CN1152434C - 室温GaAs红外探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于平板电容随温度变化原理设计的室温GaAs红外探测器。该探测器的结构是：在GaAs衬底上，有一与GaAs衬底牢固结合的高掺杂Si GaAs平板电容下电极层，在下电极层与上电极层的一端头之间有一AlAs间隔支撑层，支撑平板电容上电极层，使上电极层的突出部分被悬空，上电极层的材料为高掺杂SiGaAs，在上电极层上覆盖着一层Si3N4吸热层。当探测器的吸热层受到热辐射时，引起上、下电极层之间的距离变化，从而引起电容的相对变化。该探测器的电容相对变化量可比现有的可实现间距为200纳米的Si探测器的电容相对变化量更大，进而具有更高的探测灵敏度，形成性能优越的红外探测器。
Description
技术领域
本发明属于热敏类红外探测器，具体涉及一种基于平板电容随温度变化原理设计的室温GaAs红外探测器。
背景技术
目前典型的室温红外探测器，有电阻型的，也有电容型的。电阻型的，如硅Bolometer型器件；电容型的有二种，一种是利用介电常数随温度变化的变容探测器，如铁电材料与热释电材料等制成的探测器，另一种是利用电容平板间的距离随温度变化的变容探测器，如硅平板电容式探测器，但其的制作工艺相当复杂，难度很大，具体参见SPIEVo1.3061 p210“An Uncooled IR Imager with 5 mK NEDT”，SPIE Vol.3436(part two)p647“Progress towards an uncooled IR imager with 5mKNEDT”。另外基于目前硅材料的微机械技术只能形成200纳米的平板电极距离，电容C∝1/d，d为平板电极之间的距离，所以电容的相对变化量ΔC/C∝Δd/d2。为此由温度变化导致的Δd将直接产生ΔC的变化，而且相对变化量直接反比于d2。因此要获得高的温度敏感度，就需要降低电容平板间距d。如果d缩小3倍，则温度敏感度将提高近1个数量级。由此可见缩小d是这类器件的温度敏感度的核心技术。
发明内容
根据上述已有技术存在的器件制作工艺复杂，难度很大，器件温度敏感度低等缺点，本发明提出应用III-V族半导体材料中最成熟的GaAs、AlAs材料体系可具有强烈的选择性腐蚀的特性，通过钻蚀方法形成由2层平行的掺杂GaAs层构成平板电容，而热辐照将引起上平板电极相对下平板电极的移动，导致二平板电极间距离的变化，进而引起平板电容的变化，得到对热辐射的探测。
本发明的器件结构见图1，即在GaAs衬底上，有一与GaAs衬底牢固结合的厚度为1-2微米的高掺杂Si:GaAs平板电容下电极层，在下电极层与上电极层的一端头之间有一厚度为30-60纳米的AlAs间隔支撑层，支撑平板电容上电极层，使上电极层的部分被悬空，上电极层的厚度为300-1000纳米，上电极层的材料为高掺杂Si:GaAs，在上电极层上覆盖着一层比上电极层四周边长小的厚度为80-100纳米的Si3N4吸热层，在上电极层和下电极层边上分别有一个引出电极。
基于本发明的核心是通过吸热后改变平板电容电极层间距离的基本原理实现红外探测的，器件最核心的结构是：
1.形成十分平整的平板电极层，以确保平板电极层在相互移动时可在平板间距离在纳米量级时，二个平板电极层仍能完全分离；
2.平板电极间的距离要足够小，而平板相互间又完全分离；
3.光敏元上的吸热材料与上平板电极间的热膨胀系数差别尽可能大；
本发明提出的设计方案具有上述特点中第1和第2点的特性，同时与典型的吸热材料Si3N4材料相结合，形成性能优越的红外探测器。
本发明的探测器的工作过程是：当探测器的吸热层受到热辐射时，引起了上电极层与下电极层伸长了不同的量，为此电容平板间的间距从d变为d′；同样如果吸热层受到冷辐射，引起了上电极层与下电极层收缩了不同的量，为此电容平板间的间距从d变为d″，见图2。无论d如何变化都将引起电容的变化。由于电容C∝l/d，所以电容的相对变化量ΔC/C∝Δd/d2。为此由温度变化导致的Δd将直接产生ΔC的变化，而且相对变化量直接反比于d2。因此要获得高的温度敏感度，就需要降低电容平板间距d。本专利提出的技术方案中参量d很容易达到60纳米的尺度，甚至有可能达到30纳米。为此采用该技术路线完全能够比目前硅工艺中已难以达到的d为200纳米的技术路线要优越得多。
