CN113447144A - 一种适应温度可调的非制冷红外探测器 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种适应温度可调的非制冷红外探测器,红外探测器中CMOS测量电路系统和CMOS红外传感结构均使用CMOS工艺制备,在CMOS测量电路系统上直接制备CMOS红外传感结构,吸收板中的电极层包括多个电极结构,多个电极结构将热敏感介质层划分为至少两个热敏电阻,CMOS测量电路系统选取两个电极结构以获取两个电极结构输出的电信号,CMOS测量电路系统通过选取不同的两个电极结构,以使接入CMOS测量电路系统的热敏结构对应至少两个不同阻值的常温等效电阻,热敏结构包括至少一个热敏电阻;两个电极结构分别输出正负信号。通过本公开的技术方案,解决了传统MEMS工艺红外探测器的性能低,像素规模低,良率低以及一致性差等问题,优化了红外探测器的环境温度适应性。
Description
技术领域
本公开涉及红外探测技术领域,尤其涉及一种适应温度可调的非制冷红外探测器。
背景技术
监控市场、车辅市场、家居市场、智能制造市场以及手机应用等领域都对非制冷高性能的芯片有着强烈的需求,且对芯片性能的好坏、性能的一致性以及产品的价格都有一定的要求,每年预计有亿颗以上芯片的潜在需求,而目前的工艺方案和架构无法满足市场需求。
目前红外探测器采用的是测量电路和红外传感结构结合的方式,测量电路采用CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor,互补金属氧化物半导体)工艺制备,而红外传感结构采用MEMS(Micro-Electro-Mechanical System,微电子机械系统)工艺制备,导致存在如下问题:
(1)红外传感结构采用MEMS工艺制备,以聚酰亚胺作为牺牲层,与CMOS工艺不兼容。
(2)聚酰亚胺作为牺牲层,存在释放不干净影响探测器芯片真空度的问题,还会使后续薄膜生长温度受限制,不利于材料的选择。
(3)聚酰亚胺会造成谐振腔高度不一致,工作主波长难以保证。
(4)MEMS工艺制程的控制远差于CMOS工艺,芯片的性能一致性和探测性能都会受到制约。
(5)MEMS产能低,良率低,成本高,不能实现大规模批量生产。
(6)MEMS现有的工艺能力不足以支撑更高性能的探测器制备,更小的线宽以及更薄的膜厚,不利于实现芯片的小型化。
另外,接触红外探测器例如包括非接触式测温传感器,其探测原理是红外探测器将待测目标物体发射的红外辐射信号转换成热信号,经过探测器热敏元件将热信号转变为电信号,再经过电路芯片将电信号进行处理输出,红外探测器由此实现红外探测功能。目前红外探测器中热敏元件的阻值恒定,以满足红外探测器中电路芯片对热敏元件阻值的要求,但是当红外探测器所处环境温度变化时,热敏元件的阻值受温度影响同样发生变化,导致热敏元件的阻值不再满足电路芯片的要求,进而导致红外探测器的环境温度适应性较差,影响红外探测器的红外探测性能。
发明内容
为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题,本公开提供了一种适应温度可调的非制冷红外探测器,解决了传统MEMS工艺红外探测器的性能低,像素规模低,良率低以及一致性差等问题,优化了红外探测器的环境温度适应性。
本公开提供了一种适应温度可调的非制冷红外探测器,包括:
CMOS测量电路系统和CMOS红外传感结构,所述CMOS测量电路系统和所述CMOS红外传感结构均使用CMOS工艺制备,在所述CMOS测量电路系统上直接制备所述CMOS红外传感结构;
所述CMOS测量电路系统上方包括至少一层密闭释放隔绝层,所述密闭释放隔绝层用于在制作所述CMOS红外传感结构的释放刻蚀过程中,保护所述CMOS测量电路系统不受工艺影响;
所述CMOS红外传感结构的CMOS制作工艺包括金属互连工艺、通孔工艺、IMD工艺以及RDL工艺,所述CMOS红外传感结构包括至少两层金属互连层、至少两层介质层和多个互连通孔,所述金属互连层至少包括反射层和电极层,所述介质层至少包括一层牺牲层和一层热敏感介质层;其中,所述热敏感介质层包括电阻温度系数大于设定值的热敏材料,所述热敏感介质层用于将其吸收的红外辐射对应的温度变化转化为电阻变化,进而通过所述CMOS测量电路系统将红外目标信号转化成可实现电读出的信号;
所述CMOS红外传感结构包括由所述反射层和所述热敏感介质层构成的谐振腔、控制热传递的悬空微桥结构以及具有电连接和支撑功能的柱状结构,所述悬空微桥结构包括吸收板和多个梁结构,所述柱状结构采用所述金属互连工艺和所述通孔工艺连接所述梁结构和所述CMOS测量电路系统;
所述红外探测器包括多个阵列排布的红外探测器像元,一个所述红外探测器像元中,所述吸收板中的所述电极层包括多个电极结构,所述多个电极结构将所述热敏感介质层划分为至少两个热敏电阻,所述CMOS测量电路系统用于选取两个电极结构以获取所述两个电极结构输出的电信号,所述CMOS测量电路系统通过选取不同的所述两个电极结构,以使接入所述CMOS测量电路系统的热敏结构对应至少两个不同阻值的常温等效电阻,所述热敏结构包括至少一个所述热敏电阻;其中,所述两个电极结构分别用于输出红外探测正信号和红外探测负信号;
所述CMOS测量电路系统用于测量和处理一个或多个所述CMOS红外传感结构形成的阵列电阻值,并将红外信号转化为图像电信号;所述CMOS测量电路系统包括偏压产生电路、列级模拟前端电路和行级电路,所述偏压产生电路的输入端连接所述行级电路的输出端,所述列级模拟前端电路的输入端连接所述偏压产生电路的输出端,所述行级电路中包括行级镜像像元和行选开关,所述列级模拟前端电路中包括盲像元;其中,所述行级电路分布在每个像素内并根据时序产生电路的行选通信号选取待处理信号,并在所述偏压产生电路的作用下输出电流信号至所述列级模拟前端电路以进行电流电压转换输出;
所述行级电路受所述行选开关控制而被选通时向所述偏压产生电路输出第三偏置电压,所述偏压产生电路根据输入的恒压及所述第三偏置电压输出第一偏置电压和第二偏置电压,所述列级模拟前端电路根据所述第一偏置电压和所述第二偏置电压得到两路电流,并对所产生的两路电流之差进行跨阻放大并作为输出电压输出。
可选地,在所述CMOS测量电路系统的金属互连层上层或者同层制备所述CMOS红外传感结构。
可选地,所述牺牲层用于使所述CMOS红外传感结构形成镂空结构,构成所述牺牲层的材料是氧化硅,采用post-CMOS工艺腐蚀所述牺牲层。
可选地,所述电极结构为条状电极结构,所述条状电极结构沿第一方向延伸并沿第二方向排列;其中,所述第一方向和所述第二方向相互垂直;
对应相邻所述条状电极结构之间的区域设置的所述热敏感介质层形成一个所述热敏电阻,沿所述第二方向,相邻的所述条状电极结构之间的间距不同。
可选地,所述热敏感介质层包括整面热敏结构,沿垂直于所述CMOS测量电路系统的方向,所述整面热敏结构至少覆盖相邻的所述条状电极结构之间的间隙区域;或者,
所述热敏感介质层包括多个条状热敏结构,相邻的所述条状电极结构之间设置有一个所述条状热敏结构。
可选地,所述电极结构为块状电极结构,所述块状电极结构分布于所述吸收板相对设置的第一侧和第二侧;
对应分别位于所述第一侧和所述第二侧且相邻的两个所述块状电极结构之间的区域设置的热敏感介质层形成一个所述热敏电阻,所有所述热敏电阻的阻值相等。
可选地,所述热敏感介质层包括一个条状热敏结构,沿垂直于所述CMOS测量电路系统的方向,所述条状热敏结构与所有所述块状电极结构均存在交叠区域;或者,
所述热敏感介质层包括多个条状热敏结构,分别位于所述第一侧和所述第二侧且相邻的两个所述块状电极结构之间设置有一个所述条状热敏结构。
可选地,所述电极层包括一个条状电极结构和多个块状电极结构,所述条状电极结构与所述多个块状电极结构分别位于所述吸收板沿第一方向相对设置的第一侧和第二侧,所述条状电极结构沿第二方向延伸,所述块状电极结构沿所述第二方向排列;其中,所述第一方向和所述第二方向相互垂直;
所述条状电极结构和所述块状电极结构之间的区域设置的热敏感介质层形成一个所述热敏电阻,所述热敏电阻的阻值各不相同。
可选地,所述热敏感介质层包括多个条状热敏结构,所述条状电极结构和所述块状电极结构之间设置有一个所述条状热敏结构,所述条状热敏结构沿所述第二方向的宽度各不相同。
可选地,所述吸收板上形成有至少一个孔状结构,所述孔状结构至少贯穿所述吸收板中的介质层;和/或,所述梁结构上形成有至少一个孔状结构;
所述红外探测器还包括加固结构,所述加固结构对应所述柱状结构所在位置设置,所述加固结构用于增强所述柱状结构与所述悬空微桥结构之间的连接稳固性;
所述密闭释放隔绝层位于所述CMOS测量电路系统和所述CMOS红外传感结构之间的界面和/或位于所述CMOS红外传感结构中;
所述红外探测器是基于3nm、7nm、10nm、14nm、22nm、28nm、32nm、45nm、65nm、90nm、130nm、150nm、180nm、250nm或350nm CMOS工艺制程,构成所述金属互连层的金属连线材料包括铝、铜、钨、钛、镍、铬、铂、银、钌或钴中的至少一种。
本公开实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点:
本公开实施例利用CMOS工艺实现了CMOS测量电路系统和CMOS红外传感结构在CMOS生产线上一体化制备,相较于MEMS工艺,CMOS不存在工艺兼容问题,解决了MEMS工艺面临的技术难点,采用CMOS工艺产线工艺制备红外探测器也可以减小运输成本,减少运输等问题造成的风险;红外探测器以氧化硅作为牺牲层,氧化硅与CMOS工艺完全兼容,制备工艺简单且易于控制,CMOS工艺也不会出现牺牲层聚酰亚胺释放不干净影响探测器芯片真空度的问题,且后续薄膜生长温度不受牺牲层材料的限制,可以实现牺牲层多层工艺设计,不受工艺限制,可以很容易地利用牺牲层实现平坦化,降低工艺难度和可能存在的风险;一体化CMOS工艺制备的红外探测器可实现芯片高良品率、低成本、高产能且大规模集成化生产的目标,为红外探测器提供更广阔的应用市场;基于CMOS工艺的红外探测器可以使红外探测器实现特征结构更小的尺寸和更薄的膜厚,使得红外探测器占空比更大、热导更低、热容更小,从而使得红外探测器的探测灵敏度更高、探测距离更远以及探测性能更好;基于CMOS工艺的红外探测器,可以使探测器像元尺寸更小,实现相同阵列像素下更小的芯片面积,更利于实现芯片小型化;基于CMOS工艺的红外探测器,工艺产线成熟,工艺控制精度更高,可以更好地达到设计要求,产品的一致性更好,更利于电路片调整性能,更利于产业化批量生产。另外,实现了对应不同常温等效电阻的热敏结构根据红外探测器所处环境温度的变化趋于相同的阻值,使得红外探测器可适应的环境温度可调,使得红外探测器可同时适用于高温和低温环境,优化了红外探测器的环境温度适应性,当红外探测器所处环境温度变化时,热敏结构的阻值仍可满足CMOS测量电路系统的要求。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分,示出了符合本公开的实施例,并与说明书一起用于解释本公开的原理。
为了更清楚地说明本公开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,显而易见地,对于本领域普通技术人员而言,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本公开实施例提供的一种红外探测器像元的立体结构示意图;
图2为本公开实施例提供的一种红外探测器像元的剖面结构示意图;
图3为本公开实施例提供的一种红外探测器像元中电极层和热敏感介质层的俯视结构示意图;
图4为本公开实施例提供的另一种适应温度可调的非制冷红外探测器像元中电极层和热敏感介质层的俯视结构示意图;
图5为本公开实施例提供的另一种适应温度可调的非制冷红外探测器像元中电极层和热敏感介质层的俯视结构示意图;
图6为本公开实施例提供的另一种适应温度可调的非制冷红外探测器像元中电极层和热敏感介质层的俯视结构示意图;
图7为本公开实施例提供的另一种适应温度可调的非制冷红外探测器像元中电极层和热敏感介质层的俯视结构示意图;
图8为本公开实施例提供的另一种适应温度可调的非制冷红外探测器像元中电极层和热敏感介质层的俯视结构示意图;
图9为本公开实施例提供的另一种红外探测器像元的剖面结构示意图;
图10为本公开实施例提供的另一种红外探测器像元的剖面结构示意图;
图11为本公开实施例提供的另一种红外探测器像元的剖面结构示意图;
图12为本公开实施例提供的另一种红外探测器像元的剖面结构示意图;
图13为本公开实施例提供的另一种红外探测器像元的剖面结构示意图;
