CN112768598B - 一种红外热释电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红外热释电探测器及其制备方法，该探测器包括晶圆，所述晶圆包括从下至上依次设置的硅衬底、介质薄膜层和晶体层，所述晶体层的表面沉积有两个顶部金属电极，其中至少一个顶部金属电极上沉积有红外吸收层，且两个顶部金属电极上沉积的红外吸收层面积不同；所述晶圆背面刻蚀有凹槽，所述凹槽底部为所述晶体层，所述凹槽底部的晶体层上沉积有底部金属电极。本发明所公开的红外热释电探测器通过在晶圆上加工，解决了底部金属电极难以引出的问题，极大减小了晶体层的厚度，提高了红外探测器的探测率。本发明的制备方法基于半导体工艺加工而成，制作的探测器一致性好。
Description
技术领域
本发明涉及一种红外热释电探测器，特别涉及一种红外热释电探测器及其制备方法。
背景技术
热释电效应是指极化强度随温度改变而表现出的电荷释放现象，宏观上是温度的改变使在材料的两端出现电压或产生电流。热释电效应与压电效应类似，热释电效应也是晶体的一种自然物理效应。热释电效应在近10年被用于热释电红外探测器中，广泛地用于辐射和非接触式温度测量、红外光谱测量、激光参数测量、工业自动控制、空间技术和红外摄像。
对于热释电探测器来说，热释电晶体越薄，其体积比热也就越小，探测器升温则也越明显，产生的热释电电流也越大，探测器的响应率也就越高。
红外热释电探测器一般组成包括：红外吸收材料，用于吸收红外光，提高热释电晶体薄膜温度；具有热释电效应的晶体或陶瓷，用于根据温变产生热释电效应，使晶体表面产生正负电荷；上下电极，用于导通热释电薄膜产生的正负电荷，形成热释电电流；衬底，用于支撑热释电薄膜结构。
目前，红外热释电探测器基本是通过晶体减薄后粘合在衬底上。通常情况下，由于是机械研磨或者腐蚀后通过键合到衬上。在研磨的过程中，晶体厚度研磨到几十微米后十分容易破碎。而对于在硅衬底上的热释电晶圆可以使热释电晶体做到几微米厚度，但是对于热释电探测器来说，在硅衬底上的热释电晶圆难以引出热释电探测器所需要的底部金属电极。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种红外热释电探测器及其制备方法，以达到避免了晶体的研磨与腐蚀，同时解决底部金属电极难以引出的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种红外热释电探测器，包括晶圆，所述晶圆包括从下至上依次设置的硅衬底、介质薄膜层和晶体层，所述晶体层的表面沉积有两个顶部金属电极，其中至少一个顶部金属电极上沉积有红外吸收层，且两个顶部金属电极上沉积的红外吸收层面积不同；所述晶圆背面刻蚀有凹槽，所述凹槽底部为所述晶体层，所述凹槽底部的晶体层上沉积有底部金属电极。
优选地，其中只有一个顶部金属电极上沉积有红外吸收层。
上述方案中，所述晶圆为钽酸锂晶圆或铌酸锂晶圆，所述晶体层为钽酸锂晶体层或铌酸锂晶体层。
上述方案中，所述介质薄膜层材料为SiO2、SiN或SiON。
上述方案中，所述顶部金属电极和底部金属电极的材料为铂、金、银或铝。
一种红外热释电探测器的制备方法，包括如下步骤：
(1)在晶圆上表面的晶体层上沉积两个顶部金属电极；
(2)在其中一个顶部金属电极上沉积红外吸收层；
(3)在晶圆背面刻蚀部分硅衬底和介质薄膜层形成凹槽，凹槽底部露出晶体层；
(4)在凹槽底部的晶体层上沉积底部金属电极。
通过上述技术方案，本发明提供的红外热释电探测器在晶圆上表面沉积两个顶部金属电极，与晶体层和底部金属电极共同构成了两个热释电探测器，其中一个顶部金属电极上沉积有红外吸收层，因此两个热释电探测器产生的电流大小不同，将两个顶部金属电极引出后，形成串联电路，电流方向相反，最终在外显示抵消后的热释电电流，因此，底部金属电极不需引出，解决了底部金属电极难以引出的问题。并且本发明的红外热释电探测器结构简单，成本低，制备方法简单，直接采用晶圆制作，不需要研磨与腐蚀晶体，产品质量得到了提升，极大减小了晶体层的厚度，提高了红外探测器的探测率。并且本发明基于半导体工艺加工而成，制作的探测器一致性好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例所公开的一种红外热释电探测器结构示意图；
