CN114353957B - 一种二极管型非制冷红外探测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及探测器技术领域，具体公开了一种二极管型非制冷红外探测器，其中，包括：敏感单元、支撑梁和框架，所述敏感单元和所述支撑梁悬空设置在所述框架内，且所述敏感单元的端部通过所述支撑梁与所述框架的侧壁连接；所述敏感单元内设置有N合一二极管，其中N≥3，所述支撑梁内设置导线，所述N合一二极管与所述导线电气连接。本发明提供的二极管型非制冷红外探测器在保持大的结面积的基础上尽可能多的增加串联二极管的个数，使得该二极管能够在小像素的情况下有效提升电压温度灵敏度，从而优化红外探测器的整体性能，具有工艺易于实现，结构简单，性能优良的特点。

Description

一种二极管型非制冷红外探测器

技术领域

本发明涉及探测器技术领域，尤其涉及一种二极管型非制冷红外探测器。

背景技术

非制冷红探测器由于无需避免电子热运动的影响，因此可在室温条件下工作，具有质量轻、体积小、功耗小、成本低等特点，现已成为民用及中、低端军用红外探测的首选，非制冷红外焦平面阵列（IR FPA）作为其核心部件，可根据检测机制的不同细分为：热敏电阻型、热释电型、热电堆型、二极管型、场效应管型、光机械型等。其中二极管型IR FPA因制造工艺可与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容，故有利于实现高阵列均匀性与高空间分辨率。

为满足高空间分辨率需求，需具有大阵列和小像素，需要在小像素情况下提升二极管的性能，使其在面积减小的同时仍保持较大的电压温度系数（TCV）。为此，可以从两方面进行考虑：第一，增加二极管串联个数；第二，增加单个二极管结面积。但实际通过分析发现，二极管串联个数的增加对TCV的影响较结面积的影响更大。而单纯的将不同半导体衬底上的二极管电气连接，虽也能实现二极管的串联，但受到加工工艺的限制，需在不同半导体衬底上的二极管之间添加隔离层，并不能将串联二极管做到足够的小。日本三菱公司曾提出二合一二极管实现了两个二极管的串联，若在其基础上直接拓展二极管的数目，会由于寄生三极管的存在使得拓展后的结构不能达到应有的性能。

因此，如何能够在小像素的情况下有效提升TCV成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种二极管型非制冷红外探测器，解决相关技术中存在的小像素的情况下不能有效提升TCV的问题。

作为本发明的一个方面，提供一种二极管型非制冷红外探测器，其中，包括：敏感单元、支撑梁和框架，所述敏感单元和所述支撑梁悬空设置在所述框架内，且所述敏感单元的端部通过所述支撑梁与所述框架的侧壁连接；

所述敏感单元内设置有N合一二极管，其中N≥3，所述支撑梁内设置导线，所述N合一二极管与所述导线电气连接。

进一步地，所述N合一二极管包括n⁺p型二极管、pn型二极管和p⁺n型二极管三种类型，且该三种类型的二极管均在同一半导体衬底上通过引线串联连接。

进一步地，所述N合一二极管中n⁺p型二极管、pn型二极管和p⁺n型二极管的组合形式为n⁺p-k pn-p⁺n，其中n⁺p型二极管的数量为1，k表示pn型二极管的数量， p⁺n型二极管的数量为1，且1+k+1=N， k为大于或等于1的自然数。

进一步地，所述n⁺p型二极管包括n⁺型掺杂半导体和p型半导体衬底；所述pn型二极管包括p型半导体衬底和n阱型掺杂半导体和n⁺型掺杂半导体，且n⁺型掺杂半导体位于n阱型掺杂半导体内；所述p⁺n型二极管包括p⁺型半导体衬底和n阱型掺杂半导体。

进一步地，所述引线的制作材料包括单晶硅、多晶硅、钛、镍、铬、铝和铜中的任意一种或多种的组合。

进一步地，所述敏感单元的制作材料包括氧化硅、氮化硅和氮氧化硅中的任意一种或多种的组合。

进一步地，还包括红外吸收结构，所述红外吸收结构与所述敏感单元连接，或与所述敏感单元集成在一起，所述红外吸收结构的制作材料包括氧化硅、氮化硅和氮氧化硅中的任意一种或多种的组合。

进一步地，所述支撑梁的制作材料包括氧化硅、氮化硅和氮氧化硅中的任意一种或多种的组合，所述导线的制作材料包括单晶硅、多晶硅、钛、镍、铬、铝和铜中的任意一种或多种的组合。