图14为本公开实施例提供的另一种红外探测器像元的剖面结构示意图;
图15为本公开实施例提供的一种CMOS测量电路系统的结构示意图;
图16为本公开实施例提供的另一种红外探测器像元的剖面结构示意图;
图17为本公开实施例提供的另一种红外探测器像元的剖面结构示意图;
图18为本公开实施例提供的另一种红外探测器像元的剖面结构示意图;
图19为本公开实施例提供的另一种红外探测器像元的剖面结构示意图;
图20为本公开实施例提供的另一种红外探测器像元的剖面结构示意图;
图21为本公开实施例提供的另一种红外探测器像元的剖面结构示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点,下面将对本公开的方案进行进一步描述。需要说明的是,在不冲突的情况下,本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开,但本公开还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施;显然,说明书中的实施例只是本公开的一部分实施例,而不是全部的实施例。
图1为本公开实施例提供的一种红外探测器像元的立体结构示意图,图2为本公开实施例提供的一种红外探测器像元的剖面结构示意图。结合图1和图2,红外探测器包括多个阵列排布的红外探测器像元,基于CMOS工艺的红外探测器包括CMOS测量电路系统1和CMOS红外传感结构2,CMOS测量电路系统1和CMOS红外传感结构2均使用CMOS工艺制备,在CMOS测量电路系统1上直接制备CMOS红外传感结构2。
具体地,CMOS红外传感结构2用于将外部红外信号转换为电信号并传输至CMOS测量电路系统1,CMOS测量电路系统1根据接收到的电信号反映出对应红外信号的温度信息,实现红外探测器的温度检测功能。设置CMOS测量电路系统1和CMOS红外传感结构2均使用CMOS工艺制备,在CMOS测量电路系统1上直接制备CMOS红外传感结构2,即先采用CMOS工艺制备CMOS测量电路系统1,再利用CMOS生产线以及该生产线兼容的各项工艺的参数,利用CMOS工艺连续制备CMOS红外传感结构2。
由此,本公开实施例利用CMOS工艺实现了CMOS测量电路系统1和CMOS红外传感结构2在CMOS生产线上一体化制备,相较于MEMS工艺,CMOS不存在工艺兼容问题,解决了MEMS工艺面临的技术难点,采用CMOS产线工艺制备红外探测器也可以减小运输成本,减少运输等问题造成的风险;红外探测器以氧化硅作为牺牲层,氧化硅与CMOS工艺完全兼容,制备工艺简单且易于控制,CMOS工艺也不会出现牺牲层聚酰亚胺释放不干净影响探测器芯片真空度的问题,且后续薄膜生长温度不受牺牲层材料的限制,可以实现牺牲层多层工艺设计,不受工艺限制,可以很容易地利用牺牲层实现平坦化,降低工艺难度和可能存在的风险;一体化CMOS工艺制备的红外探测器可实现芯片高良品率、低成本、高产能且大规模集成化生产的目标,为红外探测器提供更广阔的应用市场;基于CMOS工艺的红外探测器可以使红外探测器实现特征结构更小的尺寸和更薄的膜厚,使得红外探测器占空比更大、热导更低、热容更小,从而使得红外探测器的探测灵敏度更高、探测距离更远以及探测性能更好;基于CMOS工艺的红外探测器,可以使探测器像元尺寸更小,实现相同阵列像素下更小的芯片面积,更利于实现芯片小型化;基于CMOS工艺的红外探测器,工艺产线成熟,工艺控制精度更高,可以更好地达到设计要求,产品的一致性更好,更利于电路片调整性能,更利于产业化批量生产。
结合图1和图2,CMOS红外传感结构2包括由反射层4和热敏感介质层12构成的谐振腔、控制热传递的悬空微桥结构40以及具有电连接和支撑功能的柱状结构6,悬空微桥结构40包括吸收板10和多个梁结构11。具体地,CMOS红外传感结构2包括位于CMOS测量电路系统1上的反射层4、悬空微桥结构40和柱状结构6,柱状结构6位于反射层4和悬空微桥结构40之间,反射层4包括反射板41和支撑底座42,悬空微桥结构40通过柱状结构6和支撑底座42与CMOS测量电路系统1电连接。
具体地,柱状结构6位于反射层4和悬空微桥结构40之间,用于在CMOS测量电路系统1上的牺牲层释放后支撑悬空微桥结构40,牺牲层位于反射层4与悬空微桥结构40之间,悬空微桥结构40将经由红外信号转换出来的电信号经过对应的柱状结构6以及对应的支撑底座42传输至CMOS测量电路系统1,CMOS测量电路系统1处理电信号以反映出温度信息,实现红外探测器非接触式的红外温度检测。另外,吸收板10至少包括热敏感介质层12和电极层14,热敏感介质层12用于转换其自身吸收的红外信号为电信号,电极层14用于调节热敏感介质层12的电阻并将经由热敏感介质层12转换后的电信号通过对应的梁结构11传输至CMOS测量电路系统1,梁结构11至少包括电极层14,梁结构11为进行电传输和热传导的结构。示例性地,可以如图2所示设置电极层14位于热敏感介质层12临近CMOS测量电路系统1的一侧,也可以设置电极层14位于热敏感介质层12远离CMOS测量电路系统1的一侧,本公开实施例对此不作具体限定。
CMOS红外传感结构2通过不同的电极结构输出正电信号和接地电信号,正电信号和接地电信号通过不同的柱状结构6传输至与柱状结构6电连接的支撑底座42,图1示例性地示意沿平行于CMOS测量电路系统1的方向,CMOS红外传感结构2包括四个柱状结构6,四个柱状结构6可以两两为一组分别传输正电信号和接地电信号,由于红外探测器包括多个阵列排布的红外探测器像元,四个柱状结构6也可以选择其中的两个柱状结构6分别传输正电信号和接地电信号,另外两个柱状结构6供给相邻的红外探测器像元进行电信号的传输,也可以设置CMOS红外传感结构2包括两个柱状结构6,可以设置其中一个柱状结构6用于传输正电信号,另一个柱状结构6用于传输接地电信号。另外,反射层4包括反射板41和支撑底座42,反射层4的一部分用于充当柱状结构6与CMOS测量电路系统1电连接的电介质,即支撑底座42,反射板41则用于反射红外线至悬空微桥结构40,配合反射层4和悬空微桥结构40之间形成的谐振腔实现红外线的二次吸收,以提高红外探测器的红外吸收率,优化红外探测器的红外探测性能。
图3为本公开实施例提供的一种红外探测器像元中电极层和热敏感介质层的俯视结构示意图。结合图1至图3,红外探测器包括多个阵列排布的红外探测器像元,一个红外探测器像元中,吸收板10中的电极层14包括多个电极结构140,多个电极结构140将热敏感介质层12划分为至少两个热敏电阻,图3示例性地设置电极层14包括四个电极结构140,四个电极结构140将热敏感介质层12划分为三个热敏电阻R1、R2和R3。CMOS测量电路系统1用于选取两个电极结构140以获取两个电极结构140输出的电信号,CMOS测量电路系统1通过选取不同的两个电极结构140,以使接入CMOS测量电路系统1的热敏结构对应至少两个不同阻值的常温等效电阻,热敏结构包括至少一个热敏电阻,两个电极结构140分别用于输出红外探测正信号和红外探测负信号。
具体地,当CMOS测量电路系统1选取电极结构1401和电极结构1402分别输出红外探测正信号和红外探测负信号时,接入CMOS测量电路系统1的热敏结构包括热敏电阻R1,当CMOS测量电路系统1选取电极结构1402和电极结构1403分别输出红外探测正信号和红外探测负信号时,接入CMOS测量电路系统1的热敏结构包括热敏电阻R2,当CMOS测量电路系统1选取电极结构1403和电极结构1404分别输出红外探测正信号和红外探测负信号时,接入CMOS测量电路系统1的热敏结构包括热敏电阻R3。由于热敏电阻R1、R2和R3沿图3中YY’方向的长度不同,垂直于YY’方向的横截面积相同,因为热敏电阻R1、R2和R3对应不同阻值的常温等效电阻,由此实现CMOS测量电路系统1通过选取不同的两个电极结构140,以使接入CMOS测量电路系统1的热敏结构对应至少两个不同阻值的常温等效电阻。
示例性地,可以设置热敏电阻R1处于第一环境温度范围时的阻值范围、热敏电阻R2处于第二环境温度范围时的阻值范围与热敏电阻R3处于第三环境温度范围时的阻值范围相等,对应的阻值范围均满足衬底1中CMOS测量电路系统1对热敏电阻的阻值范围的要求,第一环境温度范围、第二环境温度范围和第三环境温度范围各不相同。
当红外探测器处于第一环境温度范围时,CMOS测量电路系统1则可以选择电极结构1401和电极结构1402分别输出红外探测正信号和红外探测负信号,以使得热敏电极R1接入CMOS测量电路系统1,进而满足CMOS测量电路系统1对热敏电阻的阻值范围的要求。同样地,当红外探测器处于第二环境温度范围时,CMOS测量电路系统1则可以选择电极结构1402和电极结构1403分别输出红外探测正信号和红外探测负信号,以使得热敏电极R2接入CMOS测量电路系统1,进而满足CMOS测量电路系统1对热敏电阻的阻值范围的要求;当红外探测器处于第三环境温度范围时,CMOS测量电路系统1则可以选择电极结构1403和电极结构1404分别输出红外探测正信号和红外探测负信号,以使得热敏电极R3接入CMOS测量电路系统1,进而满足CMOS测量电路系统1对热敏电阻的阻值范围的要求。
由此,本公开实施例利用CMOS测量电路系统1选取不同的两个电极结构140接入电路,即选取不同的两个电极结构140分别输出红外探测正信号和和红外探测负信号,以使得接入CMOS测量电路系统1的热敏结构对应至少两个不同阻值的常温等效电阻,有利于实现对应不同常温等效电阻的热敏结构根据红外探测器所处环境温度的变化趋于相同的阻值,使得红外探测器可适应的环境温度可调,即有利于实现红外探测器可同时适用于高温和低温环境,优化了红外探测器的环境温度适应性,当红外探测器所处环境温度变化时,热敏结构的阻值仍可满足CMOS测量电路系统1的要求。
可选地,结合图1至图3,可以设置电极结构140与梁结构11一一对应设置,电极结构140通过对应的梁结构11将电信号传输至CMOS测量电路系统1中的对应端口。图1示例性地设置红外探测器像元包括四个梁结构11,图3示例性地设置电极层14包括四个电极结构140,电极结构140和梁结构11一一对应设置,还可以设置CMOS测量电路系统1包括用于接收梁结构11输出的电信号的端口,梁结构11与CMOS测量电路系统1中的端口同样一一对应设置。示例性地,可以设置电极结构1401与梁结构111对应设置,电极结构1402与梁结构112对应设置,电极结构1403与梁结构113对应设置,电极结构1404与梁结构114对应设置,电极结构140通过对应的梁结构11将电信号传输至CMOS测量电路系统1中对应的端口。
由此,CMOS测量电路系统1可以通过对端口的选择实现选取两个电极结构140分别输出红外探测正信号和红外探测负信号,即通过CMOS测量电路系统1调试接入的电极结构140,使得接入CMOS测量电路系统1的热敏电阻满足CMOS测量电路系统1对热敏电阻阻值的要求,有利于实现红外探测器可同时适用于高温和低温环境,优化了红外探测器的环境适应性。
结合图1至图3,可以设置电极结构140为条状电极结构,条状电极结构沿第一方向XX’延伸并沿第二方向YY’排列,第一方向XX’和第二方向YY’相互垂直。对应相邻条状电极结构之间的区域设置的热敏感介质层12形成一个热敏电阻,沿第二方向YY’,相邻的条状电极结构之间的间距不同。
图3示例性地设置电极层14包括四个条状电极结构,对应相邻条状电极结构之间的区域设置的热敏感介质层12形成一个热敏电阻,四个条状电极结构将热敏感介质层12划分为R1、R2和R3三个热敏电阻。沿第二方向YY’,相邻的条状电极结构之间的间距不同,例如可以如图3所示设置从上至下,相邻的条状电极结构之间的间距依次增加,因此热敏电阻R1、R2和R3沿第二方向YY’的长度逐渐增加,垂直于第二方向YY’的横截面积相同,热敏电阻R1、R2和R3的常温等效电阻依次增加,即常温下,热敏电阻R1的电阻小于热敏电阻R2的电阻小于热敏电阻R3的电阻。
示例性地,可以设置当红外探测器处于低温环境,例如红外探测器所处的环境温度大于-80℃,小于0℃时,CMOS测量电路系统1选择电极结构1401和电极结构1402输出的电信号进行处理,此时接入CMOS测量电路系统1的热敏结构为热敏电阻R1。可以设置当红外探测器处于常温环境,例如红外探测器所处的环境温度大于-20℃,小于60℃时,CMOS测量电路系统1选择电极结构1402和电极结构1403输出的电信号进行处理,此时接入CMOS测量电路系统1的热敏结构为热敏电阻R2。可以设置当红外探测器处于高温环境,例如红外探测器所处的环境温度大于40℃小于100℃时,CMOS测量电路系统1选择电极结构1403和电极结构1404输出的电信号进行处理,此时接入CMOS测量电路系统1的热敏结构为热敏电阻R3。
