CN103238049A

CN103238049A - 超点阵量子阱红外探测器

Info

Publication number: CN103238049A
Application number: CN2011800576839A
Authority: CN
Inventors: 大卫·科瑞斯考斯基
Original assignee: UD Holdings LLC
Current assignee: UD Holdings LLC
Priority date: 2010-10-11
Filing date: 2011-10-07
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2031-10-07
Also published as: WO2012051060A3; WO2012051060A2; JP2013539053A; US20120085990A1; CA2813755A1; CN103238049B; KR20140032342A; IL225669A0; US20130299781A1; DE112011103431T5; US8803127B2; CA2813755C

Abstract

在至少一个实施例中，提供了一种包括热电堆的红外（IR）传感器。该热电堆包括一个基板和一个吸收器。该吸收器放置在该基板之上，并且在该吸收器与该基板之间形成了一个间隙。该吸收器接收来自一个场景的IR并且生成一个指示该场景温度的电输出。该吸收器是由一个超点阵量子阱结构构成的，以便该吸收器从该基板热隔离。在另一个实施例中，提供了一种用于形成一个红外（IR）探测器的方法。该方法包括形成一个基板并且用带超点阵量子阱结构的多个交替第一和第二层形成一个吸收器。该方法进一步包括在该基板周围放置该吸收器，以便形成一个间隙以使该吸收器悬吊在该基板周围。

Description

超点阵量子阱红外探测器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2010年10月11日提交的美国临时申请序列号61/391,996的权益，该申请通过引用以其整体结合于此。

背景技术

1.技术领域

本文中所描述的实施例涉及一种超点阵量子阱红外（IR）探测器（或传感器）以及一种形成其的方法。

2.背景技术

IR探测器通常被定义为对IR辐射进行响应的光电探测器。红外探测器的一种类型是热基探测器。可以在摄像机内实现热基探测器，以生成一个对象的图像，其在通常与此类对象相关的热性能上形成。已知热基探测器包括辐射热测量计、微辐射热测量计、热电体、及热电堆。

微辐射热测量计基于接收自一个对象的辐射能量的量来改变其电阻。热电堆包括将来自该对象的热能转换成电能的一些热电偶。此类装置已以一种形式或另一种形式被纳入到摄像机中用于热成像的目的。以下参考文献可能与本公开相关：授予何乃塞克（Hynecek）的美国专利号5,436,476、授予艾斯纳（Eisner）等人的5,550,387、授予崔瑟豪斯（Dresselhaus）等人的6,060,656、授予古氏（Gooch）等人的6,690,014、授予盖麦提（Ghamaty）等人的7,038,234、授予许（Hsu）的7,755,048、以及授予柯才晋（Kochergin）的美国专利公开号2011/0168978。

发明概述

在至少一个实施例中，提供了一种包括热电堆的红外（IR）传感器。该热电堆包括一个基板和一个吸收器。该吸收器放置在该基板之上，并且在该吸收器与该基板之间形成了一个间隙。该吸收器接收来自一个场景的IR并且生成一个指示该场景温度的电输出。该吸收器是由一个超点阵量子阱结构形成的，以便该吸收器从该基板热隔离。在另一个实施例中，提供了一种用于形成红外（IR）探测器的方法。该方法包括形成一个基板并且用带超点阵量子阱结构的多个交替第一和第二层形成一个吸收器。该方法进一步包括在该基板周围放置该吸收器，以便形成一个间隙以使该吸收器悬吊在该基板周围。

附图简要说明

本发明的实施例在所附权利要求中被特别指出。然而，各种实施例的其他特征将变得更加明显并且通过参照以下详细描述连同附图最好理解：

图1描绘了根据本发明的一个实施例的热探测器；

图2描绘了根据本发明的另一个实施例的热探测器；

图3描绘了图2的热探测器的横剖面图；

图4描绘了仅包括一个吸收器的热探测器的另一个横剖面图；

图5描绘了根据本发明的一个实施例由硅基材料封装的一种超点阵量子阱热电材料；

图6A及图6B分别描绘了一个实现了量子阱的实施例以及没有实现量子阱效应的另一个实施例；

图7描绘了在沉积过程中氮化硅层及超点阵量子阱材料所造成的各种应力；

图8描绘了用于产生量子阱热电探测器的制造工艺流程；

图9A至图9D描绘了当结合图8的工艺流程制造时探测器的各种构造；

图10描绘了用于产生超点阵量子阱热电探测器的制造工艺流程；以及

图11A至图11G描绘了当以图10的工艺流程制造时探测器的各种构造。

详细说明

此处披露了本发明的详细实施例。然而，应当理解为，所披露的实施例仅例证可以各种各样的并且可替代的形式体现的本发明。附图不一定按比例；一些特征可以被放大或最小化，从而示出特定部件的细节。因此，本文披露的特定结构和功能细节不应被解释为限制性的，而仅仅是权利要求的代表性基础和/或为本领域普通技术人员传授多方面地使用本发明的一个或多个实施例的代表性基础。

