mathrm{kT}}\right)-1]---\left(1\right)$

其中，J_S为饱和电流密度，q为电子电荷量，k为波尔兹曼常数，T为绝对温度，(1)式在正常偏压情况下

远远大于1，故可以写为：

$J\≈J_S\exp \left(\frac{\mathrm{qV}}{\mathrm{kT}}\right)---\left(2\right)$

$J_S=q\frac{D_p}{L_p}{p}_{n0}+q\frac{D_n}{L_n}{n}_{p0}---\left(3\right)$

(3)式中D_p和D_n分别为空穴扩散系数和电子扩散系数，L_p和L_n分别为空穴扩散长度和电子扩散长度，p_n0为N区空穴平衡浓度，n_p0为P区电子平衡浓度。根据半导体物理理论，在PN结为突变结的情况下(假设N_D＞＞N_A)，可推导出：

$J_S={\mathrm{GT}}^{(3+\mathrm{\γ}/2)}\exp (-\frac{\mathrm{Eg}}{\mathrm{kT}})---\left(4\right)$

(4)式中，G为与温度无关的常数，γ也为一常数。将(4)式代入(1)中，然后将关系式进行等价变换可以得到下式：

$V=\frac{\mathrm{Eg}+\mathrm{kT}\ln \frac{J}{{\mathrm{GT}}^{(3+\mathrm{\γ}/2)}}}{q}---\left(5\right)$

对PN结施加恒定电流I₀情况下，(5)式中V对T求导，可以得到：

$\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dT}}=\frac{k}{q}(\ln \frac{J_0}{{\mathrm{GT}}^{(3+\mathrm{\γ}/2)}}-3-\frac{\mathrm{\γ}}{2})---\left(6\right)$

根据式(6)可以看出，PN结在恒定电流偏置输入情况下，其输出电压V与温度T呈现近似线性关系，因此PN结可以作为红外探测器中温度敏感单元，能将热能转化成电压信号输出，并对其进行了近似线性的量化，可以作为十分优越的红外敏感单元。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于单晶硅PN结温度特性的多波段、非制冷红外探测器的设计及制备方法。所述红外探测器由红外焦平面阵列(FPA)、支撑焦平面阵列的衬底以及位于上述衬底上的驱动和读出电路和垂直移位寄存器组成；

所述焦平面阵列由多个像元组成，每个像元结构完全相同；所述焦平面阵列可以是一维线阵型和二维阵列型，可有1×64、1×128、1×256、1×512、1×1024、64×64、128×128、256×256、512×512、1024×1024等像元数；

所述像元由主结构层、红外吸收结构层、温度传感器、热隔离支撑结构、电互连引线组成；所述像元是悬空结构，通过热隔离支撑结构固支在衬底上，用于防止热量流失；

所述主结构层由一层或多层半导体介质材料组成，如氮化硅薄膜、二氧化硅薄膜、碳化硅薄膜等半导体介质材料，用于支撑和隔离红外吸收结构层和温度传感器；所述主结构层可以兼作全部或部分红外吸收层，形状可以为长方形、正方形或者圆形；所述主结构层的面积可以是100μm²～1mm²，在保证整个焦平面阵列尺寸最小的同时，应使主结构层面积最大，以吸收更多红外辐射；

所述红外吸收结构层为吸收红外辐射并将其转化成为热能形式进而传递给温度传感器的结构。所述红外吸收结构层可以是主结构层，或者与一层或多层高红外吸收效率的薄膜材料叠加形成红外吸收层，如采用吸收红外辐射的黑金属、薄金属层、碳纳米管等与半导体介质材料组成的叠层薄膜；所述红外吸收结构层的位置可设置在主结构层上面、下面或中间，尺寸可与主结构层一致，需保证尽可能高的红外吸收效率和尽可能小的焦平面阵列尺寸；