示例性地,可以设置构成热敏感介质层12的材料包括由氧化钛、氧化钒、非晶硅、非晶锗、非晶锗硅、非晶锗氧硅、硅、锗、锗硅、锗氧硅、石墨烯、钛酸锶钡薄膜、铜或铂制备的材料中的至少一种,氧化钛、氧化钒、非晶硅、非晶锗、非晶锗硅、非晶锗氧硅、硅、锗、锗硅、锗氧硅、石墨烯、钛酸锶钡薄膜、铜或铂材料的电阻随温度的变化而变化,且氧化钛、氧化钒、非晶硅、非晶锗、非晶锗硅、非晶锗氧硅、硅、锗、锗硅、锗氧硅、石墨烯或钛酸锶钡薄膜材料的电阻随温度的升高而减小,随温度的降低而增加,为负电阻温度系数的材料,铜或铂材料的电阻随温度的升高而增加,随温度的降低而减小,为正电阻温度系数的材料。
由于热敏电阻R1、R2和R3的常温等效电阻依次增加,因此,设置低温环境下选择热敏电阻R1接入CMOS测量电路系统1,常温环境下选择热敏电阻R2接入CMOS测量电路系统1,高温环境下选择热敏电阻R3接入CMOS测量电路系统1,且可以设置热敏电阻均为负电阻温度系数电阻,有利于实现不同环境温度下,热敏电阻R1、R2和R3的电阻趋于相同。由此,CMOS测量电路系统1通过选取不同的两个电极结构140分别输出红外探测正信号和和红外探测负信号,有利于实现对应不同常温等效电阻的热敏结构根据红外探测器所处环境温度变的变化趋于相同的阻值,使得红外探测器可适应的环境温度可调,即有利于实现红外探测器可同时适用于高温和低温环境,优化了红外探测器的环境适应性,当红外探测器所处环境温度变化时,热敏结构的阻值仍可满足CMOS测量电路系统1的要求。
同样地,热敏感介质层12由负温度系数材料构成时,还可以设置当红外探测器处于低温环境时,CMOS测量电路系统1选择电极结构1401和电极结构1402输出的电信号进行处理以选择热敏电阻R1。当红外探测器处于常温环境时,CMOS测量电路系统1选择电极结构1402和电极结构1403输出的电信号进行处理以选择热敏电阻R2。当红外探测器处于高温环境时,CMOS测量电路系统1选择电极结构1401和电极结构1403输出的电信号进行处理以选择热敏电阻R1和热敏电阻R2,且热敏电阻R1和热敏电阻R2为串联关系。
或者,可以设置当红外探测器处于低温环境时,CMOS测量电路系统1选择电极结构1402和电极结构1403输出的电信号进行处理以选择热敏电阻R2。当红外探测器处于常温环境时,CMOS测量电路系统1选择电极结构1403和电极结构1404输出的电信号进行处理以选择热敏电阻R3。当红外探测器处于高温环境时,CMOS测量电路系统1选择电极结构1402和电极结构1404输出的电信号进行处理以选择热敏电阻R2和热敏电阻R3,此时接入CMOS测量电路系统1的热敏结构包括热敏电阻R2和热敏电阻R3,且热敏电阻R2和热敏电阻R3为串联关系。
或者,可以设置当红外探测器处于低温环境时,CMOS测量电路系统1选择电极结构1401和电极结构1403输出的电信号进行处理以选择热敏电阻R1和热敏电阻R2,此时接入CMOS测量电路系统1的热敏结构包括热敏电阻R1和热敏电阻R2,且热敏电阻R1和热敏电阻R2为串联关系。当红外探测器处于常温环境时,CMOS测量电路系统1选择电极结构1403和电极结构1404输出的电信号进行处理以选择热敏电阻R3。当红外探测器处于高温环境时,CMOS测量电路系统1选择电极结构1401和电极结构1404输出的电信号进行处理以选择热敏电阻R1、热敏电阻R2和热敏电阻R3,此时接入CMOS测量电路系统1的热敏结构包括热敏电阻R1、热敏电阻R2和热敏电阻R3,且热敏电阻R1、热敏电阻R2和热敏电阻R3为串联关系,此时还需要设置热敏电阻R1与热敏电阻R2串联后的常温等效电阻小于热敏电阻R3的常温等效电阻。
或者,可以设置当红外探测器处于低温环境时,CMOS测量电路系统1选择电极结构1401和电极结构1402输出的电信号进行处理以选择热敏电阻R1。当红外探测器处于常温环境时,CMOS测量电路系统1选择电极结构1402和电极结构1404输出的电信号进行处理以选择热敏电阻R2和热敏电阻R3,此时接入CMOS测量电路系统1的热敏结构包括热敏电阻R2和热敏电阻R3,且热敏电阻R2和热敏电阻R3为串联关系。当红外探测器处于高温环境时,CMOS测量电路系统1选择电极结构1401和电极结构1404输出的电信号进行处理以选择热敏电阻R1、热敏电阻R2和热敏电阻R3,此时接入CMOS测量电路系统1的热敏结构包括热敏电阻R1、热敏电阻R2和热敏电阻R3,且热敏电阻R1、热敏电阻R2和热敏电阻R3为串联关系。
以上,以热敏感介质层12由负温度系数材料构成为例,CMOS测量电路系统1通过选取不同的两个电极结构140分别输出红外探测正信号和和红外探测负信号,有利于实现对应不同常温等效电阻的热敏结构根据红外探测器所处环境温度变的变化趋于相同的阻值,使得红外探测器可适应的环境温度可调。另外,也可以设置热敏感介质层12由正温度系数材料构成,则将上述低温环境和高温环境下,CMOS测量电路系统1选取的电极结构140的情况互换即可,例如可以设置当红外探测器处于低温环境时,CMOS测量电路系统1选择电极结构1403和电极结构1404输出的电信号进行处理以选择热敏电阻R3。当红外探测器处于常温环境时,CMOS测量电路系统1选择电极结构1402和电极结构1403输出的电信号进行处理以选择热敏电阻R2。当红外探测器处于高温环境时,CMOS测量电路系统1选择电极结构1401和电极结构1402输出的电信号进行处理以选择热敏电阻R1。
示例性地,参照图3,也可以设置电极层14包括三个条状电极结构,对应相邻条状电极结构之间的区域设置的热敏感介质层12形成一个热敏电阻,三个条状电极结构将热敏感介质层12划分为R1和R2两个热敏电阻,即可以设置多个电极结构将热敏感介质层12划分为两个热敏电阻,可以设置红外探测器处于不同环境温度时,CMOS测量电路系统1选择电极结构1401和电极结构1402输出的电信号进行处理以选择热敏电阻R1,或者CMOS测量电路系统1选择电极结构1402和电极结构1403输出的电信号进行处理以选择热敏电阻R2,具体工作原理与图3类似,这里不再赘述。可选地,如图3所示,可以设置热敏感介质层12包括整面热敏结构,沿垂直于衬底1的方向,整面热敏结构至少覆盖相邻的条状电极结构之间的间隙区域,整面热敏结构还可以覆盖条状电极结构所在区域。由此,利用多个条状电极结构可以将热敏感介质层12划分为至少两个热敏电阻,沿第二方向YY’,相邻的条状电极结构之间的间距不同,CMOS测量电路系统1通过选取不同的两个电极结构140,使得接入CMOS测量电路系统1的热敏结构对应至少两个不同阻值的常温等效电阻。
图4为本公开实施例提供的另一种适应温度可调的非制冷红外探测器像元中电极层和热敏感介质层的俯视结构示意图。如图4所示,也可以设置热敏感介质层12包括多个条状热敏结构121,相邻的条状电极结构之间设置有一个条状热敏结构121,条状热敏结构121与电极结构140不存在交叠区域,一个条状热敏结构121构成一个热敏电阻,沿第二方向YY’,相邻的条状电极结构之间的间距不同,使得不同条状热敏结构41沿第二方向YY’的长度不同,CMOS测量电路系统1通过选取不同的两个电极结构140,使得接入CMOS测量电路系统1的热敏结构对应至少两个不同阻值的常温等效电阻。
图5为本公开实施例提供的另一种适应温度可调的非制冷红外探测器像元中电极层和热敏感介质层的俯视结构示意图。结合图1、图2和图5,也可以设置电极结构140为块状电极结构,块状电极结构分布于吸收板10相对设置的第一侧和第二侧,图5示例性地设置块状电极结构分布于吸收板10的左右两侧。对应分别位于第一侧和第二侧且相邻的两个块状电极结构之间的区域设置的热敏感介质层12形成一个热敏电阻,例如块状电极结构1401和块状电极结构1402之间的区域设置有一个热敏电阻R1,块状电极结构1402和块状电极结构1403之间的区域设置有一个热敏电阻R2,块状电极结构1403和块状电极结构1404之间的区域设置有一个热敏电阻R3,且所有热敏电阻的阻值相等。
图5示例性地设置电极层14包括四个块状电极结构,对应分别位于第一侧和第二侧且相邻的两个块状电极结构之间的区域设置的热敏感介质层12形成一个热敏电阻,四个块状电极结构将热敏感介质层12划分为R1、R2和R3三个热敏电阻。可以设置热敏电阻R1、R2和R3的长度和横截面积均相等,以使热敏电阻R1、R2和R3的阻值相等。
示例性地,可以设置当红外探测器处于低温环境,例如红外探测器所处的环境温度大于-80℃,小于0℃时,CMOS测量电路系统1选择电极结构1401和电极结构1402输出的电信号进行处理,此时接入CMOS测量电路系统1的热敏结构为热敏电阻R1。可以设置当红外探测器处于常温环境,例如红外探测器所处的环境温度大于-20℃,小于60℃时,CMOS测量电路系统1选择电极结构1401和电极结构1403输出的电信号进行处理,此时接入CMOS测量电路系统1的热敏结构为热敏电阻R1和热敏电阻R2,且热敏电阻R1和热敏电阻R2为串联关系。可以设置当红外探测器处于高温环境,例如红外探测器所处的环境温度大于40℃小于100℃时,CMOS测量电路系统1选择电极结构1401和电极结构1404输出的电信号进行处理,此时接入CMOS测量电路系统1的热敏结构为热敏电阻R1、热敏电阻R2和热敏电阻R3,且热敏电阻R1、热敏电阻R2和热敏电阻R3为串联关系。
示例性地,可以设置构成热敏感介质层12的材料包括由氧化钛、氧化钒、非晶硅、非晶锗、非晶锗硅、非晶锗氧硅、硅、锗、锗硅、锗氧硅、石墨烯、钛酸锶钡薄膜、铜或铂制备的材料中的至少一种,氧化钛、氧化钒、非晶硅、非晶锗、非晶锗硅、非晶锗氧硅、硅、锗、锗硅、锗氧硅、石墨烯、钛酸锶钡薄膜、铜或铂材料的电阻随温度的变化而变化,且氧化钛、氧化钒、非晶硅、非晶锗、非晶锗硅、非晶锗氧硅、硅、锗、锗硅、锗氧硅、石墨烯或钛酸锶钡薄膜材料的电阻随温度的升高而减小,随温度的降低而增加,为负电阻温度系数的材料,铜或铂材料的电阻随温度的升高而增加,随温度的降低而减小,为正电阻温度系数的材料。
由于热敏电阻R1、R2和R3的阻值相等,因此,设置低温环境下选择热敏电阻R1接入CMOS测量电路系统1,常温环境下选择热敏电阻R1和热敏电阻R2接入CMOS测量电路系统1,高温环境下选择热敏电阻R1、热敏电阻R2和热敏电阻R3接入CMOS测量电路系统1,且热敏电阻可以均为负电阻温度系数电阻,有利于实现不同环境温度下,热敏电阻R1、热敏电阻R1和热敏电阻R2的串联电阻趋于相同。由此,CMOS测量电路系统1通过选取不同的两个电极结构140分别输出红外探测正信号和和红外探测负信号,有利于实现对应不同常温等效电阻的热敏结构根据红外探测器所处环境温度变的变化趋于相同的阻值,使得红外探测器可适应的环境温度可调,即有利于实现红外探测器可同时适用于高温和低温环境,优化了红外探测器的环境适应性,当红外探测器所处环境温度变化时,热敏结构的阻值仍可满足CMOS测量电路系统1的要求。
同样地,以热敏感介质层12由负温度系数材料构成为例,还可以设置当红外探测器处于低温环境时,CMOS测量电路系统1选择电极结构1403和电极结构1404输出的电信号进行处理以选择热敏电阻R3。当红外探测器处于常温环境时,CMOS测量电路系统1选择电极结构1402和电极结构1404输出的电信号进行处理以选择热敏电阻R2和热敏电阻R3,且热敏电阻R2和热敏电阻R3为串联关系。当红外探测器处于高温环境时,CMOS测量电路系统1选择电极结构1401和电极结构1404输出的电信号进行处理以选择热敏电阻R1、热敏电阻R2和热敏电阻R3,且热敏电阻R1、热敏电阻R2和热敏电阻R3为串联关系。
或者,可以设置当红外探测器处于低温环境时,CMOS测量电路系统1选择电极结构1401和电极结构1402输出的电信号进行处理以选择热敏电阻R1。当红外探测器处于常温环境时,CMOS测量电路系统1选择电极结构1402和电极结构1404输出的电信号进行处理以选择热敏电阻R2和热敏电阻R3,此时接入CMOS测量电路系统1的热敏结构包括热敏电阻R2和热敏电阻R3,且二者为串联关系。当红外探测器处于高温环境时,CMOS测量电路系统1选择电极结构1401和电极结构1404输出的电信号进行处理以选择热敏电阻R1、热敏电阻R2和热敏电阻R3,此时接入CMOS测量电路系统1的热敏结构包括热敏电阻R1、热敏电阻R2和热敏电阻R3,且三者为串联关系。