如本文所披露的各种实施例通常提供（但不限于）多个IR探测器，该多个IR探测器可被放置在一个M×N列的阵列中用于生成一个场景的图像。在另一个实施例中，该多个IR探测器可被用来从一个光源（或场景）捕获（或感应）热能，并且为了能量存储的目的基于所感应到的热能提供一个电输出。在另一个实施例中，可以提供一个单一的IR探测器用于热感应。该IR探测器通常包括（除其他东西之外）一个吸收器、一个基板、和/或至少一个臂。该吸收器和/或该至少一个臂可被悬吊在该基板之上。可以设想，该吸收器和/或该至少一个臂可由一种超点阵量子阱基于热电的材料构成。此类构成可使该吸收器及该至少一个臂能够实现增强的塞贝克（Seebeck）效应、低电阻率、和充分的导热性。这些方面可以改善探测器性能。还可以设想，该吸收器和/或该臂可由（但不限于）各种硅基介电材料（如氮化硅和/或二氧化硅）封装。带硅基介电材料的这些超点阵量子阱热电材料的封装可以应力补偿该探测器并且可以增强该探测器的结构完整性，而该吸收器和/或该至少一个臂被悬吊在该基板之上。

可以设想，本文所描述的实施例可以被用于所描述的这些以外的目的，并且本文中可能指出的挑战并不旨在成为可以由本发明的实施例克服的挑战的详尽列表。本文中可能描述的此类挑战是用于说明的目的，并且出于简洁的目的，没有描述本发明的各种实施例可以克服的所有挑战。而且，可以设想，本文中所描述的实施例可以提供任意数量的结果并且所指出的这些并不旨在成为可以被实现的详尽列表。本文所披露的此类结果是用于说明的目的，并且同样出于简洁的目的，没有描述本发明的实施例实现的所有这些结果。此外，本文中所提供的示例是为了说明的目的而披露的，并不旨在成为能够被实现的示例的一个详尽列表，并且并不旨在以任何方式对本发明的实施例的范围进行限制。

图1描绘了根据本发明的一个实施例的热探测器（或传感器）10。该探测器10可以是安排在包括一个透镜13的摄像机11内的一个M×N阵列18中的众多中的一个。该摄像机11通常被配置成捕获一个场景的图像。每个探测器10被配置成从一个场景吸收IR辐射并且基于接收自该场景的能量的量改变其电压势。在每个探测器10之下放置一个读出集成电路（ROIC）19（或读出电路）。该ROIC19可为每个探测器10电输出该电压势。每个探测器10可以被微型机制（micro-machined）在该ROIC19的顶部。本文中所披露的实施例可被纳入在一个探测器中，该探测器是在2010年3月23日提交的名为“红外探测器（INFRARED DETECTOR）”的共同未决的申请序列号PCT/US2010/028293（“′293申请”）中提出的，该申请通过引用以其整体结合于此。该探测器10通常被安排为一个微型桥。该探测器10可以形成为一个热电堆。

虽然如上文所提到的探测器10可被用来捕获摄像机中一个场景的图像，还可以进一步设想为，该探测器10可被用来感应来自一个光源（或场景）的热能，如直接或间接地接收自太阳的热能。该探测器10响应于该热能提供一个电压输出，用于提供电能来驱动另一个装置，或用于在一个存储装置（例如电池或其他合适的机构）上存储电能。

该探测器10包括一个吸收器12、一个第一臂14、一个第二臂15、及一个基板16。该吸收器12、该第一臂14、及该第二臂15可包括热电材料并且可由下面将要详细描述的超点阵量子阱材料构成。该基板16可包括（但不限于）一个单晶硅片或一个硅片。该基板16可被连接到该ROIC19。该吸收器12、该第一臂14、及该第二臂15通常被悬吊在该ROIC19之上。该第一臂14被放置在该吸收器12旁边并且如果需要可以沿着（附着或不附着）该吸收器12的一个第一侧18延伸，并在一个终端20终止。一个接线柱22被耦合到该第一臂14的该终端20。

该ROIC19的一个输入焊盘24接收该接线柱22。该接线柱22提供了一个从该吸收器12到该ROIC19的电连接。以类似的方式，该第二臂15被放置在该吸收器12旁边并且如果需要可以沿着（附着或不附着）该吸收器12的一个第二侧26延伸，并在一个终端28终止。一个接线柱30被连接到该第二臂16的该终端28。该ROIC19的一个输入焊盘32接收该接线柱30。该接线柱30提供了一个从该吸收器12到该ROIC19的电连接。一般情况下，接线柱22和30彼此合作，以支撑该基板16之上的该吸收器12、该第一臂14和该第二臂15（例如，在该基板16之上悬吊该吸收器12、该第一臂14和该第二臂15）。

该吸收器12通常被配置成接收（或吸收）来自一个场景的IR辐射并且响应于其而改变温度。该探测器10可以基于接收自该场景的辐射的量改变其电压势。在该吸收器12与该ROIC19之间放置一个反射器17。该反射器17可以提高该吸收器12吸收该IR辐射的能力。可以从该吸收器12水平地移动该第一臂14及该第二臂15的位置，以热隔离该吸收器12。可能令人希望的是降低热传导以提高探测器10性能。此外，可以从该基板16垂直地移动该吸收器12、该第一臂14及该第二臂15的位置并且在它们之间定义一个分离间隙34（或空腔）用于将一个探测器从放置在该阵列内的附加探测器热隔离。

该探测器10可以包括一侧上的P型材料和另一侧上的N型材料。例如，该吸收器12可被认为包括一个第一部分36、一个第二部分38、和一个有源区40。该第一臂14和该第一部分36可由P型材料构成。该第二臂15和该第二部分38可由N型材料构成。该有源区40将基于P型的元件（第一臂14和该第一部分36）电耦合到基于N型的元件（第二臂15和该第二部分38）。