为提高红外吸收结构层的吸收效率，并实现不同波段的红外探测，在所述红外吸收结构层上可以设置表面等离子体增强共振吸收结构，该结构可以是一维光栅结构、二维光栅结构、二维表面拓扑结构等，表面等离子体增强共振吸收结构采用金属材料制备。入射红外波通过等离子体增强共振吸收结构在金属界面处产生耦合，实现具有频率选择性的定域电场增强；所述表面等离子体增强共振吸收结构的特征尺寸根据探测波长的要求设计为亚波长；所述红外吸收结构层可以吸收0.8-2.5um的短波红外、3-5um的中波红外、以及8-14um的长波红外辐射，使该探测器能进行多个波段红外辐射的探测；

所述温度传感器由1个或数个串联的PN结组成，通过一层隔离介质层粘附于红外吸收结构上面或下面。PN结可以是横向PN结，也可以是纵向PN结，多个PN结之间通过PN结串联引线进行串联。红外焦平面阵列吸收红外辐射引起PN结温度变化，导致PN结的输出电压发生变化，读出电路读出FPA上PN结的电压变化及分布，从而探测红外辐射。

所述热隔离支撑结构为多层结构，下层为一层或多层较小热导率的半导体介质层材料，中间层是电互连引线，上层由一层或多层较小热导率的半导体介质层材料组成。所述热隔离支撑结构材料可以与主结构层材料一致，可以是氮化硅、氧化硅、碳化硅等；所述热隔离支撑结构可设计成一折或多折的细长支腿形式，用于提高焦平面阵列像元与衬底间的热隔离效率，减小相邻像元之间和像元与衬底间的热传递；

所述电互连引线的一端与所述温度传感器相连，另一端与所述衬底上的驱动和读出电路相连；所述电互连引线为金属或金属硅化物材料，位于热隔离支撑结构层中间，用于实现温度传感器与衬底上的驱动和读出电路的电连接；

所述衬底上的驱动和读出电路位于衬底上，用于对温度传感器进行驱动、采样和信号放大。红外焦平面阵列由规则的像元行列组成，每个像元可通过行寻址寄存器和列寻址寄存器对阵列式温度传感器信号逐一进行串行处理。如果阵列规模较大，可以设置多个差分放大器，对器件信号进行并行处理。信号处理采用下述方法：通过行寻址寄存器将某行像元选中，然后逐列读出选中行上像元的输出电压，通过栅调制积分器将读出电压放大，并且存储于取样保持电路，待整行像元输出电压全部读取完毕，再进行下一行像元电压的读取，当所有像元数据全部读取完毕，再对整个焦平面阵列数据进行处理并且成像；所述电路可采用通用数模混合电路设计和标准CMOS工艺制备；

为实现上述目的，本发明提供了一种基于单晶硅PN结温度传感器的非制冷红外探测器的制备方法：该方法采用SOI硅片作为加工基片，SOI硅片的器件层作为有源区制备温度传感器和驱动和读出电路，在温度传感器基本制备完成后制备红外吸收结构层，最后利用SOI硅片的埋氧层作为主结构层制备得到PN结型红外探测器。对于探测器中用到的驱动和读出电路，可用标准的CMOS工艺制备完成，由于本设计的MEMS工艺步骤与CMOS工艺完全兼容，所以实际制备中，焦平面阵列上温度传感器的制备可与驱动和读出电路中CMOS器件的制备同时进行；

一种基于单晶硅PN结温度特性的多波段非制冷红外探测器的焦平面阵列制备方法，包手下列步骤：

1)采用SOI基片作为加工基片，第一次光刻，光刻胶作为掩膜，刻蚀单晶硅器件层，只留下PN结有源区的器件层区域；

2)低压化学气相沉积法在SOI基片正面淀积一薄层二氧化硅，进行离子注入，退火使注入的离子在器件层扩散均匀分布，形成PN结的N区，也可以形成P区；

3)第二次光刻，再一次离子注入形成PN结，若第2)步中离子注入形成的是PN结的N区，则本步中则注入离子形成P区；若第2)步中离子注入形成的是PN结的P区，则本步中则注入离子形成N区。注入完成之后，去除步骤2)中生成的薄层二氧化硅，可以通过湿法腐蚀，也可以通过干法刻蚀的方式；