或者,可以设置当红外探测器处于低温环境时,CMOS测量电路系统1选择电极结构1403和电极结构1404输出的电信号进行处理以选择热敏电阻R3。当红外探测器处于常温环境时,CMOS测量电路系统1选择电极结构1401和电极结构1403输出的电信号进行处理以选择热敏电阻R1和热敏电阻R2,此时接入CMOS测量电路系统1的热敏结构包括热敏电阻R1和热敏电阻R2,且二者为串联关系。当红外探测器处于高温环境时,CMOS测量电路系统1选择电极结构1401和电极结构1404输出的电信号进行处理以选择热敏电阻R1、热敏电阻R2和热敏电阻R3,此时接入CMOS测量电路系统1的热敏结构包括热敏电阻R1、热敏电阻R2和热敏电阻R3,且三者为串联关系。
以上,以热敏感介质层12由负温度系数材料构成为例,CMOS测量电路系统1通过选取不同的两个电极结构140分别输出红外探测正信号和和红外探测负信号,有利于实现对应不同常温等效电阻的热敏结构根据红外探测器所处环境温度变的变化趋于相同的阻值,使得红外探测器可适应的环境温度可调。另外,也可以设置热敏感介质层12由正温度系数材料构成,则将上述低温环境和高温环境下,CMOS测量电路系统1选取的电极结构140的情况互换即可,例如可以设置当红外探测器处于高温环境时,CMOS测量电路系统1选择接入CMOS测量电路系统1的热敏结构为热敏电阻R1。当红外探测器处于常温环境时,CMOS测量电路系统1选择接入CMOS测量电路系统1的热敏结构为热敏电阻R1和热敏电阻R2,且热敏电阻R1和热敏电阻R2为串联关系。当红外探测器处于低温环境时,CMOS测量电路系统1选择接入CMOS测量电路系统1的热敏结构为热敏电阻R1、热敏电阻R2和热敏电阻R3,且热敏电阻R1、热敏电阻R2和热敏电阻R3为串联关系。
示例性地,参照图5,也可以设置电极层14包括三个块状电极结构,对应分别位于第一侧和第二侧且相邻的两个块状电极结构之间的区域设置的热敏感介质层12形成一个热敏电阻,三个块状电极结构将热敏感介质层12划分为R1和R2两个热敏电阻,即可以设置多个电极结构将热敏感介质层12划分为两个热敏电阻,可以设置红外探测器处于不同环境温度时,CMOS测量电路系统1选择电极结构1401和电极结构1402输出的电信号进行处理以选择热敏电阻R1,或者CMOS测量电路系统1选择电极结构1401和电极结构1403输出的电信号进行处理以选择热敏电阻R1和R2且二者为串联关系,具体工作原理与图5类似,这里不再赘述。可选地,如图5所示,可以设置热敏感介质层12包括一个条状热敏结构,图5示例性地设置条状热敏结构呈S型走向,沿垂直于CMOS测量电路系统1的方向,条状热敏结构与所有块状电极结构均存在交叠区域。由此,利用多个块状电极结构可以将条状热敏结构划分为至少两个热敏电阻,CMOS测量电路系统1通过选取不同的两个电极结构140,使得接入CMOS测量电路系统1的热敏结构对应至少两个不同阻值的常温等效电阻。
图6为本公开实施例提供的另一种适应温度可调的非制冷红外探测器像元中电极层和热敏感介质层的俯视结构示意图。如图6所示,也可以设置热敏感介质层12包括多个条状热敏结构121,分别位于第一侧和第二侧且相邻的两个块状电极结构之间设置有一个条状热敏结构121,条状热敏结构121与电极结构140不存在交叠区域,一个条状热敏结构121构成一个热敏电阻,CMOS测量电路系统1通过选取不同的两个电极结构140,同样可以使得接入CMOS测量电路系统1的热敏结构对应至少两个不同阻值的常温等效电阻。
图7为本公开实施例提供的另一种适应温度可调的非制冷红外探测器像元中电极层和热敏感介质层的俯视结构示意图。结合图1、图2和图7,也可以设置电极层14包括一个条状电极结构1401和多个块状电极结构1402、1403和1404,条状电极结构1401与多个块状电极结构1402、1403和1404分别位于吸收板10沿第一方向XX’相对设置的第一侧和第二侧,图7示例性地设置条状电极结构1401位于吸收板10的左侧,多个块状电极结构1402、1403和1404位于吸收板10的右侧,条状电极结构1401沿第二方向YY’延伸,块状电极结构1402、1403和1404沿第二方向YY’排列,第一方向XX’和第二方向YY’相互垂直。条状电极结构1401和块状电极结构1402、1403和1404之间的区域设置的热敏感介质层12形成一个热敏电阻,热敏电阻的阻值各不相同。
图7示例性地设置电极层14包括三个块状电极结构1402、1403和1404,一个条状电极结构1401和三个块状电极结构1402、1403和1404将热敏感介质层12划分为R1、R2和R3三个热敏电阻。热敏电阻沿第二方向YY’的长度不同,例如可以如图7所示设置从上至下,热敏电阻沿第二方向YY’的长度依次增加,热敏电阻R1、R2和R3垂直于第二方向YY’的横截面积相同,因此热敏电阻R1、R2和R3的常温等效电阻依次增加,即常温下,热敏电阻R1的电阻小于热敏电阻R2的电阻小于热敏电阻R3的电阻。
示例性地,可以设置当红外探测器处于低温环境,例如红外探测器所处的环境温度大于-80℃,小于0℃时,CMOS测量电路系统1选择电极结构1401和电极结构1402输出的电信号进行处理,此时接入CMOS测量电路系统1的热敏结构为热敏电阻R1。可以设置当红外探测器处于常温环境,例如红外探测器所处的环境温度大于-20℃,小于60℃时,CMOS测量电路系统1选择电极结构1401和电极结构1403输出的电信号进行处理,此时接入CMOS测量电路系统1的热敏结构为热敏电阻R2。可以设置当红外探测器处于高温环境,例如红外探测器所处的环境温度大于40℃小于100℃时,CMOS测量电路系统1选择电极结构1401和电极结构1404输出的电信号进行处理,此时接入CMOS测量电路系统1的热敏结构为热敏电阻R3。
示例性地,可以设置构成热敏感介质层12的材料包括由氧化钛、氧化钒、非晶硅、非晶锗、非晶锗硅、非晶锗氧硅、硅、锗、锗硅、锗氧硅、石墨烯、钛酸锶钡薄膜、铜或铂制备的材料中的至少一种,氧化钛、氧化钒、非晶硅、非晶锗、非晶锗硅、非晶锗氧硅、硅、锗、锗硅、锗氧硅、石墨烯、钛酸锶钡薄膜、铜或铂材料的电阻随温度的变化而变化,且氧化钛、氧化钒、非晶硅、非晶锗、非晶锗硅、非晶锗氧硅、硅、锗、锗硅、锗氧硅、石墨烯或钛酸锶钡薄膜材料的电阻随温度的升高而减小,随温度的降低而增加,为负电阻温度系数的材料,铜或铂材料的电阻随温度的升高而增加,随温度的降低而减小,为正电阻温度系数的材料。
由于热敏电阻R1、R2和R3的常温等效电阻依次增加,因此,设置低温环境下选择热敏电阻R1接入CMOS测量电路系统1,常温环境下选择热敏电阻R2接入CMOS测量电路系统1,高温环境下选择热敏电阻R3接入CMOS测量电路系统1,且热敏电阻可以均为负电阻温度系数电阻,有利于实现不同环境温度下,热敏电阻R1、R2和R3的电阻趋于相同。由此,CMOS测量电路系统1通过选取不同的两个电极结构140分别输出红外探测正信号和和红外探测负信号,有利于实现对应不同常温等效电阻的热敏结构根据红外探测器所处环境温度变的变化趋于相同的阻值,使得红外探测器可适应的环境温度可调,即有利于实现红外探测器可同时适用于高温和低温环境,优化了红外探测器的环境适应性,当红外探测器所处环境温度变化时,热敏结构的阻值仍可满足CMOS测量电路系统1的要求。
另外,也可以设置热敏感介质层12由正温度系数材料构成,则将上述低温环境和高温环境下,CMOS测量电路系统1选取的电极结构140的情况互换即可,例如可以设置当红外探测器处于高温环境时,CMOS测量电路系统1选择接入CMOS测量电路系统1的热敏结构为热敏电阻R3。当红外探测器处于常温环境时,CMOS测量电路系统1选择接入CMOS测量电路系统1的热敏结构为热敏电阻R2。当红外探测器处于低温环境时,CMOS测量电路系统1选择接入CMOS测量电路系统1的热敏结构为热敏电阻R1。
可选地,如图7所示,可以设置热敏感介质层12包括多个条状热敏结构121,条状电极结构和块状电极结构之间设置有一个条状热敏结构121,条状热敏结构121与电极结构140不存在交叠区域,条状热敏结构121沿第二方向YY’的宽度各不相同。一个条状热敏结构121构成一个热敏电阻,CMOS测量电路系统1通过选取不同的两个电极结构140,同样可以使得接入CMOS测量电路系统1的热敏结构对应至少两个不同阻值的常温等效电阻。
图8为本公开实施例提供的另一种适应温度可调的非制冷红外探测器像元中电极层和热敏感介质层的俯视结构示意图。如图8所示,也可以设置热敏感介质层12为连续结构,即对应电极结构140所在位置同样设置有热敏感介质层12,电极结构140覆盖热敏感介质层12,利用条状电极和多个块状电极结构可以将条状热敏结构划分为至少两个热敏电阻,CMOS测量电路系统1通过选取不同的两个电极结构140,使得接入CMOS测量电路系统1的热敏结构对应至少两个不同阻值的常温等效电阻。
示例性地,参照图7,也可以设置电极层14包括一个条状电极结构和两个块状电极结构,一个条状电极结构1401和两个块状电极结构1402和1403将热敏感介质层12划分为R1和R2两个热敏电阻,即可以设置多个电极结构将热敏感介质层12划分为两个热敏电阻,可以设置红外探测器处于不同环境温度时,CMOS测量电路系统1选择电极结构1401和电极结构1402输出的电信号进行处理以选择热敏电阻R1,或者CMOS测量电路系统1选择电极结构1401和电极结构1403输出的电信号进行处理以选择热敏电阻R2,具体工作原理与图7和图8类似,这里不再赘述。
需要说明的是,上述实施例所述的条状电极结构,并不局限于图3和图4以及图7和图8所示的矩形条状电极结构,可以设置电极结构140沿条状电极结构的延伸方形具有折线走线图案或者方波走线图案,确保电极结构140的整体延伸方向为条状电极结构的延伸方向即可。相应地,条状电极结构的图案发生变化,电极结构140之间区域的热敏感介质层图案也可适应变化,确保电极层14中的多个电极结构140能够将热敏感介质层划分为至少两个热敏电阻即可。
可选地,可以设置柱状结构6包括至少一层实心柱状结构和/或至少一层空心柱状结构,即柱状结构6可以包括至少一层实心柱状结构,也可以包括至少一层空心柱状结构,也可以包括至少一层实心柱状结构和至少一层空心柱状结构。图2示例性地设置柱状结构6包括一层空心柱状结构,即在柱状结构6所在位置形成空心结构,空心柱状结构有利于减小柱状结构6的热导,进而降低柱状结构6产生的热传导对悬空微桥结构40生成的电信号的影响,有利于提升红外探测器像元以及包括该红外探测器像元的红外探测器的红外探测性能。
图9为本公开实施例提供的另一种红外探测器像元的剖面结构示意图。图9示例性地设置柱状结构6包括一层实心柱状结构,即在柱状结构6所在位置形成实心金属结构,实心柱状结构的力学稳定性较好,提高了柱状结构6与悬空微桥结构40之间的支撑连接稳定性,进而提高了红外传感器像元以及包括红外探测器像元的红外探测器的结构稳定性。另外,金属实心柱状结构的电阻较小,有利于减小悬空微桥结构40与CMOS测量电路系统1之间进行电信号传输过程中的信号损失,提升了红外探测器的红外探测性能,且金属实心柱状结构的尺寸更易精确控制,即实心柱状结构可以实现更小尺寸的柱状结构,有利于满足更小的芯片尺寸需求,实现红外探测器的小型化。
图10为本公开实施例提供的另一种红外探测器像元的剖面结构示意图。图10示例性地设置柱状结构包括多层实心柱状结构,例如包括两层实心柱状结构,即包括实心柱状结构61和实心柱状结构62,以具备上述实施例所述的实心柱状结构的优点。也可以类似图10设置柱状结构包括多层空心柱状结构,以具备上述实施例所述的空心柱状结构的优点。另外,设置柱状结构包括多层空心柱状结构或者包括多层实心柱状结构,可减少同一柱状结构中的立柱的类型,有利于简化柱状结构的制备工艺。
图11为本公开实施例提供的另一种红外探测器像元的剖面结构示意图,图12为本公开实施例提供的另一种红外探测器像元的剖面结构示意图。图11示例性地设置柱状结构6包括一层实心柱状结构63和一层空心柱状结构64且实心柱状结构63位于空心柱状结构64临近CMOS测量电路系统的一侧,图12示例性地设置柱状结构6包括一层实心柱状结构65和一层空心柱状结构66且实心柱状结构65位于空心柱状结构66远离CMOS测量电路系统的一侧。由此,利用实心柱状结构叠加空心柱状结构形成的柱状结构6连接悬空微桥结构40和支撑底座42,使得柱状结构6同时具备上述实施例所述的空心柱状结构和实心柱状结构的优点。
示例性地,可以设置位于柱状结构6中同一层的立柱为相同类型的立柱,即位于柱状结构6中同一层的立柱可以均为实心柱状结构或者均为空心柱状结构,以实现位于同一层的立柱可以采用相同的工艺步骤形成,有利于简化柱状结构6的制备工艺。另外,同一柱状结构6中还可包括不同类型的立柱,同一层也可设置不同类型的立柱,可基于红外探测器的具体需求对立柱类型进行具体设置,本公开实施例对此不作具体限定。由此,通过设置柱状结构6包括多层立柱,有利于减小柱状结构6中各层立柱的高度,立柱的高度越低,其陡直度越好,因此较易形成陡直度较好的立柱,从而优化柱状结构6整体的陡直度,柱状结构6的整体尺寸也可做到更小,有利于减小柱状结构6所占空间,从而增大CMOS红外传感结构的有效面积,进而提高占空比,提高红外探测器的红外探测灵敏度。另外,柱状结构6还可以包括更多层立柱,例如包括三层及以上层立柱,每个立柱可以是实心柱状结构或者空心柱状结构。