图2描绘了根据本发明的另一个实施例的热探测器10′。该探测器10′可以是安排在包括一个透镜13的摄像机11内的一个M×N阵列18中的众多中的一个。该探测器10′通常类似于图1的探测器10，但是表面微型机制的（surface-micro-machined）。

该探测器10′被配置成从一个场景吸收IR辐射并且基于接收自该场景的能量的量改变其电压势。在该探测器10′的每一侧上形成了一个电连接21用于为一个读出电路（未示出）提供来自其的电输出。该探测器10′还可作为该′293申请中提出的探测器被纳入。

该探测器10′包括该吸收器、第一臂14、该第二臂15及该基板16。该吸收器12、该第一臂14、及该第二臂15可包括热电材料并且由下面将要详细描述的超点阵量子阱材料构成。该基板16可包括（但不限于）一个单晶硅片或硅片。该吸收器12、该第一臂14、及该第二臂15通常被放置（或悬吊）在空腔25（见图3）之上。以与上文所述类似的方式，如果需要的话，该第一臂14可沿着（附着或不附着）该吸收器12的该第一侧18延伸，并达到该电连接21。如果需要的话，该第二臂16可沿着（附着或不附着）该吸收器12的该第二侧26延伸，并达到该电连接21。

图3描绘了根据本发明的另一个实施例的热探测器10″。该探测器10″通常包括该吸收器12并且可作为一个单一的探测器放置来用于热感应应用。该探测器10″可以是大块微型机制的（bulk micro-machined）。在此配置中没有臂。该吸收器12可包括热电材料并且由超点阵量子阱材料构成。该电连接21在该吸收器12的每一侧上形成用于提供来自该探测器10″的电输出。该吸收器12通常被悬吊在该空腔25之上。前面所提到的这些探测器（10、10′和/或10″）以下将被指定为“10”。

已知的是，实现一个包括多个臂和一个悬吊在该基板之上的吸收器的IR探测器。以这种传统方法，这些臂热隔离该吸收器，这反过来又导致从该吸收器到该基板的导热性的降低。通过降低该吸收器12与这些臂14、15之间的导热性，可以降低热传递/泄漏并且可以实现IR探测器性能的改进。这种传统方法通常用一种或多种下列材料形成热电结构（例如，这些臂和该吸收器）：碲化铋、碲化锑、碲化铅、多晶硅、多晶硅锗、方钴矿、一种纳米复合材料、及一种超点阵结构，以实现低导热性。通过用一种或多种前述材料形成探测器并且通过悬吊该吸收器及这些臂，这些条件可引起该吸收器和/或这些臂翘曲或屈曲，这可能导致探测器故障。

本文中所描述的实施例认识到（除其他之外），与一个IR传感装置一起使用的该吸收器12和/或这些臂14、15可由超点阵量子阱热电材料构成，这些材料可以使该探测器10能够实现适当的探测器性能特点。此外，本文中所披露的实施例设想用氮化硅或二氧化硅封装该吸收器12和/或这些臂14、15的超点阵量子阱材料。用硅基材料对该吸收器12和/或这些臂14、15的封装可以补偿或均衡在超点阵量子阱材料沉积的过程中感应的应力，并增加该探测器10的机械强度，而该探测器10的部分被悬吊在该ROIC16之上。通过增加该探测器10的机械强度并且通过应力补偿该探测器10，该探测器10的翘曲或屈曲可被最小化或完全消除。这些实施例进一步认识到该探测器10的该吸收器12、该第一臂14、及该第二臂15可由超点阵（例如硅/硅锗（Si/Si_xGe_1-x），其中x可以是一个整数或一个非整数（以下“Si/SiGe”））量子阱热电材料构成。该第一臂14及该第一部分36可由P型超点阵量子阱热电材料形成。该第二臂15及该第二部分38可由N型超点阵量子阱热电材料形成。

通过利用一个包括该吸收器12和/或臂14、15的超点阵量子阱热电堆10，此类条件最小化了从该吸收器12穿过这些臂14、15到基板16和/或到放置在该吸收器12附近的任何装置的热损失，由此将该吸收器12从一个周围的装置热隔离。当来自一个场景的IR加热该吸收器12时，该探测器10生成一个与该吸收器12与该基板16之间的温度差成比例的输出电压。相应地，如果该吸收器12由含有高热传导的材料形成，探测器性能可能会由于来自该吸收器12的热能的泄漏而受到不利影响。由于该超点阵量子阱材料提供了一种低导热性，可以在该吸收器12处实现适当的热隔离，由此改善探测器性能。另外，超点阵量子阱材料还提供了高塞贝克系数和高导电性，其使该探测器10能够提供一个带高信噪比的输出电压，该输出电压提供了该吸收器12感应到的该IR辐射的量的高保真表示。通常，该探测器10可能不提供电流。然而，在一些实施例中，该探测器10能够提供毫安范围内的电流。

虽然已知传统的IR探测器包括碲化铋、碲化锑、碲化铅、多晶硅、多晶硅锗、方钴矿、一种纳米复合材料、及一个超点阵结构作为为一个悬吊的吸收器和/或悬吊的臂实现低导热性的一种手段（即，减少来自该探测器的热损耗或热传递），此类材料可能无法提供足够的机械支撑，或不能正确地进行应力补偿。可以看出（如下所示），在探测器10中使用超点阵量子阱热电材料可提供适当的导热性，并可以作为传统探测器中的材料种类的替换。