4)在基片正面生成二氧化硅，作为介质隔离层，第三次光刻，去除二氧化硅获得PN结电互连孔以及热隔离支撑结构上的电互连引线与像元的接触孔，可以通过湿法腐蚀，也可以通过干法刻蚀的方式，对形成的接触孔进行离子注入，在接触孔处形成欧姆接触；

5)低压化学气相沉积法淀积一层多晶硅，对其进行离子注入和高温激活，第四次光刻，光刻胶作掩膜，正面刻蚀多晶硅形成PN结电互连引线；基片正面溅射金属，该金属可以是Co、W等，快速退火形成金属硅化合物，除去没有与硅反应的金属，形成金属硅化合物电互连引线；采用湿法腐蚀或者干法刻蚀的方式去除基片背面多晶硅，以备形成背腔

6)低压化学气相沉积工艺形成低应力的介质薄膜，材料可以是氮化硅薄膜、二氧化硅薄膜、碳化硅薄膜；第五次光刻，光刻胶做掩膜，刻蚀正面低应力介质薄膜，形成热隔离支撑结构、像元以及像元与外部电互连引线的接触孔部分：

7)基片正面先溅射红外吸收层材料，再生长金属薄层作为电学电互连引线使用，金属电互连引线可以是Au、Al、W或者Cu等材料；

8)工艺面为基片背面，对其进行第六次光刻，光刻胶作为掩膜，通过湿法或干法的方式去除步骤6)中采用低压化学气相沉积工艺在基片背面生成的介质薄膜，获得背腔腐蚀窗口，再通过各向异性湿法腐蚀的方式，也可以通过干法深刻蚀的方式，去除部分衬底单晶硅获得隔热背腔，为防止基片碎裂，不腐蚀穿通硅衬底，留有定余厚；

9)工艺面为基片正面，对其进行第七次光刻，腐蚀7)中生长的金属薄层材料，获得像元与外部电路的电互连引线；

10)工艺面为基片正面，对其进行第八次光刻，图形化红外吸收层材料，可以通过干法，也可以通过湿法工艺去除多余的红外吸收层材料获得红外探测器的红外吸收结构层；

11)通过湿法腐蚀或者干法刻蚀的方式去除热隔离支撑结构下面的二氧化硅，直至衬底硅的上表面，再对基片进行划片，最后各向异性湿法腐蚀或者干法方式刻蚀衬底硅，将步骤8)中未穿通的衬底硅腐蚀或者刻蚀穿通。

本发明基于PN结温度特性的非制冷红外探测器有如下优势：

1、本发明利用单晶硅PN结作为温度传感器，PN温度传感器可以在常温下正常工作，因此探测器可以实现非制冷工作。

2、在红外焦平面阵列像元上设置了对0.8～2.5μm、3～5μm以及8～14μm多波段红外辐射同时有着良好吸收效率的红外吸收结构，可以进行不同波段的红外辐射探测。

3、红外焦平面阵列像元采用PN结作为温度传感器，利用了PN结的温度敏感效应，在恒流情况下，PN结输出电压随温度变化呈近似线性关系，在保证探测器具有很高灵敏度的同时，便于电路设计。

4、本发明所涉及的工艺步骤以及工艺中使用的材料完全与IC工艺兼容，且制备方法简单、成本低。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明基于单晶硅PN结温度特性的非制冷红外探测器单个探测像元俯视结构示意图；