结合图1至图12,悬空微桥结构包括吸收板10和多个梁结构11,吸收板10用于将红外信号转换为电信号并通过对应的梁结构11与对应的柱状结构6电连接,可以设置吸收板10上形成有至少一个孔状结构,孔状结构至少贯穿吸收板10中的介质层;和/或,梁结构11上形成有至少一个孔状结构,即可以设置仅吸收板10上形成有孔状结构,或者仅梁结构11上形成有孔状结构,或者吸收板10和梁结构11上均形成有孔状结构。示例性地,无论是吸收板10上的孔状结构还是梁结构11上的孔状结构,孔状结构均可以为圆形孔状结构、方形孔状结构、多边形孔状结构或者不规则图形孔状结构,本公开实施例对吸收板10和梁结构11上的孔状结构的形状不作具体限定,且本公开实施例对吸收板10和梁结构11上孔状结构的数量不作具体限定。
由此,设置吸收板10上形成有至少一个孔状结构,孔状结构至少贯穿吸收板10中的介质层,由于反射层4和吸收板10之间设置有最终需要释放的牺牲层,而牺牲层的释放需要在红外探测器制作工艺的最后用化学试剂对牺牲层进行腐蚀,吸收板10上的孔状结构有利于增加释放用的化学试剂与牺牲层的接触面积,加快牺牲层的释放速率。另外,吸收板10面积相对梁结构11面积较大,吸收板10上的孔状结构有利于释放吸收板10的内应力,优化吸收板10的平坦化程度,且有利于提高吸收板10的结构稳定性,进而提高整个红外探测器的结构稳定性。另外,设置梁结构11上形成有至少一个孔状结构,有利于进一步减小梁结构11的热导,提高红外探测器的红外探测灵敏度。
结合图2和图9,CMOS测量电路系统1上方可以包括至少一层密闭释放隔绝层3,密闭释放隔绝层3用于在制作CMOS红外传感结构2的释放刻蚀过程中,保护CMOS测量电路系统1不受工艺影响。可选地,密闭释放隔绝层3位于CMOS测量电路系统1和CMOS红外传感结构2之间的界面和/或位于CMOS红外传感结构2中,即可以设置密闭释放隔绝层3位于CMOS测量电路系统1和CMOS红外传感结构2之间的界面,或者设置密闭释放隔绝层3位于CMOS红外传感结构2中,或者设置CMOS测量电路系统1和CMOS红外传感结构2之间的界面设置有密闭释放隔绝层3且CMOS红外传感结构2中设置有密闭释放隔绝层3,密闭释放隔绝层3用于在进行腐蚀工艺释放牺牲层时保护CMOS测量电路系统1不受侵蚀,密闭释放隔绝层3至少包含一层介质层,构成密闭释放隔绝层3的介质材料包括碳化硅、碳氮化硅、氮化硅、非晶硅、非晶锗、非晶锗硅、硅、锗、硅锗合金、非晶碳或氧化铝中的至少一种。
图2和图9示例性地设置密闭释放隔绝层3位于CMOS红外传感结构2中,密闭释放隔绝层3例如可以为位于反射层4的金属互连层的上方的一层介质层或多层介质层,这里示例性地示出了密闭释放隔绝层3为一层介质层,此时构成密闭释放隔绝层3的材料可以包括碳化硅、碳氮化硅、氮化硅、非晶硅、非晶锗、非晶锗硅、硅、锗、硅锗合金、非晶碳或氧化铝中的至少一种,密闭释放隔绝层3的厚度小于牺牲层的厚度。红外探测器的谐振腔通过释放氧化硅牺牲层后的真空腔来实现,反射层4作为谐振腔的反射层,牺牲层位于反射层4和悬空微桥结构40之间,设置位于反射层4上的至少一层密闭释放隔绝层3选择碳化硅、碳氮化硅、氮化硅、非晶硅、非晶锗、非晶锗硅、硅、锗、硅锗合金、非晶碳或氧化铝等材料作为谐振腔的一部分时,不影响反射层4的反射效果,可以减小谐振腔高度,进而减小牺牲层的厚度,减小氧化硅构成的牺牲层的释放难度。另外,设置密闭释放隔绝层3与柱状结构6形成密闭结构,将CMOS测量电路系统1与牺牲层完全隔开,实现了对CMOS测量电路系统1的保护。
图13为本公开实施例提供的另一种红外探测器像元的剖面结构示意图。在上述实施例的基础上,图13同样设置密闭释放隔绝层3位于CMOS红外传感结构2中,密闭释放隔绝层3例如可以为位于反射层4的金属互连层的上方的一层介质层或多层介质层,这里示例性地示出了密闭释放隔绝层3为一层介质层,且密闭释放隔绝层3包覆柱状结构6,此时构成密闭释放隔绝层3的材料可以包括碳化硅、碳氮化硅、氮化硅、非晶硅、非晶锗、非晶锗硅、硅、锗、硅锗合金、非晶碳或氧化铝中的至少一种,密闭释放隔绝层3的厚度同样小于牺牲层的厚度。通过设置密闭释放隔绝层3包覆柱状结构6,一方面可以利用密闭释放隔绝层3作为柱状结构6处的支撑,提高了柱状结构6的稳定性,保证柱状结构6与悬空微桥结构40以及支撑底座42的电连接。另一方面,包覆柱状结构6的密闭释放隔绝层3可以减少柱状结构6与外界环境的接触,减少柱状结构6与外界环境的接触电阻,进而减少红外探测器像元的噪声,提高红外探测传感器的探测灵敏度,同时可以防止柱状结构6裸露在外的金属发生电击穿。同样地,红外探测器的谐振腔通过释放氧化硅牺牲层后的真空腔来实现,反射层4作为谐振腔的反射层,牺牲层位于反射层4和悬空微桥结构40之间,设置位于反射层4上的至少一层密闭释放隔绝层3选择碳化硅、碳氮化硅、氮化硅、非晶硅、非晶锗、非晶锗硅、硅、锗、硅锗合金、非晶碳或氧化铝等材料作为谐振腔的一部分时,不影响反射层4的反射效果,可以减小谐振腔高度,进而减小牺牲层的厚度,减小氧化硅构成的牺牲层的释放难度。另外,设置密闭释放隔绝层3与柱状结构6形成密闭结构,将CMOS测量电路系统1与牺牲层完全隔开,实现了对CMOS测量电路系统1的保护。
图14为本公开实施例提供的另一种红外探测器像元的剖面结构示意图。与上述实施例所示结构的红外探测器不同的是,图14所示结构的红外探测器中,密闭释放隔绝层3位于CMOS测量电路系统1和CMOS红外传感结构2之间的界面,例如密闭释放隔绝层3位于反射层4和CMOS测量电路系统1之间,即密闭释放隔绝层3位于反射层4的金属互连层的下方,支撑底座42通过贯穿密闭释放隔绝层3的通孔与CMOS测量电路系统1电连接。具体地,由于CMOS测量电路系统1和CMOS红外传感结构2均采用CMOS工艺制备形成,当制备形成CMOS测量电路系统1后,将制备形成包含有CMOS测量电路系统1的晶圆传输至下一道工艺以制备形成CMOS红外传感结构2,因为氧化硅是CMOS工艺中最常用的介质材料,CMOS电路上多以氧化硅作为金属层间的绝缘层,所以腐蚀2um左右厚度的氧化硅时如果没有隔绝层作为阻挡,将会严重影响电路,为了确保释放牺牲层氧化硅时不会腐蚀CMOS测量电路系统上的氧化硅介质,本公开实施例在CMOS测量电路系统1和CMOS红外传感结构2之间的界面设置了密闭释放隔绝层3。在制备形成CMOS测量电路系统1后,在CMOS测量电路系统1上制备形成密闭释放隔绝层3,利用密闭释放隔绝层3对CMOS测量电路系统1进行保护,而为了保证支撑底座42与CMOS测量电路系统1的电连接,在制备形成密闭释放隔绝层3后,在密闭释放隔绝层3对应支撑底座42的区域采用刻蚀工艺形成通孔,通过通孔实现支撑底座42与CMOS测量电路系统1的电连接。另外,设置密闭释放隔绝层3与支撑底座42形成密闭结构,将CMOS测量电路系统1与牺牲层完全隔开,实现对CMOS测量电路系统1的保护。
示例性地,构成密闭释放隔绝层3的材料可以包括碳化硅、碳氮化硅、氮化硅、非晶硅、非晶锗、非晶锗硅、硅、锗、硅锗合金、非晶碳或氧化铝中的至少一种。具体地,碳化硅、碳氮化硅、氮化硅、非晶硅、非晶锗、非晶锗硅、硅、锗、硅锗合金、非晶碳或氧化铝均为CMOS工艺抗腐蚀材料,即这些材料不会受牺牲层释放用试剂的腐蚀,因此密闭释放隔绝层3可以用于在进行腐蚀工艺释放牺牲层时保护CMOS测量电路系统1不受侵蚀。另外,密闭释放隔绝层3覆盖CMOS测量电路系统1设置,密闭释放隔绝层3还可以用于在制作CMOS红外传感结构2的释放刻蚀过程中,保护CMOS测量电路系统1不受工艺影响。另外,当反射层4上设置有至少一层密闭释放隔绝层3时,设置构成密闭释放隔绝层3的材料包括硅、锗、硅锗合金、非晶硅、非晶锗、非晶硅锗、非晶碳、碳化硅、氧化铝、氮化硅或碳氮化硅中的至少一种,在设置密闭释放隔绝层3提高柱状结构6稳定性的同时,密闭释放隔绝层3几乎不会影响谐振腔内的反射过程,可以避免密闭释放隔绝层3影响谐振腔的反射过程,进而避免密闭释放隔绝层3对红外探测器探测灵敏度的影响。
结合图1至图14,CMOS红外传感结构2的CMOS制作工艺包括金属互连工艺、通孔工艺、IMD(Inter Metal Dielectric)工艺以及RDL(重新布线)工艺,CMOS红外传感结构2包括至少两层金属互连层、至少两层介质层和多个互连通孔,介质层至少包括一层牺牲层和一层热敏感介质层,金属互连层至少包括反射层4和电极层14,热敏感介质层12包括电阻温度系数大于设定值的热敏材料,电阻温度系数例如可以大于等于0.015/K,电阻温度系数大于设定值的热敏材料构成热敏感介质层12,热敏感介质层12用于将其吸收的红外辐射对应的温度变化转化为电阻变化,进而通过CMOS测量电路系统1将红外目标信号转化成可实现电读出的信号。另外,热敏感介质层12包括电阻温度系数大于设定值的热敏材料,电阻温度系数例如可以大于等于0.015/K,有利于提高红外探测器的探测灵敏度。
具体地,金属互连工艺用于实现上下两层金属互连层的电连接,例如实现柱状结构6中的电极层与支撑底座42的电连接,通孔工艺用于形成连接上下金属互连层的互连通孔,例如形成连接柱状结构6中的电极层与支撑底座的互连通孔,IMD工艺用于实现上下金属互连层之间的隔离,即电绝缘,例如实现吸收板10和梁结构11中的电极层与反射板41之间的电绝缘,RDL工艺即重布线层工艺,具体是指在电路顶层金属的上方重新布一层金属且与电路顶层金属有金属柱,例如钨柱电连接,采用RDL工艺可以在CMOS测量电路系统1的顶层金属上再制备红外探测器中的反射层4,反射层4上的支撑底座42与CMOS测量电路系统1的顶层金属电连接。另外,如图2所示,CMOS测量电路系统1的CMOS制作工艺同样可以包括金属互连工艺和通孔工艺,CMOS测量电路系统1包括间隔设置的金属互连层101、介质层102以及位于底部的硅衬底103,上下金属互连层101通过通孔104实现电连接。
结合图1至图14,CMOS红外传感结构2包括由反射层4和热敏感介质层12构成的谐振腔、控制热传递的悬空微桥结构40以及具有电连接和支撑功能的柱状结构6,CMOS测量电路系统1用于测量和处理一个或多个CMOS红外传感结构2形成的阵列电阻值,并将红外信号转化为图像电信号,红外探测器包括多个阵列排布的红外探测器像元,每个红外探测器像元包括一个CMOS红外传感结构2。具体地,谐振腔例如可以由反射层4和吸收板10中热敏感介质层12之间的空腔形成,红外光透过吸收板10在谐振腔内发生来回反射,以提高红外探测器的探测灵敏度,又由于柱状结构6的设置,梁结构11和吸收板10构成控制热传递的悬空微桥结构40,柱状结构6既电连接支撑底座42和对应的梁结构11,又用于支撑位于柱状结构6上的悬空微桥结构40。
图15为本公开实施例提供的一种CMOS测量电路系统的结构示意图。结合图1至图15,CMOS测量电路系统1包括偏压产生电路7、列级模拟前端电路8和行级电路9,偏压产生电路7的输入端连接行级电路9的输出端,列级模拟前端电路8的输入端连接偏压产生电路7的输出端,行级电路9中包括行级镜像像元Rsm和行选开关K1,列级模拟前端电路8中包括盲像元RD;其中,行级电路9分布在每个像素内并根据时序产生电路的行选通信号选取待处理信号,并在偏压产生电路7的作用下输出电流信号至列级模拟前端电路8以进行电流电压转换输出;行级电路9受行选开关K1控制而被选通时向偏压产生电路7输出第三偏置电压VRsm,偏压产生电路7根据输入的恒压及第三偏置电压VRsm输出第一偏置电压V1和第二偏置电压V2,列级模拟前端电路8根据第一偏置电压V1和第二偏置电压V2得到两路电流,并对所产生的两路电流之差进行跨阻放大并作为输出电压输出。
具体地,行级电路9包括行级镜像像元Rsm和行选开关K1,行级电路9用于根据行选开关K1的选通状态生成第三偏置电压VRsm。示例性地,行级镜像像元Rsm可以进行遮光处理,使行级镜像像元Rsm受到温度恒等于衬底温度的遮光片的固定辐射,行选开关K1可以用晶体管实现,行选开关K1闭合,行级镜像像元Rsm与偏压产生电路7的连接,即行级电路9受行选开关K1控制而被选通时向偏压产生电路7输出第三偏置电压VRsm。偏压产生电路7可以包括第一偏压产生电路71和第二偏压产生电路72,第一偏压产生电路71用于根据输入的恒压生成第一偏置电压V1,输入的恒压例如可以为电压恒定的正电源信号。第二偏压产生电路72可以包括偏压控制子电路721和多个选通驱动子电路722,偏压控制子电路721用于根据第三偏置电压VRsm控制选通驱动子电路722分别产生对应的第二偏置电压V2。