一般情况下，为了从热电堆探测器10获得大的响应，从该探测器10（例如吸收器12和/或这些臂14、15）到该热地平面（例如该基板16之内）的导热性G_k应该要小。因此，该热电堆材料的导热性应该尽可能地小。最后，可能令人期望的是该探测器10内的材料有（a）高塞贝克系数以及（b）高导电性。由n型和p型材料制成的热电堆的品质因数定义如下：

Z = \frac{{(a_{p} - a_{n})}^{2}}{{[{(r_{p} k_{p})}^{1 / 2} + {(r_{n} k_{n})}^{1 / 2}]}^{2}} - - - (1)

其中：

中p型材料的塞贝克常数

中n型材料的塞贝克常数

中p型材料的导热性

中n型材料的导热性

ρ_P=Ω·m中p型材料的电阻率

ρ_P=Ω·m中n型材料的电阻率

此品质因数可能不代表与热成像相关的信噪比，因为它可能与IR探测器的常见品质因数、探测率或D^*不成正比。更为合适的品质因数可以是与D^*成正比的一个。

Z_{D^{*}} = \frac{(a_{p} - a_{n})}{[{(ρ_{p} + ρ_{p})}^{1 / 2} (k_{p} + k_{n})]} - - - (2)

这个新的品质因数假定这些臂14、15具有相同的长度和横截面积。图1（下面）示出了一个已选材料组的这个新的品质因数。基于热电堆材料选择的性能改进可能是明显的。

热电堆材料类型

表1：FPA热电偶材料

对于小间距（例如≤50微米）阵列，Bi₂Te₃和np Si_0.7Ge_0.3可能是热电材料的实用选择。拒绝标准np多晶硅的原因是，其导热性可能太大而无法达到合理的探测器灵敏度。而且，该沉积温度可能对于接线柱互补性金属氧化物半导体（CMOS）兼容性而言太高。下面表2中给出了量子阱Si/SiGe、Bi₂Te₃、Si_0.7Ge_0.3和标准的np多晶硅的感兴趣测量值（例如电阻率、塞贝克系数和导热性）：

表2：Bi₂Te₃/Sb₂Te₃参数、多晶硅参数、QW参数

虽然Bi₂Te₃和Sb₂Te₃可以产生高性能热电堆探测器，选择Bi₂Te₃和Sb₂Te₃可能有若干缺点。例如，（1）探测器电阻可能下降到约3千欧并且结果是电子噪音可能占据支配地位；（2）Bi₂Te₃和Sb₂Te₃的沉积和蚀刻正被大量研究并且可能还尚未成熟（然而，Bi₂Te₃和Sb₂Te₃可以低温沉积、成型并被干法蚀刻）；（3）响应性的温度系数

（≈0.1%）可能高于np Si_0.7Ge_0.3（<0.04%）（例如，一个低

可能在响应性的温度补偿中需要较少的努力）；以及（4）如果没有保持化学计算法，Bi₂Te₃和Sb₂Te₃的热电性能可能发生大的改变，这意味着对沉积和非传统沉积过程（如共蒸发）的紧密控制。相比之下，Si/SiGe超点阵量子阱包括CMOS及微机械系统（MEMS）加工中广泛使用的材料。而且，在Si/SiGe超点阵量子阱实现方式中化学计算法可能不是个问题，这可能允许以不那么严格的控制进行沉积。

已测量出Bi₂Te₃薄膜的导热性为

这可能关闭PECVD氮化硅的导热性，其中导热性可能

大块Bi₂Te₃的导热性可能是

并且较低的导热性可能是非常薄的膜中一个常见效果。Bi₂Te₃的导热性可能随着膜厚度下降到低于0.5微米而进一步下降。

如上面表2中所示，Bi₂Te₃和氮化硅可能有相似的导热性。由于这个事实，向由Bi₂Te₃形成的这些臂和/或该吸收器添加大量氮化硅可能引起探测器性能的下降。由于此条件，传统实现方式往往避免向基于碲化铋的探测器添加氮化硅或二氧化硅。与此相反，本公开的这些臂14、15和/或该吸收器12可包括带量子阱Si/SiGe的不同量的氮化硅和/或二氧化硅。此条件可能不会造成探测器性能的显著损失，因为量子阱Si/SiGe的导热性可以比氮化硅的导热性大≈3-4倍。因此，就添加到带氮化硅的该Si/SiGe量子阱的导热性的整体增加而言，由氮化硅添加的导热性的增加可忽略不计。例如，Si/SiGe量子阱的导热性可以在3-5W/mK之间。氮化硅的导热性可以是1.2W/mK。添加适量的氮化硅可能不会影响探测器性能，因为Si/SiGe量子阱的导热性可能占据主导地位。一般情况下，氮化硅的厚度可以在量子阱臂14、15的总厚度的从10%至100%中的任何地方。例如，如果臂14、15为