进一步地，所述框架包括介质层，所述介质层的制作材料包括覆盖有氧化硅、氮化硅和氮氧化硅中的任意一种或多种的组合。

本发明实施例提供的二极管型非制冷红外探测器，N合一二极管有效拓展了二极管的数量，使得N合一二极管在同样面积的情况下，尽可能多的增加串联二极管的个数，同时保持大的结面积，使N合一二极管能够在小像素的情况下有效提升TCV，从而优化红外探测器的整体性能。具有工艺易于实现，结构简单，性能优良的特点。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明提供的二极管型非制冷红外探测器的结构示意图。

图2为本发明提供的敏感单元的一种具体实施方式结构示意图。

图3为本发明提供的敏感单元的另一种实施方式的结构示意图。

图4为本发明提供的N合一二极管的等效电路图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本领域技术人员更好地理解本发明方案，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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本实施例中提供了一种二极管型非制冷红外探测器，图1是根据本发明实施例提供的二极管型非制冷红外探测器的结构示意图，如图1所示，包括：敏感单元1、支撑梁2和框架3，所述敏感单元1和所述支撑梁2悬空设置在所述框架3内，且所述敏感单元1的端部通过所述支撑梁2与所述框架1的侧壁连接；

所述敏感单元1内设置有N合一二极管4，其中N≥3，所述支撑梁2内设置导线5，所述N合一二极管4与所述导线5电气连接。

需要说明的是，N表示的是二极管的数量。

本发明实施例提供的二极管型非制冷红外探测器，N合一二极管有效拓展了二极管的数量，使得N合一二极管在同样面积的情况下，尽可能多的增加串联二极管的个数，同时保持大的结面积，使N合一二极管能够在小像素的情况下有效提升TCV，从而优化红外探测器的整体性能。具有工艺易于实现，结构简单，性能优良的特点。

在本发明实施例中，如图2所示，所述N合一二极管包括n⁺p型二极管、pn型二极管和p⁺n型二极管三种类型，且该三种类型的二极管均在同一半导体衬底上通过引线6串联连接。

进一步具体地，所述N合一二极管中n⁺p型二极管、pn型二极管和p⁺n型二极管的组合形式为n⁺p-k pn-p⁺n，其中n⁺p型二极管的数量为1，k表示pn型二极管的数量，p⁺n型二极管的数量为1，且1+k+1=N， k为大于或等于1的自然数。

需要说明的是，图2所示例的是k为1的示意图，即图2中所示的N合一二极管为n⁺p-pn-p⁺n三合一二极管；图3所示例的是k为4的示意图，即图3中所示的N合一二极管为n⁺p-4pn-p⁺n 六合一二极管。

应当理解的是，具体k的值本发明实施例并不做限定，可以根据需要进行设定。

在本发明实施例中，所述n⁺p型二极管包括n⁺型掺杂半导体7和p型半导体衬底8；所述pn型二极管包括p型半导体衬底8和n阱型掺杂半导体9和n⁺型掺杂半导体7，且n⁺型掺杂半导体7位于n阱型掺杂半导体9内；所述p⁺n型二极管包括p⁺型半导体衬底10和n阱型掺杂半导体9。

需要说明的是，所述三种类型的二极管均在同一半导体衬底上通过引线串联连接，在本发明实施例中，同一半导体衬底具体为P型半导体衬底8。

应当理解的是，当敏感单元1中的N合一二极管4在恒流条件下工作时，流过结构p⁺n型二极管的p⁺n结后的电流全部进入了p型衬底，因结构中所拓展的pn型二极管的pn结，其n阱区范围较大，增大了p型衬底中所并联寄生电阻r’的阻值，使得大部分电流必须流经n阱再经过用于形成欧姆接触的n型重掺杂区再次到达p型衬底区，如此经过所拓展的多个pn型结后，最终由n⁺p型二极管的n⁺p结流出，结构中所拓展的pn型二极管的pn结对提升结构的TCV起到了贡献，而所拓展的pn型结n阱越大，结面积越大，并联电阻r’阻值越大，对于TCV的提升有促进作用。

另外，由于本发明实施例中的敏感单元1中的pn型二极管的拓展，并不需要添加额外的隔离层，这样在相同面积下，如果用传统二极管直接串联，要预留一定面积给隔离层，而如果采用本发明实施例中的N合一二极管，就不需要预留面积给隔离层，因此能够实现在相同面积下尽可能多的增加串联二极管的数目。