图2是本发明基于单晶硅PN结温度特性的非制冷红外探测器单个探测像元剖面结构示意图；

图3是本发明基于单晶硅PN结温度特性的红外焦平面探测器三维结构示意图；

附图中相同的附图标记代表相同的部件。

其中：

1-红外焦平面阵列        2-衬底

3-驱动和读出电路        4-垂直移位寄存器

5-像元                  6-主结构层

7-红外吸收结构层        8-温度传感器

9-热隔离支撑结构        10-电互连引线

11-PN结串联引线         12-SOI埋氧层

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的结构及制备方法作详细描述

所述红外探测器由红外焦平面阵列(1)、支撑焦平面阵列的衬底(2)以及位于上述衬底上的驱动和读出电路(3)和垂直移位寄存器(4)组成；

所述红外焦平面阵列(1)由多个像元(5)组成，每个像元(5)结构完全相同；所述红外焦平面阵列(1)可以是一维线阵型和二维阵列型，可有1×64、1×128、1×256、1×512、1×1024、64×64、128×128、256×256、512×512、1024×1024等像元数；

所述像元由主结构层(6)、红外吸收结构层(7)、温度传感器(8)、热隔离支撑结构(9)、电互连引线(10)组成；所述像元(5)是悬空结构，通过热隔离支撑结构(9)固定在衬底上，用于防止热量流失；

所述主结构层(6)由一层或多层半导体介质材料组成，如氮化硅薄膜、二氧化硅薄膜、碳化硅薄膜等半导体介质材料，用于支撑和隔离红外吸收结构层(7)和温度传感器(8)；所述主结构层(6)可以兼作全部或部分红外吸收层；形状可以为长方形、正方形或者圆形。所述主结构层(6)的面积可以是100μm2～1mm2，在保证整个红外焦平面阵列(1)尺寸最小的同时，应使主结构层(6)面积最大，以吸收更多红外辐射；

所述红外吸收结构层(7)为吸收红外辐射并将其转化成为热能形式进而传递给温度传感器(8)的结构。所述红外吸收结构层(7)可以是主结构层(6)，或与一层或多层高红外吸收效率的薄膜材料叠加形成，如采用吸收红外辐射的黑金属、薄金属层、碳纳米管等；所述红外吸收结构层(7)的位置可设置在主结构层(6)上面、下面或中间，尺寸可与主结构层(6)一致，需保证尽可能高的红外吸收效率和尽可能小的红外焦平面阵列(1)尺寸；

为提高红外吸收结构层(7)的吸收效率，并实现不同波段的红外探测，在所述述红外吸收结构层(7)上可以设置表面等离子体增强共振吸收结构，该结构可以是一维光栅结构、二维光栅结构、二维表面拓扑结构等，表面等离子体增强共振吸收结构采用金属材料制备。入射红外波通过等离子体增强共振吸收结构在金属界面处产生耦合，实现具有频率选择性的定域电场增强；所述表面等离子体增强共振吸收结构的特征尺寸根据探测波长的要求设计为亚波长；所述红外吸收结构层(7)可以吸收0.8-2.5um的短波红外、3-5um的中波红外、以及8-14um的长波红外辐射，使该探测器能进行多个波段红外辐射的探测；

所述温度传感器(8)由1个或数个串联的单晶硅PN结组成，通过一层主结构层(6)粘附于红外吸收结构层(7)上面或下面。单晶硅PN结可以是横向PN结，也可以是纵向PN结，多个PN结之间通过PN结串联引线(11)进行串联。红外焦平面阵列(1)吸收红外辐射引起PN结温度变化，导致PN结的输出电压发生变化，驱动和读出电路(4)读出红外焦平面阵列(1)上PN结的电压变化及分布，从面探测红外辐射。

所述热隔离支撑结构(9)为多层结构，下层为一层或多层较小热导率的半导体介质层材料，中间层是电互连引线(10)，上层由一层或多层较小热导率的半导体介质材料组成。所述热隔离支撑结构(9)材料可以与主结构层(6)材料一致，可以是氮化硅、氧化硅、碳化硅等；所述热隔离支撑结构可设计成一折或多折的细长支腿形式，用于提高焦平面阵列像元与衬底间的热隔离效率，减小相邻像元之间和像元与衬底间的热传递；