厚，则氮化硅的厚度可能在

至

的范围内。一般情况下，总导热性的最大成分是由于臂14、15。

当碲化铋材料被用来形成该探测器中的薄膜以防止导热性增加时，可以实现悬吊的臂及吸收器结构的基于传统的探测器倾向于避免用氮化硅封装这些臂和/或该吸收器。然而，已经发现如本文中所提出的，通过去除封装的氮化硅，此类条件可能如上文所提到的有助于该探测器10的翘曲和/或屈曲。例如，封装的氮化硅的去除可能会降低探测器的机械强度并去除应力补偿的能力。如果该探测器不被应力补偿，该探测器可能会翘曲并变得无效。

MEMS加工的另一种有用的电介质可以是二氧化硅。沉积时，二氧化硅通常是在压应力下，这种材料与氮化硅结合可被用来补偿应力并且此外还可能是一种有效的蚀刻停止。薄膜二氧化硅的导热性可以

图5描绘了一种由硅材料封装的超点阵量子阱热电材料。一般情况下，该吸收器12和/或这些臂14、15的超点阵量子阱层可能被夹在一个氮化硅顶层与一个氮化硅底层之间（或夹在一个二氧化硅顶层与一个二氧化硅底层之间或是夹在一个氮化硅顶层与一个二氧化硅底层之间（或反之亦然）（见图2中Si/SiGe的交替层的元件29（例如，阻挡层或传导层，其中阻挡层包括Si并且传导层包括SiGe））。参考图1及图2，该第一臂14和该第一部分36可以由氮化硅封装的p型超点阵量子阱形成。相反，该第二臂15和该第二部分38可以由氮化硅封装的n型超点阵量子阱形成。放置在该氮化硅层上方的SiGe层可以包括一个Ge含量高的多晶硅SiGe籽晶层。Ge含量可能至少70%。当在低温下沉积时，SiGe籽晶层的高Ge可以形成多晶硅锗，其可能有一个比较有序的结晶结构，在其上放置下一层硅。

图6A及图6B分别描绘了一个实现了量子阱效应的实施例以及没有实现量子阱效应的另一个实施例。参照图3a，该探测器的一部分（例如，第一臂14、第二臂15、和/或吸收器16）可包括任意数量的膜41。这些膜41可包括Si和Si/Ge的交替层（例如，Si和Si/Ge的超点阵）。每一层Si和Si/Ge可具有

的厚度。该探测器10内量子阱材料的总厚度可以≤

在一端上放置了一个第一触点42，并在另一端上放置了一个第二触点44。该第一触点42可被水平地远离该第二触点44放置。通过将该第一触点42水平地远离该第二触点44放置，少量的电流和热量可横向流动，从该第一触点42穿过这些Si/SiGe层到该第二触点44（例如，平面中）。此类条件使该第一臂14、该第二臂、和/或该吸收器16能够实现量子阱效应。

提高热电材料的性能的一种方法可以是形成组分调制材料，主要是由相邻阻挡层在多层膜的活性层中对载流子进行量子阱限制。本文所披露的方法是用一种材料包围每个电活性层，该材料有一个足以为电荷载流子形成一个障碍的频带偏移。热电性能的改善（例如塞贝克效应、电阻率和导热性）预计要由态密度的增加（例如增强的塞贝克）、载流子迁移率的增加（例如较低的电阻）、以及由于量子阱与阻挡层之间的应变导致的受抑制的声子流（例如较低的导热性）产生。层厚度可以

图6B描绘了该第一触点42被从该第二触点44垂直地移动。少量的电流和热量可以在跨平面的方向流动，该方向与上文提到的从该第一触点42穿过这些Si/SiGe层到该第二触点44的量子阱配置的平面内方向垂直。虽然可以降低导热性，然而此实现方式无法实现量子阱效应。

图7描绘了在一个或多个吸收器12中和/或在这些臂14、15中沉积的过程中由这些氮化硅层和超点阵量子阱材料引起的各种应力。例如，在沉积时如量子阱Si/SiGe的材料可以是在压应力的状态下。在压应力下，各种Si和SiGe层可相对于该基板16扩展。在这种应力状态下，当被悬吊并附着在两个点时（例如在接线柱22、30），Si和Si/Ge的这些层（无论是在该吸收器12中和/或这些臂14、15中）可能会在该基板16之上屈曲。

另一方面，当沉积时，氮化硅可以是在抗张强度的状态下。在拉应力下，每一层氮化硅可能都会相对于该基板16收缩。在这种应力状态下，当被悬吊并附着在两个点时（例如接线柱22、30），每个氮化硅层可被该基板16拉伸。通过为氮化硅和量子阱Si/SiGe使用预定的厚度和沉积参数，可以构造一个几乎无应力的探测器。一般情况下，由于这两个应力（例如压缩和拉伸）具有相反类型，通过将这些Si和Si/Ge层与这些氮化硅层组合可以形成一个几乎无应力的薄膜。每一层的厚度可取决于每一层中的应力的幅度。

一般情况下，如果该探测器10的这些层（例如Si和Si/Ge及氮化硅的层）具有大小相等并且方向相反的应力水平，那么这些层在彼此顶部的沉积可能产生一个几乎无应力的膜。例如，用σ_m1代表材料m₁（例如Si和Si/Ge的层）的应力，并且用σ_m2代表材料m₂（例如氮化硅层）的应力。在拉应力下的材料可能有一个正值，并且在压应力下的材料可能有一个负值。用t₁代表第一套的层（例如Si和Si/Ge）的厚度并且用t₂代表第二套的层（例如氮化硅）的厚度。为了产生一个应力补偿的探测器10，可能需要满足下面的公式：