具体地，所述引线6的制作材料包括单晶硅、多晶硅、钛、镍、铬、铝和铜中的任意一种或多种的组合。

在本发明实施例中，所述敏感单元1的制作材料包括氧化硅、氮化硅和氮氧化硅中的任意一种或多种的组合。

需要说明的是，本发明实施例提供的二极管型非制冷红外探测器还包括红外吸收结构，所述红外吸收结构与所述敏感单元连接，或与所述敏感单元集成在一起，所述红外吸收结构的制作材料包括氧化硅、氮化硅和氮氧化硅中的任意一种或多种的组合。

应当理解的是，所述红外吸收结构具体可以为独立于所述敏感单元的一个单独结构，即与所述敏感单元连接；还可以为所述敏感单元集成所述红外吸收结构的功能，即由所述敏感单元实现所述红外吸收结构的功能。

在本发明实施例中，所述支撑梁2的制作材料包括氧化硅、氮化硅和氮氧化硅中的任意一种或多种的组合，所述导线的制作材料包括单晶硅、多晶硅、钛、镍、铬、铝和铜中的任意一种或多种的组合。

在本发明实施例中，所述框架1包括介质层，所述介质层的制作材料包括覆盖有氧化硅、氮化硅和氮氧化硅中的任意一种或多种的组合。

综上，本发明提供的二极管型非制冷红外探测器，提出一种N合一二极管（N≥3），其结构由n⁺p型二极管，pn型二极管，p⁺n型二极管在同一半导体衬底上串联而成，通过拓展pn型二极管的数目，使N合一二极管在同样面积的情况下，尽可能多的增加串联二极管的个数，同时保持大的结面积，使N合一二极管能够在小像素的情况下有效提升TCV，从而优化红外探测器的整体性能。具有工艺易于实现，结构简单，性能优良的特点。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种二极管型非制冷红外探测器，其特征在于，包括：敏感单元、支撑梁和框架，所述敏感单元和所述支撑梁悬空设置在所述框架内，且所述敏感单元的端部通过所述支撑梁与所述框架的侧壁连接；

所述敏感单元内设置有N合一二极管，其中N≥3，所述支撑梁内设置导线，所述N合一二极管与所述导线电气连接；

所述N合一二极管包括n⁺p型二极管、pn型二极管和p⁺n型二极管三种类型，且该三种类型的二极管均在同一半导体衬底上通过引线串联连接；

所述N合一二极管中n⁺p型二极管、pn型二极管和p⁺n型二极管的组合形式为n⁺p-k pn-p⁺n，其中n⁺p型二极管的数量为1，k表示pn型二极管的数量， p⁺n型二极管的数量为1，且1+k+1=N， k为大于或等于1的自然数。

2.根据权利要求1所述的二极管型非制冷红外探测器，其特征在于，所述n⁺p型二极管包括n⁺型掺杂半导体和p型半导体衬底；所述pn型二极管包括p型半导体衬底和n阱型掺杂半导体和n⁺型掺杂半导体，且n⁺型掺杂半导体位于n阱型掺杂半导体内；所述p⁺n型二极管包括p⁺型半导体衬底和n阱型掺杂半导体。

3.根据权利要求1所述的二极管型非制冷红外探测器，其特征在于，所述引线的制作材料包括单晶硅、多晶硅、钛、镍、铬、铝和铜中的任意一种或多种的组合。

4.根据权利要求1所述的二极管型非制冷红外探测器，其特征在于，所述敏感单元的制作材料包括氧化硅、氮化硅和氮氧化硅中的任意一种或多种的组合。

5.根据权利要求1所述的二极管型非制冷红外探测器，其特征在于，还包括红外吸收结构，所述红外吸收结构与所述敏感单元连接，或与所述敏感单元集成在一起，所述红外吸收结构的制作材料包括氧化硅、氮化硅和氮氧化硅中的任意一种或多种的组合。

6.根据权利要求1所述的二极管型非制冷红外探测器，其特征在于，所述支撑梁的制作材料包括氧化硅、氮化硅和氮氧化硅中的任意一种或多种的组合，所述导线的制作材料包括单晶硅、多晶硅、钛、镍、铬、铝和铜中的任意一种或多种的组合。

7.根据权利要求1所述的二极管型非制冷红外探测器，其特征在于，所述框架包括介质层，所述介质层的制作材料包括覆盖有氧化硅、氮化硅和氮氧化硅中的任意一种或多种的组合。