所述电互连引线(10)的一端与所述温度传感器(8)相连，另一端与所述衬底上的驱动和读出电路(3)以及垂直移位寄存器(4)相连；所述电互连引线(10)为金属或金属硅化物材料，位于热隔离支撑结构(9)中间，用于实现温度传感器(8)与衬底上的驱动和读出电路(3)以及垂直移位寄存器(4)的电连接；

所述衬底上的驱动和读出电路(3)以及垂直移位寄存器(4)位于衬底上，用于对温度传感器进行驱动、采样和信号放大。红外焦平面阵列由规则的像元行列组成，每个像元可通过行寻址寄存器和列寻址寄存器对阵列式温度传感器信号逐一进行串行处理。如果阵列规模较大，可以设置多个差分放大器，对器件偏号进行并行处理。信号处理采用下述方法：通过行寻址寄存器将某行像元选中，然后逐列读出选中行上像元的输出电压，通过栅调制积分器将读出电压放大，并且存储于取样保持电路，待整行像元输出电压全部读取完毕，再进行下一行像元电压的读取，当所有像元数据个部读取完毕，再对整个焦平面阵列数据进行处理并且成像；所述电路可采用通用数模混合电路设计和标准CMOS工艺制备；

具体实例：

1)采用SOI基片作为加工基片，器件层厚度

埋氧层厚度

Si衬底厚度525μm。第一次光刻，光刻胶作掩膜，刻蚀器件层Si，形成PN结有源区；

2)低压化学气相淀积厚度为

的SiO₂，对基片的正面进行硼离子注入，注入能量为50KeV，注入浓度在1×10¹³/cm³，在1050℃下退火4小时，使注入的B离子在器件层内均匀扩散，形成PN结的P区；

3)第二次光刻，光刻胶作掩膜，图形化PN结的N区，进行磷离子注入，注入能量在80KeV，注入浓度在1×10¹⁵/cm³，湿法腐蚀去除步骤2)电生成的薄层SiO₂；

4)低压化学气相沉积SiO₂，厚度为

第三次光刻，光刻胶作掩膜，湿法腐蚀SiO₂，获得PN结串联线的电互连孔以及热隔离支撑结构上的电互连引线与红外探测单元的连接孔，磷离子注入形成欧姆接触，离子注入浓度在5×10¹⁵/cm²，离子注能量为50KeV；

5)低压化学气相沉积多晶硅，厚度为

磷离子注入，注入浓度在2×10¹⁵/cm³，注入能量为50KeV；第四次光刻，光刻胶作掩膜，干法刻蚀多晶硅，形成PN结串联以及电互连引线，在1050℃下退火10秒，注入激活；

6)基片正面溅射Co，厚度为

快速退火形成Si-Co化合物，退火条件为600℃，1min，腐蚀去除Co，再在850℃下退火1min，形成Si-Co化合物；

7)在基片正面等离子体增强化学气相沉积法生长SiC，厚度为

作为支撑结构层；基片背面用同样的方法生长SiC，厚度为1μm，用作背腔腐蚀的掩膜。工艺面为基片正面，进行第五次光刻，光刻胶作掩膜，刻蚀SiC，获得热隔离支撑结构，以及和Si-Co化合物与外围电路的连接引线孔；

8)正面分别先后溅射W和Au，W厚度为

Au厚度为其中W用为红外吸收层和Au的粘附层，Au用于作为电互连引线；

9)基片正面进行涂胶保护，基片背面进行第六次光刻，刻蚀1μm的SiC形成背腔腐蚀窗口，KOH湿法腐蚀Si衬底，为保证基片在后续工艺中不碎裂，腐蚀Si衬底厚度480μm；

10)工艺面为基片正面，第七次光刻，图形化Au电学，腐蚀Au，获得像元与电路间的电互连引线；

11)工艺面为基片正面，第八次光刻，腐蚀W，形成焦平面阵列像元上的红外吸收结构，基片正面涂胶保护，对其进行划片。继续湿法离蚀步骤9余下的硅衬底，释放致所有像元结构。