σ_m1t₁+σ_m2t₂=0(3)

此表达式可以很容易地被推广到两套以上的层。如上所述，量子阱Si/SiGe在沉积时可以是在压应力的状态下，并且氮化硅在沉积时可以是在拉应力的状态下，由量子阱Si/SiGe的沉积造成的压应力可以被氮化硅的沉积造成的拉应力抵消，这可能会导致实现一个几乎无应力的悬吊探测器。

一般情况下，每一层SiGe可能都是吸收器12和/或臂14、15中的n或p型掺杂。这些Si层可以是不掺杂的并且因此不导电。吸收器12和/或臂14、15中的一个或多个硅锗层的掺杂浓度大约是在5×10^18至5×10^19原子/立方厘米之间。n型与p型的掺杂浓度可能不同。n型臂和p型臂的电阻应该是相同的以最大化塞贝克效应，这就是为什么各个硅锗层的掺杂浓度不同，因为它可能被调整以达到相等的臂电阻。而且，随着掺杂浓度的上升，电阻下降，但塞贝克效应也下降。实现了硅锗层的最佳掺杂浓度，以确保n型和p型臂之间的电阻是相同的，并且此外还实现最大的信噪比。

在该探测器10中使用基于超点阵量子阱的热电材料提供了（但并不限于）适当的导热性、增强的塞贝克效应、以及低电阻率，这可以提高探测器性能。用硅基材料（如氮化硅和/或氧化硅或其他合适的材料）封装基于超点阵量子阱的材料可能会增加该探测器10的机械强度并且应力补偿超点阵量子阱材料的各层引起的抵消应力。总之，本公开设想，使用与该探测器10中的硅基材料结合时的超点阵量子阱热电材料可提供（i）由于导热性的可接受水平而增强的探测器性能、已发现的与超点阵量子阱热电材料有关的增强的塞贝克效应和低电阻率，及（ii）由超点阵量子阱热电材料与封装的硅基材料之间的抵消应力引起的增强的机械强度/应力补偿。

图8描绘了根据本发明的一个实施例用于生产量子阱热电探测器10的制造工艺流程50。可以设想，工艺流程50可被用来生产探测器10。工艺流程50描绘了没使用氮化硅作为蚀刻停止的情况下探测器10的制造。

在操作51中，形成一个二氧化硅层。

在操作52中，对该二氧化硅进行成型和干法蚀刻。

在操作54中，在该二氧化硅层的上面沉积一层钛。钛、TiW、铬、或其他类似金属可被用作缓冲层，因为铝可能会粘在这些难熔金属上并且这些难熔金属可能会粘在放置它们的任何物品上。

在操作56中，在该钛层的上面沉积一层铝（见图6A）。铝可以比难熔金属提供更好的导电性。

在操作58中，对铝和钛（或TiW或铬）进行成型以形成反射器17和互连件（如ROIC16上的输入焊盘24和32）（见图6B）。

在操作60中，在铝上沉积一层聚酰亚胺。聚酰亚胺是一种可以被用作牺牲层的有机材料。也就是，聚酰亚胺最终可以在氧等离子体蚀刻中被蚀刻掉。聚酰亚胺可以能够承受高温处理并且可以容易地蚀刻掉。由于它很容易被蚀刻掉的能力，聚酰亚胺可能是必要的，因为它可以是在MEMS堆栈的底部。

在操作62中，去除一部分聚酰亚胺以定义一个开口，以在后面的过程50中形成接线柱22、30。

在操作64中，在聚酰亚胺的顶上沉积第一层氮化硅（见图9C）。如上面所指出的，当沉积了氮化硅时，氮化硅层可能会呈现出一种拉应力的形式。

在操作66中，在ROIC19上沉积一个籽晶层。此沉积物可能包括一个后CMOS兼容的SiGe多晶硅或一个后CMOS兼容的Ge。该籽晶层可以使探测器10能够实现足够的量子阱性能。该籽晶层可以呈现出一个结晶结构或其结构的短程有序。例如，这些Si/SiGe层应该至少有某种短程结晶秩序。这样做的原因是导电性可能是差的，因为非结晶性材料是众所周知的差的电导体。在低温下（例如≤450℃）为Si和高Si含量（Si_xGe_1-x）（≥0.4）获得真正的多晶硅沉积可能是困难的。另一方面，高Ge含量的SiGe可以在较低温度下（例如≤450℃）沉积，并且是多晶的。例如，当Si_xGe_1-x的Ge含量为70%（x=0.3时）时，可以在≤400℃的温度下沉积质量好的多晶硅Si_0.3Ge_0.7。这可以制造出一个很好的籽晶层，以便当以≈350℃溅射沉积Si或SiGe（通常为Si_0.8Ge_0.2）时，该材料“跟随”低层的结晶有序，从而获得溅射材料的更多结晶取向。这一部分在生产高性能探测器中可能是很有意义的。籽晶层的添加可以使后来沉积的Si和SiGe的交替层能够实现良好的量子阱热电性能。二氧化硅层是在籽晶层的顶上形成的以形成该基板16。