列级模拟前端电路8包括多个列控制子电路81,列控制子电路81与选通驱动子电路722对应设置,示例性地,可以设置列控制子电路81与选通驱动子电路722一一对应设置,选通驱动子电路722用于根据其自身的选通状态向对应的列控制子电路81提供第二偏置电压V2。示例性地,可以设置选通驱动子电路722被选通时,选通驱动子电路722向对应的列控制子电路81提供第二偏置电压V2;选通驱动子电路722未被选通时,选通驱动子电路722停止向对应的列控制子电路81提供第二偏置电压V2。
列级模拟前端电路8包括有效像元RS和盲像元RD,列控制子电路用于根据第一偏置电压V1和盲像元RD产生第一电流I1,以及根据第二偏置电压V2和有效像元RS产生第二电流I2,并对第一电流I1与第二电流I2的差值进行跨阻放大后输出,行级镜像像元Rsm与有效像元RS在相同环境温度下的温度漂移量相同。
示例性地,行级镜像像元Rsm与CMOS测量电路系统1之间热绝缘,且对行级镜像像元Rsm进行遮光处理,行级镜像像元Rsm受到来自温度恒等于衬底温度的遮光片的固定辐射。有效像元RS的吸收板10与CMOS测量电路系统1之间热绝缘,且有效像元RS接受外部辐射。行级镜像像元Rsm与有效像元RS的吸收板10都与CMOS测量电路系统1之间热绝缘,因此行级镜像像元Rsm与有效像元RS均具有自热效应。
通过行选开关K1选通对应的行级镜像像元Rsm时,行级镜像像元Rsm与有效像元RS均由于焦耳热而发生阻值变化,但行级镜像像元Rsm与有效像元RS受到同样的固定辐射时,行级镜像像元Rsm与有效像元RS的阻值相同,二者的温度系数也相同,二者在相同环境温度下的温度漂移量相同,两者的变化同步,有利于利用行级镜像像元Rsm与有效像元RS在相同环境温度下的温度漂移量相同的特性,有效补偿行级镜像像元Rsm与有效像元RS由于自热效应而发生的阻值变化,实现CMOS测量电路系统1的稳定输出。
另外,通过设置第二偏压产生电路72包括偏压控制子电路721和多个选通驱动子电路722,偏压控制子电路721用于根据行控制信号控制选通驱动子电路722分别产生对应的第二偏置电压V2,使得每行像素均有一路驱动单独驱动该行的像素整列,降低了对第二偏置电压V2的要求,即提高了偏压产生电路7的驱动能力,有利于利用CMOS测量电路系统1驱动更大规模的红外探测器像素阵列。另外,CMOS测量电路系统1的具体细节工作原理为本领域技术人员公知内容,这里不再赘述。
可选地,可以设置在CMOS测量电路系统1的金属互连层上层或者同层制备CMOS红外传感结构2。具体地,这里的CMOS测量电路系统1的金属互连层可以为CMOS测量电路系统1中的顶层金属,结合图1至图14,可以设置在CMOS测量电路系统1的金属互连层上层制备CMOS红外传感结构2,CMOS红外传感结构2通过位于CMOS测量电路系统1的金属互连层上层的支撑底座42与CMOS测量电路系统1电连接,实现将经由红外信号转换成的电信号传输至CMOS测量电路系统1。
图16为本公开实施例提供的另一种红外探测器像元的剖面结构示意图。也可以如图16所示,设置在CMOS测量电路系统1的金属互连层同层制备CMOS红外传感结构2,即CMOS测量电路系统1与CMOS红外传感结构2同层设置,例如可以如图16所示设置CMOS红外传感结构2位于CMOS测量电路系统1的一侧,CMOS测量电路系统1的顶部同样可以设置有密闭释放隔绝层3,以保护CMOS测量电路系统1。
可选地,结合图1至图16,牺牲层用于使CMOS红外传感结构2形成镂空结构,构成牺牲层的材料是氧化硅,采用post-CMOS工艺腐蚀牺牲层。示例性地,post-CMOS工艺可以采用气相氟化氢、四氟化碳和三氟甲烷这些对氧化硅有腐蚀特性气体中的至少一种对牺牲层进行腐蚀。具体地,反射层4与悬空微桥结构40之间具有牺牲层(图1至图16中未示出),当反射层4上设置有密闭释放隔绝层3时,密闭释放隔绝层3与悬空微桥结构40之间具有牺牲层,构成牺牲层的材料是氧化硅,以兼容CMOS工艺,可以采用post-CMOS工艺,即后CMOS工艺腐蚀牺牲层以在最终的红外探测芯片产品中释放掉牺牲层。
可选地,吸收板10用于吸收红外目标信号并将红外目标信号转换为电信号,吸收板10包括金属互连层和至少一层热敏感介质层12,吸收板10中的金属互连层为吸收板10中的电极层14,用于传输由红外信号转换得到的电信号。梁结构11和柱状结构6用于传输电信号并用于支撑和连接吸收板10,吸收板10中的电极层14包括两个图案化电极结构,两个图案化电极结构分别输出正电信号和接地电信号,正电信号和接地电信号通过不同的梁结构11和不同的柱状结构6传输至与柱状结构6电连接的支撑底座42,进而传输至CMOS测量电路系统1,梁结构11至少包括金属互连层,梁结构11中的金属互连层为梁结构11中的电极层14,梁结构11中的电极层14和吸收板10中的电极层14电连接。柱状结构6采用金属互连工艺和通孔工艺连接梁结构11和CMOS测量电路系统1,柱状结构6上方需要通过贯穿牺牲层的通孔与梁结构11中的电极层14电连接,柱状结构6的下方需要通贯穿支撑底座42上介质层的通孔与对应的支撑底座42电连接,进而实现梁结构11中的电极层14通过对应的柱状结构6与对应的支撑底座42电连接。反射板41用于反射红外信号并与热敏感介质层12形成谐振腔,即反射板41用于反射红外信号并与热敏感介质层12形成谐振腔,反射层4包括至少一层金属互连层,金属互连层用于形成支撑底座42,也用于形成反射板41。
可选地,可以设置梁结构11包括第一介质层13、电极层14和第二介质层15,吸收板10包括第一介质层13和电极层14,或者吸收板10包括电极层14和第二介质层15,或者吸收板10包括第一介质层13、电极层14和第二介质层15,或者吸收板10包括支撑层、第一介质层13、电极层14和第二介质层15,或者吸收板10包括第一介质层13、电极层14、第二介质层15和钝化层,或者吸收板10包括支撑层、第一介质层13、电极层14、第二介质层15和钝化层;其中,构成第一介质层13的材料包括由非晶硅、非晶锗、非晶锗硅或非晶碳制备的电阻温度系数大于设定值的材料中的至少一种,构成第二介质层15的材料包括由非晶硅、非晶锗、非晶锗硅或非晶碳制备的电阻温度系数大于设定值的材料中的至少一种,设定值例如可以为0.015/K。
具体地,结合图9、图13以及图16,可以设置沿远离CMOS测量电路系统1的方向,梁结构11依次包括第一介质层13、电极层14和第二介质层15,吸收板10依次包括第一介质层13、电极层14和第二介质层15,即可以设置梁结构11和吸收板10的膜层构成相同且相同的膜层同时制作,设置构成第一介质层13的材料包括由非晶硅、非晶锗、非晶锗硅或非晶碳制备的电阻温度系数大于设定值的材料中的至少一种,构成第二介质层15的材料包括由非晶硅、非晶锗、非晶锗硅或非晶碳制备的电阻温度系数大于设定值的材料中的至少一种,即第一介质层13在充当支撑层的同时充当热敏感介质层,第二介质层15在充当钝化层的同时同样充当热敏感介质层,有利于减小吸收板10的厚度,降低梁结构11的热导率,简化红外探测器的制备工艺。
具体地,支撑层用于在释放掉牺牲层后支撑悬空微桥结构40中的上方膜层,热敏感介质层用于将红外温度检测信号转换为红外检测电信号,电极层14用于将热敏感介质层转换出来的红外检测电信号通过左右两侧的梁结构11传输至CMOS测量电路系统1,两个梁结构11分别传输红外检测电信号的正负信号,CMOS测量电路系统1中的读出电路通过对获取到的红外检测电信号的分析实现非接触式的红外温度检测,钝化层用于保护电极层14不被氧化或者腐蚀。对应吸收板10以及梁结构11,电极层14位于第一介质层13,即支撑层和第二介质层15,即钝化层形成的密闭空间内,实现了对吸收板10和梁结构11中电极层14的保护。
另外如上述实施例所述,当吸收板10包括一层用于充当热敏感介质层的介质层时,例如当吸收板10包括第一介质层13或者第二介质层15时,可以对吸收板10进行如图3至图8所示结构的设计,其中第一介质层13或第二介质层15即充当图3至图8中的热敏感介质层12。当吸收板10同时包括第一介质层13和第二介质层15时,同样可以对吸收板10进行如图3至图8所示结构的设计,且可以对吸收板10中的第一介质层13和/或第二介质层15,即对第一介质层13或者第二介质层15或者同时对第一介质层13和第二介质层15进行如图3或图8中所示的热敏感介质层12的设计。
可选地,也可以设置梁结构11包括电极层14,或者梁结构11包括第一介质层13和电极层14,或者梁结构11包括电极层14和第二介质层15,或者梁结构11包括电极层14和热敏感介质层12,或者梁结构11包括第一介质层13、电极层14和第二介质层15,或者梁结构11包括第一介质层13、电极层14和热敏感介质层12,或者梁结构11包括电极层14、热敏感介质层12和第二介质层15,或者梁结构11包括第一介质层13、电极层14、热敏感介质层12和第二介质层15,吸收板10包括电极层14和热敏感介质层12,或者吸收板10包括第一介质层13、电极层14和热敏感介质层12,或者吸收板10包括电极层14、热敏感介质层12和第二介质层15,或者吸收板10包括第一介质层13、电极层14、热敏感介质层12和第二介质层15;其中,构成第一介质层13的材料包括非晶硅、非晶锗、非晶锗硅、氧化铝或非晶碳中的至少一种,构成第二介质层15的材料包括非晶硅、非晶锗、非晶锗硅、氧化铝或非晶碳中的至少一种,构成热敏感介质层12的材料可以包括由氧化钛、氧化钒、非晶硅、非晶锗、非晶锗硅、非晶锗氧硅、硅、锗、锗硅、锗氧硅、石墨烯、钛酸锶钡薄膜、铜或铂制备的电阻温度系数大于设定值的材料中的至少一种。
图17为本公开实施例提供的另一种红外探测器像元的剖面结构示意图。结合图2和图17,可以设置沿远离CMOS测量电路系统1的方向,梁结构11依次包括第一介质层13、电极层14和第二介质层15,吸收板10依次包括第一介质层13、电极层14、热敏感介质层12和第二介质层15,此时第一介质层13充当支撑层,第二介质层15充当钝化层,热敏感介质层12实现将红外信号转换为电信号。对应吸收板10以及梁结构11,电极层14位于第一介质层13,即支撑层和第二介质层15,即钝化层形成的密闭空间内,实现了对吸收板10和梁结构11中电极层14的保护。
需要说明的是,参照上述实施例所述的和逻辑以及或逻辑,梁结构11择一膜层情况与吸收板10择一膜层情况存在多种组合方式,即梁结构11择一膜层情况与吸收板10择一膜层情况可以任意组合构成多种结构的红外探测器,这里不再赘述。需要说明的是,无论上述哪种梁结构11与吸收板10的膜层设置方案,需要确保梁结构11中至少有电极层14,吸收板12中至少有电极层14以及充当热敏感介质层的介质层。
示例性地,可以设置构成电极层14的材料包括钛、氮化钛、钽、氮化钽、钛钨合金、镍铬合金、镍铂合金、镍硅合金、镍、铬、铂、钨、铝或铜中的至少一种,其中当以钛、氮化钛、钽或氮化钽中的至少一种作为电极层14的材料时,优选地设置电极层14被第一介质层13和第二介质层15包覆,防止电极层14受刻蚀过程影响。另外,上述实施例所述的可以设置吸收板10上形成有至少一个孔状结构,孔状结构至少贯穿吸收板10中的介质层,梁结构11上形成有至少一个孔状结构,当梁结构11仅包括电极层14时,梁结构11上的孔状结构贯穿梁结构11中的电极层14,当梁结构11包括介质层时,孔状结构至少贯穿梁结构11中的介质层,以图9所示结构的红外探测器为例,此时吸收板10上的孔状结构可以贯穿吸收板10中的第一介质层13和第二介质层15,吸收板10上的孔状结构也可以贯穿吸收板10中的第一介质层13、电极层14和第二介质层15,梁结构11上的孔状结构可以贯穿梁结构11中未设置电极层14位置的第一介质层13和第二介质层15,或者梁结构11上的孔状结构贯穿梁结构11中的第一介质层13、电极层14和第二介质层15。以图2所示结构的红外探测器为例,此时吸收板10上的孔状结构可以贯穿吸收板10中的第一介质层13和第二介质层15,吸收板10上的孔状结构也可以贯穿吸收板10中的第一介质层13、电极层14和第二介质层15,吸收板10上的孔状结构也可以贯穿吸收板10中的第一介质层13、电极层14、热敏感介质层12和第二介质层15,梁结构11上的孔状结构可以贯穿梁结构11中未设置电极层14位置的第一介质层13和第二介质层15,或者梁结构11上的孔状结构贯穿梁结构11中的第一介质层13、电极层14和第二介质层15。