至此制备完成基于单晶硅PN结温度特性的非制冷红外焦平面阵列。

Claims (11)

1.一种基于单晶硅PN结温度特性的多波段、非制冷红外探测器，其特征在于：所述红外探测器由红外焦平面阵列(FPA)、支撑焦平面阵列的衬底以及位于上述衬底上的驱动和读出电路组成。

2.如权利要求1所述的红外焦平面阵列，其特征在于：是多个结构完全相同的像元阵列；所述焦平面阵列可以是一维线阵型和二维阵列型，可有1×64、1×128、1×256、1×512、1×1024、64×64、128×128、256×256、512×512、1024×1024等像元数。

3.如权利要求2所述的红外焦平面阵列，其特征在于：所述像元由主结构层、红外吸收结构层、温度传感器、热隔离支撑结构、电互联引线组成；所述像元是悬空结构，通过热隔离支撑结构固支在衬底上。

4.如权利要求3所述的红外焦平面阵列，其特征在于：所述主结构层由一层或多层半导体介质材料组成，如氮化硅薄膜、二氧化硅薄膜、碳化硅薄膜等半导体介质材料，用于支撑和隔离红外吸收结构层和温度传感器；所述主结构层可以兼作全部或部分红外吸收层；所述主结构层形状可以是长方形、正方形或者圆形，面积可以是100μm²～1mm²，在保证整个焦平面阵列尺寸最小的同时，应使主结构层面积最大，以吸收更多红外辐射。

5.如权利要求3所述的红外焦平面阵列，其特征在于：所述红外吸收结构层为吸收红外辐射并将其转化成为热能形式进而传递给温度传感器的结构。所述红外吸收结构层可以是主结构层，或与一层或多层高红外吸收效率的薄膜材料叠加形成红外吸收层，所述薄膜材料可以是黑金属、薄金属层、碳纳米管等吸收红外辐射的材料；所述薄膜材料的位置可设置在主结构层上面、下面或中间，尺寸及形状可与主结构层基本一致。

6.如权利要求3所述的红外焦平面阵列，其特征在于：为提高红外吸收结构层的吸收效率，并实现不同波段的红外探测，在所述红外吸收结构层上可以设置表面等离子体增强共振吸收结构，该结构可以是一维光栅结构、二维光栅结构、二维表面拓扑结构等，表面等离子体增强共振吸收结构采用金属材料制备。所述表面等离子体增强共振吸收结构的特征尺寸根据探测波长的要求设计，为亚波长；所述红外吸收结构层可以吸收0.8-2.5um的短波红外、3-5um的中波红外、以及8-14um的长波红外辐射，使该探测器能进行多个波段红外辐射的探测。

7.如权利要求3所述的红外焦平面阵列，其特征在于：所述温度传感器由1个或数个串联的PN结组成，通过一层隔离介质层粘附于红外吸收结构上面或下面。所述PN结可以采用单晶硅、多晶硅等材料制备，可以是横向PN结，也可以是纵向PN结，多个PN结之间通过电互连引线进行串联。

8.如权利要求3所述的红外焦平面阵列，其特征在于：所述热隔离支撑结构为多层结构，下层和上层为一层或多层由较小热导率的半导体介质层材料组成，中间层是电互联引线。所述热隔离支撑结构材料可以与主结构层材料一致，可以是氮化硅、氧化硅、碳化硅等；所述热隔离支撑结构可设计成一折或多折的细长支腿形式，用于提高焦平面阵列像元与衬底间的热隔离效率，减小相邻像元之间以及像元与衬底间的热传导。

9.如权利要求3所述的红外焦平面阵列，其特征在于：所述电互联引线的一端与所述温度传感器相连，另一端与所述衬底上的驱动和读出电路相连，用于实现温度传感器与衬底上的驱动和读出电路的电连接；所述电互联引线为金属或金属硅化物材料，位于热隔离支撑结构层中间。