本发明的设计方案可以有如下积极效果：
1.本发明是一种基于电容变化的室温工作温度的红外探测器，由于GaAs与AlAs单晶薄膜材料间强烈的选择性腐蚀特性，可以获得间距在60纳米以下的平板电容，从而使红外探测的灵敏度会大大地提高，预计比现有的可实现间距为200纳米的技术可提高探测器灵敏度约10多倍。
2.本发明采用的材料是用先进的单晶薄膜生长技术，其界面的平整度可达到原子层的水平，这为形成平板电容间平板的平整度提供了基本保证。这一基本保证使最终的器件在红外探测器响应上具有良好的线性度，并在制备成线列或面阵器件后避免由电容的结构不均匀带来的线列和面阵器件的不均匀性。
附图说明
图1为探测器基本结构剖面示意图。
图2为探测器工作原理图；图2(a)为探测器吸热层受到热辐射时电容平板间距从d变为d′；图2(b)为探测器吸热层受到冷辐射时电容平板间距从d变为d″。
图3为探测器的基本工艺流程图，图3(a)为第一步制作工艺示意图；图3(b)为第二步制作工艺示意图；图3(c)为第三步制作工艺示意图；图3(d)为第四步制作工艺示意图；图3(e)为第五步制作工艺示意图。
具体实施方式
器件的制备工艺过程如图3所示。
第1步用分子束外延方法或金属有机化学气相沉积方法等单晶薄膜生长技术依次在GaAs衬底1上生长高掺杂Si GaAs下电极层2，厚度为1微米，掺杂浓度为1×1018cm-3；非掺杂的AlAs间隔支撑层3，厚度为30-60纳米；高掺杂Si GaAs上电极层4，厚度为300-1000纳米，掺杂浓度为1×1018cm-3，见图3(a)。
第2步是通过光刻技术在图3(a)所示材料上形成可蒸镀Si3N4吸热层的图形，然后采用化学沉积或热蒸发等镀膜技术将Si3N4吸热层5形成在上电极层4之上，吸热层的形状为细长形，长为80-100微米，宽为18-22微米，厚度为100-120纳米，见图3(b)所示的结构。
第3步是继续采用光刻技术将部分上电极层4腐蚀掉，显露出非掺杂的AlAs间隔支撑层3，见图3(c)。其中上电极层宽度比吸热层的宽度大10微米，这样有利于下一步对AlAs层钻蚀，而突出部分的长度约为100微米。
第4步继续用选择腐蚀方法将AlAs层3腐蚀掉，并通过钻蚀的方法将上电极层部分下面的AlAs薄膜也腐蚀掉，从而使上电极层部分被悬空。与此同时，下电极的Si:GaAs层2也被显露出来，见图3(d)。
最后一步是在上下电极层上用压焊方法形成如图3(e)所示的电极6，电极应小于30微米的线度，以确保较大的吸热元占空比。在实际器件工作中，该电极将采集器件在热辐照情况下的电容变化。为了提高器件对热辐照导致的材料温度升高的灵敏度，可以将上电极材料的突出部分尽可能地作得长一些。
Claims (2)
1.一种室温GaAs红外探测器，包括衬底、下电极层、间隔支撑层、上电极层，其特征在于：
在GaAs衬底上，有一与GaAs衬底(1)牢固结合的厚度为1-2微米的高掺杂Si:GaAs平板电容下电极层(2)，在下电极层与上电极层的一端头之间有一厚度为30-60纳米的AlAs间隔支撑层(3)，支撑平板电容上电极层(4)，使上电极层部分被悬空，上电极层的厚度为300-1000纳米，上电极层为高掺杂Si:GaAs，在上电极层上覆盖着一层比上电极层四周边长小的厚度为80-120纳米的Si3N4吸热层(5)，在上电极层和下电极层边上分别有一个引出电极(6)。
2.根据权利要求1的一种室温GaAs红外探测器，其特征在于：所说的Si3N4吸热层(5)的形状为细长形，长为80-100微米，宽为18-22微米。
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