可选地,可以设置红外探测器还包括超材料结构和/或偏振结构,超材料结构或者偏振结构为至少一层金属互连层。示例性地,可以设置构成超材料结构的金属互连层可以包括多个阵列排布的金属重复单元,每个金属重复单元包括两个对角设置的L型图案化结构,此时红外探测器的红外吸收谱段为3微米至30微米波段。也可以设置构成超材料结构的金属互连层上设置有多个阵列排布的图案化镂空结构,图案化镂空结构呈开口圆环状,此时红外探测器的红外吸收谱段为3微米至30微米波段。也可以设置构成超材料结构的金属互连层上设置有多个直线条带结构和多个回折条带结构,直线条带结构和回折条带结构沿垂直于直线条带结构的方向交替排列,此时红外探测器的红外吸收谱段为8微米至24微米波段。也可以设置构成超材料结构的金属互连层上设置有多个阵列排布的图案化镂空结构,图案化镂空结构呈正六边形,此时红外探测器的红外吸收谱段为3微米至30微米波段。需要说明的是,本公开实施例对构成超材料结构的金属互连层上的具体图案不作限定,确保重复的图案能实现超材料结构或者偏振结构的功能即可。
由此,本公开实施例利用图案化结构形成的超材料结构与红外探测器结构相结合,超材料结构吸收的红外电磁波会增强红外探测器本身吸收的红外电磁波信号,超材料结构吸收的红外电磁波与微桥式探测器结构本身吸收的红外电磁波叠加,超材料结构吸收的红外电磁波与入射红外电磁波的分量产生耦合,即超材料结构的设置使得吸收的红外电磁波信号的强度增加,从而提高了红外探测器对入射红外电磁波的吸收率。
偏振结构可以包括若干个依次排列的光栅,相邻光栅之间的间隔为10nm至500nm,光栅可以为直线型也可以为弯曲型,且偏振结构中的光栅可以任意角度旋转或组合,偏振结构的设置可以使CMOS传感结构吸收特定方向的偏振光。示例性地,光栅可以为刻蚀金属薄膜,即刻蚀金属互连层形成的结构。本公开实施例通过将偏振结构与非制冷红外探测器进行单片集成,不仅可以实现偏振敏感型红外探测器的单片集成,而且极大地降低了光学设计的难度,简化了光学系统,减少了光学元件,降低了光学系统的成本。另外,通过单片集成的偏振型非制冷红外探测器采集的图像为原始红外图像信息,CMOS测量电路系统1只需要处理红外探测器探测的信号就可以得到准确的图像信息,而不需要进行现有探测器的图像融合,极大的提升了图像的真实性与有效性。另外,偏振结构也可以位于吸收板10上方且不与吸收板10接触设置,即偏振结构可以为位于悬空微桥结构40上方的悬空结构,偏振结构与悬空微桥结构40可以采用柱子连接支撑的方式或者采用键合支撑的方式,偏振结构与红外探测器像元可以一一对应键合,也可以采用整个芯片键合的方式。由此单独悬空的金属光栅结构不会造成红外敏感微桥结构的形变,不会影响敏感薄膜的热敏特性。
示例性地,结合图1至图17,超材料结构和偏振结构对应吸收板10所在位置设置,超材料结构为至少一层金属互连层,偏振结构为至少一层金属互连层,悬空微桥结构40包括第一介质层13和第二介质层15时,超材料结构或者偏振结构可以是第一介质层13临近CMOS测量电路系统1一侧的至少一层金属互连层,例如可以设置构成超材料结构或者偏振结构的金属互连层位于第一介质层13临近CMOS测量电路系统1的一侧且与第一介质层13接触设置,即金属互连层位于悬空微桥结构40的最下方。示例性地,也可以设置超材料结构或者偏振结构是第二介质层15远离CMOS测量电路系统1一侧的至少一层金属互连层,例如可以设置构成超材料结构或者偏振结构的金属互连层位于第二介质层15远离CMOS测量电路系统1的一侧且与第二介质层15接触设置,即金属互连层位于悬空微桥结构40的最上方。示例性地,也可以设置超材料结构或者偏振结构为位于第一介质层13和第二介质层15中间的且与电极层14电绝缘的至少一层金属互连层,例如可以设置构成超材料结构或者偏振结构的金属互连层位于第一介质层13与电极层14之间且与电极层14电绝缘或者位于第二介质层15与电极层14之间且与电极层14电绝缘。示例性地,也可以设置电极层14作为超材料结构层或者偏振结构层,即可以在电极层14上形成上述实施例所述的图案化结构。
可选地,可以设置柱状结构6包括至少一层实心柱状结构,实心柱状结构包括实心结构601,可以如图9所示,设置实心结构601的侧壁与牺牲层(图9中未示出)接触设置,构成实心结构601的材料包括钨、铜或铝中的至少一种,即设置柱状结构6仅包括实心的钨柱、或铜柱或铝柱,设置实心结构601的侧壁与牺牲层接触设置,使得柱状结构6的制备工艺较为简单且易于实现,有利于降低整个红外探测器的制备难度。
图18为本公开实施例提供的另一种红外探测器像元的剖面结构示意图。与图9所示结构的红外探测器不同的是,图18所示结构的红外探测器设置实心结构601的侧壁包覆有至少一层介质层602且实心结构601与一层介质层602接触设置,图18示例性地设置实心结构601的侧壁包覆有一层介质层602且实心结构601与该介质层602接触设置,构成实心结构601的材料包括钨、铜或铝中的至少一种,构成介质层602的材料可以包括氧化硅、氮化硅、碳化硅、非晶碳、氧化铝、氧化钛、氧化钒、非晶硅、非晶锗、非晶锗硅、非晶锗氧硅、硅、锗、锗硅、锗氧硅、石墨烯、铜或铂中的至少一种。
具体地,包覆实心结构601的至少一层介质层602可以起到电绝缘的作用,利用介质层602保护实心结构601以避免外部材料侵蚀实心结构601的同时,介质层602可以作为柱状结构6的辅助支撑结构,其与实心结构601共同支撑悬空微桥结构40,有利于提高柱状结构6的力学稳定性,从而提高红外传感器的结构稳定性。另外,设置构成介质层602的材料可以包括氧化硅、氮化硅、碳化硅、非晶碳、氧化铝、氧化钛、氧化钒、非晶硅、非晶锗、非晶锗硅、非晶锗氧硅、硅、锗、锗硅、锗氧硅、石墨烯、铜或铂中的至少一种,前述材料均不会被气相氟化氢、四氟化碳或三氟甲烷腐蚀,因此在后续工艺步骤中利用气相氟化氢、四氟化碳和三氟甲烷腐蚀牺牲层时不会腐蚀包覆实心结构601的介质层602。示例性地,可以如图18所示,设置包覆实心结构601的介质层602为悬空微桥结构40中的第一介质层13,包覆实心结构601的介质层可以是单独制作的介质层,或者也可以设置包覆实心结构601的介质层为悬空微桥结构40中的第二介质层15或热敏感介质层12。
图19为本公开实施例提供的另一种红外探测器像元的剖面结构示意图。与图9和图18所示结构的红外探测器不同的是,图19所示结构的红外探测器设置实心结构601的侧壁以及实心结构601临近CMOS测量电路系统1的表面包覆有至少一层粘附层603,图19示例性地设置实心结构601的侧壁以及实心结构601临近CMOS测量电路系统1的表面包覆有一层粘附层603,柱状结构6内最外围的粘附层603远离实心结构601的侧壁包覆有介质层604,构成实心结构601的材料包括钨、铜或铝中的至少一种,构成粘附层603的材料包括钛、氮化钛、钽或氮化钽中的至少一种,构成介质层604的材料包括氧化硅、氮化硅、碳化硅、非晶碳、氧化铝、氧化钛、氧化钒、非晶硅、非晶锗、非晶锗硅、非晶锗氧硅、硅、锗、锗硅、锗氧硅、石墨烯、铜或铂中的至少一种。
具体地,粘附层603用于增强柱状结构6与支撑底座42之间的连接性能,包括增强器机械连接性能,提升结构稳定性,也包括增强器电学连接性能,减小接触电阻,减少电信号传输过程中的损耗,提升了红外探测器的红外探测性能,且通过设置粘附层603还包围实心结构601的侧面,可增大粘附层603与实心结构601的接触面积,相当于扩宽了电信号的传输通道,减小了柱状结构6的传输电阻,从而进一步减少了电信号传输损耗,提升了红外探测器的红外探测性能。另外,构成粘附层603的材料包括钛、氮化钛、钽或氮化钽中的至少一种,采用前述四种导电材料中的至少一种形成粘附层603,可满足利用粘附层603增强支撑底座42与柱状结构6之间的机械和电学连接性能的要求,且有利于实现采用CMOS工艺制备粘附层603的需求,即满足CMOS工艺集成化的需求。
柱状结构6内最外围的粘附层603远离实心结构601的侧壁还包覆有介质层604,在利用粘附层603增强柱状结构6与支撑底座42之间的连接性能的同时,包覆粘附层603侧壁的介质层604起到绝缘保护的作用,且能够利用介质层604起到对柱状结构6的辅助支撑的作用,以提升红外探测器的结构稳定性和红外探测性能。同样地,设置构成介质层604的材料可以包括氧化硅、氮化硅、碳化硅、非晶碳、氧化铝、氧化钛、氧化钒、非晶硅、非晶锗、非晶锗硅、非晶锗氧硅、硅、锗、锗硅、锗氧硅、石墨烯、铜或铂中的至少一种,前述材料均不会被气相氟化氢、四氟化碳或三氟甲烷腐蚀,因此在后续工艺步骤中利用气相氟化氢、四氟化碳和三氟甲烷腐蚀牺牲层时不会腐蚀包覆粘附层603的介质层604。示例性地,可以如图19所示,设置包覆实心结构601的粘附层603为悬空微桥结构40中的电极层14,包覆粘附层603的介质层604为悬空微桥结构40中的第一介质层13,包覆实心结构601的粘附层603和/或包覆粘附层603的介质层604也可以是单独制作的膜层,或者也可以设置包覆粘附层603的介质层为悬空微桥结构40中的第二介质层15或热敏感介质层12。
可选地,结合图2、图9、图17、图18以及图19,红外探测器还可以包括加固结构16,加固结构16对应柱状结构61所在位置设置,加固结构16用于增强柱状结构6与梁结构11之间的连接稳固性,加固结构16包括加重块状结构。具体地,加固结构16的设置可有效增强柱状结构6与梁结构11之间的力学稳定性,从而提升红外探测器像元及包括红外探测器像元的红外探测器的结构稳定性。
示例性地,如图17所示,当柱状结构6包括实心柱状结构时,可以设置加重块状结构位于梁结构11远离CMOS测量电路系统1的一侧且加重块状结构与梁结构11接触设置。具体地,设置加重块状结构位于梁结构11远离CMOS测量电路系统1的一侧且加重块状结构与梁结构11接触设置,相当于在梁结构11对应柱状结构6的位置增加一个盖板,利用加固结构16自身的重量压住梁结构,从而增强梁结构11与柱状结构6之间的力学强度,提升红外探测器的结构稳定性。
示例性地,结合图9、图18以及图19,当柱状结构6包括实心柱状结构时,也可以设置梁结构11对应柱状结构6所在位置形成有通孔,通孔露出至少部分柱状结构6,加重块状结构包括填充通孔的第一部分和位于通孔外的第二部分,第二部分的正投影覆盖第一部分的正投影。具体地,梁结构11对应柱状结构6所在位置形成镂空区,即形成有通孔,通孔外的加重块状结构的第二部分与通孔内的加重块状结构的第一部分一体成型,第一部分填充或者说嵌入通孔内并与柱状结构6接触设置,第二部分的正投影覆盖第一部分的正投影,即第二部分的面积大于第一部分的面积。该红外探测器像元中,加固结构16相当于由第一部分和第二部分构成的铆钉结构,第一部分的底面接触柱状结构的顶面,第一部分的侧面还接触梁结构形成的镂空区的侧面,第二部分的下表面接触通孔外表面。由此,在利用加固结构16自身的重力压住梁结构11的同时,还增大了加固结构16与柱状结构6以及梁结构11的接触面积,进一步增大了梁结构11与柱状结构6之间的力学强度,提升红外探测器的结构稳定性。
示例性地,可以设置构成加重块状结构的材料包括非晶硅、非晶锗、非晶硅锗、非晶碳、碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳氮化硅、氧化硅、硅、锗、锗硅、铝、铜、钨、金、铂、镍、铬、钛钨合金、镍铬合金、镍铂合金或镍硅合金中的至少一种。具体地,加固结构16可为由介质或金属沉积的单层结构,也可为由两层、三层或更多层单层结构叠加形成的多层结构,非晶硅、非晶锗、非晶硅锗、非晶碳、碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳氮化硅、硅、锗、锗硅、铝、铜、钨、金、铂、镍、铬、钛钨合金、镍铬合金、镍铂合金以及镍硅合金均不会被气相氟化氢、四氟化碳或三氟甲烷腐蚀,从而后续在利用气相氟化氢、四氟化碳或三氟甲烷腐蚀牺牲层以释放牺牲层的过程中,不会对加固结构16造成影响,从而确保设置加固结构16可增强梁结构11与柱状结构6连接处的力学强度,防止梁结构11与柱状结构6之间因连接不牢而发生脱落,从而提升红外探测器的结构稳定性。另外,当构成加固结构16的材料包括氧化硅时,由于氧化硅会被气相氟化氢、四氟化碳或三氟甲烷腐蚀,优选地可以设置加固结构16位于第一介质层13和第二介质层15围成的密闭空间内。