Si和SiGe量子阱层的交替层还沉积在氮化硅层的顶上。每一层Si和SiGe可以是大约

这些Si和SiGe层可能会呈现出一种压应力状态。Si和SiGe的交替层可以是n型掺杂的（见图9C）。认识到，Si和SiGe的层同样可以是p型掺杂的。一般情况下，该探测器10中可以使用四至五个周期的Si和SiGe（或8至10层的Si和SiGe）。氮化硅的厚度可以高达

（如果使用了10层的话）。氮化硅及Si和SiGe的交替层的总厚度（假设10层Si和SiGe（例如

）和氮化硅的上限厚度（例如

)具有

的总厚度。

在操作68中，可以通过定型和干法蚀刻的方式形成该吸收器12和该臂14或15的一个第一部分36或38。该吸收器12和该臂14或15的这一部分可以是n型的。

在操作70中，去除光致抗蚀剂，并直接在Si和n型SiGe的层以及氮化硅层之上沉积第二套Si和p型Si/Ge的交替层。一般情况下，光致抗蚀剂定义哪些区域可以被蚀刻以及哪些区域不能被蚀刻。

在操作72中，可以通过定型和干法蚀刻的方式形成该吸收器12和该臂14或15的一个第二部分36或38（例如在操作68中形成的那个对面）。

在操作74中，在交替p型量子阱Si/SiGe层和交替n型量子阱Si/SiGe层二者的顶上沉积第二层氮化硅。如上面所指出的，当放置了氮化硅时，氮化硅层可能会呈现一种拉应力的形式。这两层氮化硅都提供抗张强度，这可能用交替量子阱Si/SiGe层补偿添加到该探测器10的压应力。

在操作76中，在第二层氮化硅上沉积一个金属薄膜，以提高辐射吸收。

在操作78中，去除第二层氮化硅的一部分以及Si和SiGe的交替层（例如n型或p型）到只剩下聚酰亚胺。

在操作80中，去除该金属薄膜的这些部分、该第一和第二层氮化硅、Si和Si/Ge的交替层以定义一个开口用于分别形成接线柱22、30。

在操作82中，在这些臂14、15内形成的这些开口中沉积钛和铝。在这些开口内沉积钛和铝以形成接线柱22、30。在该吸收器区之上只沉积了钛（见图9D）。该探测器10的这一部分也被称为该吸收器12上的有源区40。

在操作84中，用氧等离子体干法刻蚀去除整个聚酰亚胺层。通过去除整个聚酰亚胺层，该第一和第二氮化硅层及Si和SiGe的交替层被悬吊在该基板16之上。通过接线柱22、30，氮化硅和Si和SiGe的悬吊层被耦合到该ROIC19。

图9A至图9D描述了当如图8中所指出的那样制造时探测器10的各种构造。

图10描绘了根据本发明的一个实施例用于生产量子阱热电探测器10的制造工艺流程100。工艺流程100描绘了使用氮化硅作为蚀刻停止的情况下探测器10的制造。

操作101、102、104、106、108、110、112、114、及116分别类似于如图8所指出的操作51、52、54、56、58、60、62、64、66。

在操作118中，在交替层n型量子阱Si/SiGe的顶上沉积第二层氮化硅。可以认识到，或者p型或者n型量子阱Si/SiGe都可被沉积。如上面所指出的，当放置了氮化硅时，氮化硅层可能会呈现一种拉应力的形式。这两层的氮化硅都提供抗张强度，这可以用n型量子阱Si/SiGe的交替层补偿添加到该探测器10的压应力。当在后来的制造过程中添加附加材料层时，该第二层氮化硅作为蚀刻停止保护氮化硅下面的材料层。

在操作120中，干法蚀刻该第二层氮化硅及n型量子阱Si/SiGe层的交替层，以形成该吸收器12的该臂15和该第二部分38（见图11B）。例如，可以通过干法蚀刻形成该吸收器12及该臂15的该第二部分38。该吸收器12和该臂15的这一部分可以是n型的。在此操作中，这些Si/SiGe层可以由该第一和第二层氮化硅封装。此条件可能应力补偿该探测器10内的该臂15和该第二部分38。

在操作122中，去除光致抗蚀剂，并沉积第二套p型量子阱Si/SiGe材料的交替层。该第二套p型Si/SiGe材料的交替层是直接沉积在该第一和第二层氮化硅之上（见图11C）。

在操作124中，在该第二套p型Si/SiGe材料的交替层的顶上沉积第三层氮化硅（见图11C）。

在操作126中，干法蚀刻该第三层氮化硅及该第二套Si和p型Si/SiGe的交替层，以形成该吸收器12的该第一臂14及该第一部分36。在此操作中，Si和p型Si/SiGe材料的第一或第二交替层可以由该第一及第三层氮化硅封装（见图9D）。此条件可以应力补偿该探测器10内的这些臂14、15和该第一及第二部分36、38。

在操作128中，在该吸收器12上的该第二层氮化硅和该第三层氮化硅之上沉积一个金属薄膜。该金属薄膜被配置成提高IR吸收（见图11E）。

在操作130中，去除该第二及第三层氮化硅的一部分以及Si和SiGe的交替层（例如n型或p型）到只剩下聚酰亚胺，以形成热电堆臂。

在操作132中，在这些臂14、15上去除该金属薄膜的这些部分、该第一、第二及第三层氮化硅、及Si和Si/Ge的交替层，以定义一个开口用于形成接线柱22、30。

在操作134中，在这些臂14、15内形成的这些开口中沉积钛和铝。在这些开口内沉积钛和铝以形成接线柱22、30。在该吸收器区之上仅沉积了钛。该探测器10的这一部分也被称为该吸收器12上的有源区40。