10.如权利要求1所述的红外焦平面阵列，其特征在于：所述驱动和读出电路位于衬底上，用于对温度传感器进行驱动、采样和信号放大。红外焦平面阵列由规则的像元行列组成，每个像元可通过行寻址寄存器和列寻址寄存器对阵列式温度传感器信号逐一进行串行处理。信号处理采用下述方法：通过行寻址寄存器将某行像元选中，然后逐列读出选中行上像元的输出电压，通过栅调制积分器将读出电压放大，并且存储于取样保持电路，待整行像元输出全部读取完毕，再进行下一行像元信号的读取，当所有像元数据全部读取完毕，再对整个焦平面阵列数据进行处理并且成像；所述电路可采用通用数模混合电路设计和标准CMOS工艺制备。

11.如权利要求1所述的基于单晶硅PN结温度特性的多波段非制冷红外探测器，一种焦平面阵列的制备方法，包括下列步骤：

1)采用SOI基片作为加工基片，第一次光刻，光刻胶作为掩膜，刻蚀单晶硅器件层，形成PN结有源区；

2)低压化学气相沉积法在SOI基片正面淀积一薄层二氧化硅，进行离子注入、退火，使注入的离子激活并在器件层扩散均匀分布，形成PN结的N区，也可以形成P区；

3)第二次光刻，光刻胶作为掩膜再一次离子注入形成PN结，若步骤2中离子注入形成的是PN结的N区，则本步中则注入离子形成P区；若步骤2中离子注入形成的是PN结的P区，则本步中则注入离子形成N区。注入完成之后，去除步骤2)中生成的薄层二氧化硅，可以通过湿法腐蚀，也可以通过干法刻蚀的方式；

1)在基片正面生成二氧化硅，作为隔离介质层，第三次光刻，去除二氧化硅获得PN结互联孔，以及热隔离支撑结构上的电互联引线与像元的接触孔，可以通过湿法腐蚀，也可以通过干法刻蚀的方式。对形成的接触孔进行离子注入，以便在接触孔处形成欧姆接触；

5)低压化学气相沉积法在基片正面淀积一层多晶硅，对其进行离子注入和激活，第四次光刻，光刻胶作掩膜，正面刻蚀多晶硅形成PN结电互联引线；基片正面溅射金属，该金属可以是Co、W等，1次或2次快速退火形成Si-金属化合物，除去没有与Si反应的金属，形成金属硅化物引线。采用湿法腐蚀或者干法刻蚀的方式去除基片背面多晶硅，便于后续释放结构

6)低压化学气相沉积工艺淀积低应力的介质薄膜，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，光刻胶做掩膜，刻蚀正面低应力介质薄膜，形成热隔离支撑结构、像元主结构，以及像元与驱动和读出电路实现电互联的接触孔；

7)淀积红外吸收层材料，再淀积薄层金属作为电学互联引线，金属互联引线可以是Au、Al、W或者Cu等材料；

8)对基片背面进行第六次光刻，光刻胶作为掩膜，通过湿法或干法的方式去除步骤6)中采用低压化学气相沉积的介质薄膜，形成背腔腐蚀窗口，再通过各向异性湿法腐蚀的方式，也可以通过干法深刻蚀的方式，去除部分衬底单晶硅获得隔热背腔。为防止基片碎裂，可先不腐蚀穿通硅衬底，留有一定余厚；

9)对基片正面进行第七次光刻，腐蚀7)中生长的金属薄层材料，形成像元与外部电路的电互联引线；

10)进行第八次光刻，图形化红外吸收层，可以通过干法，也可以通过湿法工艺去除多余的红外吸收层材料，获得红外探测器的红外吸收结构层：通过湿法腐蚀或者干法刻蚀的方式去除热隔离支撑结构下面的二氧化硅理氧层，直至衬底硅，再对基片进行划片，最后各向异性湿法腐蚀或者干法方式刻蚀衬底硅，将步骤8)中未腐蚀的硅衬底腐蚀掉，直至像元结构释放。

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