图2为本发明的双元结构的红外热释电探测器产生电流原理图；
图3a为本发明实施例的制备方法所采用的钽酸锂晶圆结构图；
图3b为沉积顶部金属电极后的钽酸锂晶圆结构图；
图3c为沉积红外吸收层后的钽酸锂晶圆结构图；
图3d为钽酸锂晶圆背面刻蚀凹槽后的结构图；
图3e为沉积底部金属电极后的结构图。
图中，1、硅衬底；2、介质薄膜层；3、钽酸锂晶体层；4、顶部金属电极；5、红外吸收层；6、凹槽；7、底部金属电极。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供了一种红外热释电探测器，如图1所示，包括钽酸锂晶圆，钽酸锂晶圆包括从下至上依次设置的硅衬底1、介质薄膜层2和钽酸锂晶体层3，钽酸锂晶体层3的表面沉积有两个顶部金属电极4，其中只有一个顶部金属电极4上沉积有红外吸收层5；钽酸锂晶圆背面刻蚀有凹槽6，凹槽6底部为钽酸锂晶体层3，凹槽6底部的钽酸锂晶体层3上沉积有底部金属电极7。
本实施例中，介质薄膜层2材料为SiO2。顶部金属电极4和底部金属电极7的材料为铂。
本发明采用了双元结构的红外热释电探测器，每个元相当于一个小的热释电探测器。将顶部金属电极引出后，由于底部金属电极相连接，每个元产生的热释电电流大小不同而且方向相反，最终在外显示是会产生抵消后的热释电电流，如图2所示，因此，底部金属电极不需要引出。
为了使两个热释电探测器产生的电流大小不同，也可以在两个顶部金属电极4上分别沉积不同面积的红外吸收层5。
本发明提供了一种红外热释电探测器的制备方法，包括如下步骤：
(1)在如图3a所示的钽酸锂晶圆上表面的钽酸锂晶体层3上沉积两个顶部金属电极4，如图3b所示；
(2)在其中一个顶部金属电极4上沉积红外吸收层5，如图3c所示；
(3)在钽酸锂晶圆背面刻蚀部分硅衬底1和介质薄膜层2形成凹槽6，凹槽6底部露出钽酸锂晶体层3，如图3d所示；
(4)在凹槽6底部的钽酸锂晶体层3上沉积底部金属电极7，如图3e所示。
本发明所有的加工工艺，均可以在半导体产线上加以实现，简单、快速，一致性和可靠性高，大大降低了红外热释电传感器的成本。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (5)
1.一种红外热释电探测器的制备方法，其特征在于，红外热释电探测器包括晶圆，所述晶圆包括从下至上依次设置的硅衬底、介质薄膜层和晶体层，其特征在于，所述晶体层的表面沉积有两个顶部金属电极，其中至少一个顶部金属电极上沉积有红外吸收层，且两个顶部金属电极上沉积的红外吸收层面积不同；所述晶圆背面刻蚀有凹槽，所述凹槽底部为所述晶体层，所述凹槽底部的晶体层上沉积有底部金属电极；
制备方法包括如下步骤：
（1）在晶圆上表面的晶体层上沉积两个顶部金属电极；
（2）在其中一个顶部金属电极上沉积红外吸收层；
（3）在晶圆背面刻蚀部分硅衬底和介质薄膜层形成凹槽，凹槽底部露出晶体层；
（4）在凹槽底部的晶体层上沉积底部金属电极。
2.根据权利要求1所述的一种红外热释电探测器的制备方法，其特征在于，其中只有一个顶部金属电极上沉积有红外吸收层。
3.根据权利要求1所述的一种红外热释电探测器的制备方法，其特征在于，所述晶圆为钽酸锂晶圆或铌酸锂晶圆，所述晶体层为钽酸锂晶体层或铌酸锂晶体层。
4.根据权利要求1所述的一种红外热释电探测器的制备方法，其特征在于，所述介质薄膜层材料为SiO2、SiN或SiON。
5.根据权利要求1所述的一种红外热释电探测器的制备方法，其特征在于，所述顶部金属电极和底部金属电极的材料为铂、金、银或铝。
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