在操作136中，用氧等离子体干法刻蚀去除整个聚酰亚胺层。通过去除整个聚酰亚胺层，该第一和第二氮化硅层及Si和SiGe的交替层被悬吊在该基板16之上。通过接线柱22、30，氮化硅和Si和SiGe的悬吊层被耦合到该ROIC19。

虽然已经说明和描述了本发明的实施例，这些实施例并不旨在说明和描述本发明的所有可能形式。而是，在本说明书中使用的语言是描述性而非限制性的语言，并且应理解的是可以在不背离本发明的精神和范围的情况下做出不同改变。

Claims

1.一种红外（IR）传感器，包括：

一个热电堆，包括：

一个基板；以及

一个吸收器，该吸收器放置在该基板之上并且形成其间隙，该吸收器用于接收来自一个场景的IR并且用于生成一个指示该场景温度的电输出，该吸收器由一个超点阵量子阱结构构成，以便该吸收器从该基板热隔离。

2.如权利要求1所述的传感器，其中该超点阵量子阱结构包括多个交替第一层和第二层。

3.如权利要求2所述的传感器，其中该多个交替第一层和第二层的总数是8至10层。

4.如权利要求2所述的传感器，其中这些第一层中的每一层包括硅并且这些第二层中的每一层包括硅锗。

5.如权利要求2所述的传感器，进一步包括一个第一封装层和一个第二封装层，该多个交替第一和第二层放置在该第一封装层与该第二封装层之间，用于支撑该间隙之上的该吸收器。

6.如权利要求5所述的传感器，其中该第一及该第二封装层中的每一个包括氮化硅及二氧化硅的其中一个。

7.如权利要求1所述的传感器，进一步包括一个放置在该吸收器的一个第一侧上的第一臂，以及一个放置在该吸收器的一个第二侧上的第二臂，其中该第一臂及该第二臂各自由该超点阵量子阱结构构成，以便该吸收器被该第一臂及该第二臂热隔离。

8.如权利要求7所述的传感器，其中该超点阵量子阱结构包括硅和硅锗的多个交替层。

9.如权利要求8所述的传感器，其中该第一臂及该第二臂中的该硅锗是n型掺杂和p型掺杂的其中一种，并且其中该硅锗的掺杂浓度是在5×10¹⁸与5×10¹⁹原子/立方厘米之间。

10.如权利要求8所述的传感器，其中每一层的硅和硅锗具有通常100埃的厚度。

11.如权利要求8所述的传感器，其中该硅和硅锗的多个交替层具有通常1000埃的总厚度。

12.如权利要求8所述的传感器，其中该硅和硅锗的多个交替层被氮化硅及二氧化硅的其中之一的一个第一层以及氮化硅及二氧化硅的其中之一的一个第二层封装，以应力补偿该多个交替层。

13.如权利要求12所述的传感器，其中该第一层具有在该硅和硅锗的多个交替层的总厚度的10%至100%的范围内的厚度。

14.一种红外（IR）传感器，包括：

一个热电堆，包括：

一个基板；以及

一个悬吊在该基板周围的吸收器，该吸收器用于接收来自一个场景的IR并且用于生成一个指示该场景温度的电输出，该吸收器由一个超点阵量子阱结构构成，以将该吸收器从该基板热隔离并提高该传感器的导电性。

15.如权利要求14所述的传感器，其中该超点阵量子阱结构包括多个交替第一层和第二层。

16.如权利要求15所述的传感器，其中该多个交替第一和第二层放置在一个第一封装层与一个第二封装层之间，以应力补偿该多个交替第一和第二层。

17.如权利要求16所述的传感器，其中该第一封装层及该第二封装层中的每一个包括氮化硅及二氧化硅的其中一个。

18.如权利要求15所述的传感器，其中这些第一层中的每一层包括硅并且这些第二层中的每一层包括硅锗。

19.如权利要求18所述的传感器，其中这些第一层硅包括总共4至5层的硅，并且这些第二层硅锗包括总共4至5层的硅锗。

20.如权利要求14所述的传感器，进一步包括放置在该吸收器的一侧上的一个臂，该臂由该超点阵量子阱结构构成。

21.一种用于形成红外（IR）传感器的方法，该方法包括：

形成一个基板；

用具有超点阵量子阱结构的多个交替第一和第二层形成一个吸收器，以及

将该吸收器放置在该基板周围，以便形成一个间隙以使该吸收器悬吊在该基板周围。

22.如权利要求21所述的传感器，进一步包括：

用该超点阵量子阱结构在带有该多个交替第一和第二层的该吸收器的一侧上形成一个臂；以及

将该臂放置在该基板之上。

23.如权利要求21所述的传感器，其中这些第一层中的每一层包括硅并且这些第二层中的每一层包括硅锗。

24.如权利要求21所述的传感器，进一步包括：

在该多个交替第一和第二层之上形成一个第一封装层；以及

在该多个交替第一和第二层之下形成一个第二封装层，该第一和第二封装层使得该吸收器能够被悬吊在该基板之上。

25.如权利要求24所述的传感器，其中该第一封装层及该第二封装层中的每一个包括氮化硅及二氧化硅的其中一个。