可选地,结合图2、图13以及图16,可以设置柱状结构6包括至少一层空心柱状结构,图2、图13以及图16示例性地设置柱状结构6包括一层空心柱状结构,空心柱状结构内至少设置有电极层14,空心柱状结构内的电极层14与悬空微桥结构40中的电极层14以及支撑底座42电连接,以确保悬空微桥结构40生成的电信号传输至CMOS测量电路系统1。图2、图13以及图16示例性地设置空心柱状结构内设置有电极层14以及分别位于电极层14两侧的介质层,两侧的介质层实现了对电极层14的有效保护,避免电极层14被氧化或腐蚀,优化红外探测器的电传输特性,示例性地,柱状结构6内位于电极层14下方的介质层例如可以为第一介质层13,位于电极层14上方的介质层例如可以为第二介质层15,电极层14两侧的介质层也可以为单独制作的膜层。另外,也可以设置柱状结构6内,电极层14的上方和/或下方没有介质层,即可以设置空心柱状结构内仅电极层14的下方有介质层或者仅电极层14的上方有介质层或者空心柱状结构内仅设置有电极层14,电极层14外部没有介质层包裹。
可选地,如图2所示,空心柱状结构的红外探测器还可以包括加固结构16,加固结构16对应柱状结构6所在位置设置,加固结构16用于增强柱状结构6与悬空微桥结构40之间以及柱状结构6与反射层4之间的连接稳固性,即增强柱状结构6与支撑底座42之间的连接稳固性。示例性地,加固结构16可以位于电极层14远离CMOS测量电路系统1的一侧,当电极层14上方无介质层覆盖时,加固结构16位于电极层14上方且与电极层14接触设置,此时加固结构16可以在空心柱状结构内形成空心结构或者形成实心结构。当电极层14上方覆盖有介质层时,例如图2电极层14上方覆盖有第二介质层15时,则加固结构16可以如图2所示位于第二介质层15上方且与第二介质层15接触设置,此时加固结构16可以在空心柱状结构内如图2所示形成空心结构,加固结构16也可以在空心柱状结构内形成实心结构,即加固结构16也可以填满第二介质层15环绕形成的内部空间。或者,也可以如图20所示,将加固结构16设置在电极层14上方且加固结构16与电极层14接触设置,即加固结构16位于电极层14与第二介质层15之间,此时加固结构16在空心柱状结构内形成空心结构。
图21为本公开实施例提供的另一种红外探测器像元的剖面结构示意图。图21所示结构的红外探测器中,也可以设置加固结构16位于电极层14临近CMOS测量电路系统1的一侧,电极层14的下方设置有介质层,例如第一介质层13时,加固结构16可以位于电极层14与第一介质层13之间且加固结构16与电极层14接触设置。
结合图2、图20和图21,无论加固结构16位于电极层14远离CMOS测量电路系统1的一侧,还是加固结构16位于电极层14临近CMOS测量电路系统1的一侧,加固结构16均覆盖柱状结构6与悬空微桥结构40的连接位置,相当于在柱状结构6与悬空微桥结构40的连接位置处增加了负重块,进而利用加固结构16增强了柱状结构6与悬空微桥结构40之间的连接稳固性。另外,加固结构16还覆盖至少部分柱状结构6与支撑底座42的连接位置,相当于在柱状结构6与支撑底座42的连接位置处增加了负重块,进而利用加固结构16增强了柱状结构6与支撑底座42之间的连接稳固性,进而优化了整个红外探测器的电连接特性,优化了红外探测器的红外探测性能。示例性地,上述实施例所述的加固结构16可以是金属结构也可以是非金属结构,本公开实施例对此不作具体限定,确保加固结构16的设置不会影响红外探测器中的电连接关系即可。
可选地,可以设置梁结构11和吸收板10至少两端电连接,CMOS红外传感结构2包括至少两个柱状结构6和至少两个支撑底座42,电极层14包括至少两个电极端。例如可以设置梁结构11与吸收板10两端电连接,每个梁结构11与吸收板10的一端电连接,CMOS红外传感结构2包括两个柱状结构6,电极层14包括至少两个电极端,至少部分电极端传输正电信号,至少部分电极端传输负电信号,并通过对应的梁结构11和柱状结构6传输至支撑底座42。也可以如图1所示,设置梁结构11与吸收板10的四端电连接,每个梁结构11与吸收板10的两端电连接,CMOS红外传感结构2包括四个柱状结构6,一个梁结构11连接两个柱状结构6。需要说明的是,本公开实施例对梁结构11与吸收板10的连接端的数量不作具体限定,确保分别存在梁结构11与电极端相对应,梁结构11用于传输对应的电极端输出的电信号即可。
可选地,可以设置红外探测器是基于3nm、7nm、10nm、14nm、22nm、28nm、32nm、45nm、65nm、90nm、130nm、150nm、180nm、250nm或350nm CMOS工艺制程,前述尺寸表征集成电路的工艺节点,即表征集成电路加工过程中的特征尺寸。
可选地,可以设置构成红外探测器中的金属互连层的金属连线材料包括铝、铜、钨、钛、镍、铬、铂、银、钌或钴中的至少一种,例如可以设置构成反射层4的材料包括铝、铜、钨、钛、镍、铬、铂、银、钌或钴中的至少一种。另外,设置CMOS测量电路系统1和CMOS红外传感结构2均使用CMOS工艺制备,在CMOS测量电路系统1上直接制备CMOS红外传感结构2,能够实现柱状结构6的径向边长大于等于0.5um,小于等于3um,梁结构11的宽度,即梁结构11中单线条的宽度小于等于0.3um,谐振腔的高度小于等于2.5um。
另外需要说明的是,本公开实施例并没有给出属于本公开实施例保护范围的所有结构红外探测器的示意图,并非对本公开实施例保护范围的限定,本公开实施例公开的不同特征之间可以任意组合,例如无论红外探测器中是否有加固结构,均属于本公开实施例的保护范围,不同结构的柱状结构的任意组合也属于本公开实施例的保护范围。
需要说明的是,在本文中,诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上仅是本公开的具体实施方式,使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的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公开的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本公开将不会被限制于本文的这些实施例,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 (10)
1.一种适应温度可调的非制冷红外探测器,其特征在于,包括:
CMOS测量电路系统和CMOS红外传感结构,所述CMOS测量电路系统和所述CMOS红外传感结构均使用CMOS工艺制备,在所述CMOS测量电路系统上直接制备所述CMOS红外传感结构;
所述CMOS测量电路系统上方包括至少一层密闭释放隔绝层,所述密闭释放隔绝层用于在制作所述CMOS红外传感结构的释放刻蚀过程中,保护所述CMOS测量电路系统不受工艺影响;
所述CMOS红外传感结构的CMOS制作工艺包括金属互连工艺、通孔工艺、IMD工艺以及RDL工艺,所述CMOS红外传感结构包括至少两层金属互连层、至少两层介质层和多个互连通孔,所述金属互连层至少包括反射层和电极层,所述介质层至少包括一层牺牲层和一层热敏感介质层;其中,所述热敏感介质层包括电阻温度系数大于设定值的热敏材料,所述热敏感介质层用于将其吸收的红外辐射对应的温度变化转化为电阻变化,进而通过所述CMOS测量电路系统将红外目标信号转化成可实现电读出的信号;
所述CMOS红外传感结构包括由所述反射层和所述热敏感介质层构成的谐振腔、控制热传递的悬空微桥结构以及具有电连接和支撑功能的柱状结构,所述悬空微桥结构包括吸收板和多个梁结构,所述柱状结构采用所述金属互连工艺和所述通孔工艺连接所述梁结构和所述CMOS测量电路系统;
所述红外探测器包括多个阵列排布的红外探测器像元,一个所述红外探测器像元中,所述吸收板中的所述电极层包括多个电极结构,所述多个电极结构将所述热敏感介质层划分为至少两个热敏电阻,所述CMOS测量电路系统用于选取两个电极结构以获取所述两个电极结构输出的电信号,所述CMOS测量电路系统通过选取不同的所述两个电极结构,以使接入所述CMOS测量电路系统的热敏结构对应至少两个不同阻值的常温等效电阻,所述热敏结构包括至少一个所述热敏电阻;其中,所述两个电极结构分别用于输出红外探测正信号和红外探测负信号;
所述CMOS测量电路系统用于测量和处理一个或多个所述CMOS红外传感结构形成的阵列电阻值,并将红外信号转化为图像电信号;所述CMOS测量电路系统包括偏压产生电路、列级模拟前端电路和行级电路,所述偏压产生电路的输入端连接所述行级电路的输出端,所述列级模拟前端电路的输入端连接所述偏压产生电路的输出端,所述行级电路中包括行级镜像像元和行选开关,所述列级模拟前端电路中包括盲像元;其中,所述行级电路分布在每个像素内并根据时序产生电路的行选通信号选取待处理信号,并在所述偏压产生电路的作用下输出电流信号至所述列级模拟前端电路以进行电流电压转换输出;
所述行级电路受所述行选开关控制而被选通时向所述偏压产生电路输出第三偏置电压,所述偏压产生电路根据输入的恒压及所述第三偏置电压输出第一偏置电压和第二偏置电压,所述列级模拟前端电路根据所述第一偏置电压和所述第二偏置电压得到两路电流,并对所产生的两路电流之差进行跨阻放大并作为输出电压输出。
2.根据权利要求1所述的适应温度可调的非制冷红外探测器,其特征在于,在所述CMOS测量电路系统的金属互连层上层或者同层制备所述CMOS红外传感结构。
3.根据权利要求1所述的适应温度可调的非制冷红外探测器,其特征在于,所述牺牲层用于使所述CMOS红外传感结构形成镂空结构,构成所述牺牲层的材料是氧化硅,采用post-CMOS工艺腐蚀所述牺牲层。
4.根据权利要求1所述的适应温度可调的非制冷红外探测器,其特征在于,所述电极结构为条状电极结构,所述条状电极结构沿第一方向延伸并沿第二方向排列;其中,所述第一方向和所述第二方向相互垂直;
对应相邻所述条状电极结构之间的区域设置的所述热敏感介质层形成一个所述热敏电阻,沿所述第二方向,相邻的所述条状电极结构之间的间距不同。
5.根据权利要求4所述的适应温度可调的非制冷红外探测器,其特征在于,所述热敏感介质层包括整面热敏结构,沿垂直于所述CMOS测量电路系统的方向,所述整面热敏结构至少覆盖相邻的所述条状电极结构之间的间隙区域;或者,
所述热敏感介质层包括多个条状热敏结构,相邻的所述条状电极结构之间设置有一个所述条状热敏结构。
6.根据权利要求1所述的适应温度可调的非制冷红外探测器,其特征在于,所述电极结构为块状电极结构,所述块状电极结构分布于所述吸收板相对设置的第一侧和第二侧;
对应分别位于所述第一侧和所述第二侧且相邻的两个所述块状电极结构之间的区域设置的热敏感介质层形成一个所述热敏电阻,所有所述热敏电阻的阻值相等。
7.根据权利要求6所述的适应温度可调的非制冷红外探测器,其特征在于,所述热敏感介质层包括一个条状热敏结构,沿垂直于所述CMOS测量电路系统的方向,所述条状热敏结构与所有所述块状电极结构均存在交叠区域;或者,
所述热敏感介质层包括多个条状热敏结构,分别位于所述第一侧和所述第二侧且相邻的两个所述块状电极结构之间设置有一个所述条状热敏结构。
8.根据权利要求1所述的适应温度可调的非制冷红外探测器,其特征在于,所述电极层包括一个条状电极结构和多个块状电极结构,所述条状电极结构与所述多个块状电极结构分别位于所述吸收板沿第一方向相对设置的第一侧和第二侧,所述条状电极结构沿第二方向延伸,所述块状电极结构沿所述第二方向排列;其中,所述第一方向和所述第二方向相互垂直;
所述条状电极结构和所述块状电极结构之间的区域设置的热敏感介质层形成一个所述热敏电阻,所述热敏电阻的阻值各不相同。
9.根据权利要求8所述的适应温度可调的非制冷红外探测器,其特征在于,所述热敏感介质层包括多个条状热敏结构,所述条状电极结构和所述块状电极结构之间设置有一个所述条状热敏结构,所述条状热敏结构沿所述第二方向的宽度各不相同。
10.根据权利要求1所述的适应温度可调的非制冷红外探测器,其特征在于,所述吸收板上形成有至少一个孔状结构,所述孔状结构至少贯穿所述吸收板中的介质层;和/或,所述梁结构上形成有至少一个孔状结构;
所述红外探测器还包括加固结构,所述加固结构对应所述柱状结构所在位置设置,所述加固结构用于增强所述柱状结构与所述悬空微桥结构之间的连接稳固性;
所述密闭释放隔绝层位于所述CMOS测量电路系统和所述CMOS红外传感结构之间的界面和/或位于所述CMOS红外传感结构中;
所述红外探测器是基于3nm、7nm、10nm、14nm、22nm、28nm、32nm、45nm、65nm、90nm、130nm、150nm、180nm、250nm或350nm CMOS工艺制程,构成所述金属互连层的金属连线材料包括铝、铜、钨、钛、镍、铬、铂、银、钌或钴中的至少一种。
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