CN115867104A

CN115867104A - 一种垂直结构热电红外探测器及其制备方法

Info

Publication number: CN115867104A
Application number: CN202211545948.6A
Authority: CN
Inventors: 王启胜; 冷康敏; 王立
Original assignee: Nanchang University
Current assignee: Nanchang University
Priority date: 2022-11-30
Filing date: 2022-11-30
Publication date: 2023-03-28

Abstract

本发明提供了一种垂直结构热电红外探测器及其制备方法。所述垂直结构直接集成在衬底上，所述衬底上设置有金属电极，将垂直结构阵列底部互联作为共地电极；所述垂直结构由热电材料层构成，作为整个红外探测器的光敏部位；所述垂直结构被透明绝缘层覆盖并在顶部开孔，设置有金属引出电极，用于信号传输。本发明像元间距小，红外光响应灵敏度高，信噪比大，可实现超大像素焦平面阵列制备。本发明制备成本低，对材料单晶性要求低，器件结构微小，操作简单。

Description

一种垂直结构热电红外探测器及其制备方法

技术领域

本发明涉及红外探测器技术领域，具体涉及一种垂直结构热电红外探测器及其制备方法。

背景技术

红外探测器可实现夜视、测温、穿透云雾等功能，军民两用空间广阔，而传统的红外探测器通常对工作环境温度要求较高，需要制冷达到较低温度，且制备成本高，系统较为复杂，不利于实际应用。根据红外辐射的产生机理、红外辐射的应用和发展情况并结合考虑了红外辐射在地球大气层中的传输特性，进一步将0.75μm～15μm的红外辐射划分为三个波段：近红外或短波红外(SWIR)，波长范围为0.75μm～3μm；中红外或中波红外(MWIR)，波长范围为3μm～6μm；远红外或长波红外(LWIR)，波长范围为6μm～15μm。受不同波长探测器性能和制造成本的影响，目前限制传统红外探测器发展的问题如下：

(1)工作温度低。为降低背景噪声，实现良好的信噪比，工作温度一般小于200K，如InGaAs SWIR探测器、HgCdTe MWIR探测器等。对于LWIR探测器而言，由于长波红外信号较弱，需工作在77K以下。由于制冷设备的限制，红外探测器的尺寸、重量、功耗及成本相应增加，极大限制了应用场景。

(2)工艺复杂，成本高昂。作为红外探测器热成相系统的核心部件，焦平面阵列可以用于探测、识别和分析被测物体的红外信息。而焦平面阵列的制造过程，通常需经过晶体基底外延生长、基底减薄技术和抗反射涂层技术等复杂工艺，其制造和装配成本非常高。

(3)材料质量要求高。光敏材料(如HgCdTe)是传统红外探测器的主流材料选择，其工作原理为材料吸收红外波长辐射后，大量非平衡载流子于p-n结区域产生，由于内建电场的作用，载流子在该区域做漂移运动彼此分离，从而改变空间的电场分布，因此要求材料具有较好的单晶性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种垂直结构热电红外探测器及其制备方法，以解决传统红外探测器的工作温度低、成本高、信噪比低等问题，旨在实现室温工作的、低成本和高信噪比的晶圆级焦平面阵列，光谱响应范围实现SWIR、MWIR、LWIR单个波段或宽波段的红外探测器结构。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种垂直结构热电红外探测器。所述垂直结构直接集成在衬底上，所述衬底上设置有金属电极，将垂直结构阵列底部互联作为共地电极；所述垂直结构由热电材料层构成，作为整个红外探测器的光敏部位；所述垂直结构被透明绝缘层覆盖并在顶部开孔，设置有金属引出电极，用于信号传输。

本发明还提供了上述垂直结构红外探测器的制备方法，包括金属电极及绝缘层制备和热电材料生长。

所述衬底包括但不限于单晶硅、单晶钛酸锶、单晶氟化钡、硅/二氧化硅等衬底；所述衬底的厚度为0.1mm～30mm，所述衬底的尺寸，其宽度为1mm～30mm，长度为1mm～30mm；

所述热电材料可使具有垂直结构的红外探测器基于热电效应工作，材料种类包括碲化铋及其合金、碲化铅及其合金、硅锗合金、硒化铅、硒硫铅、硫化铅中至少一种；在生长的热电材料薄膜上采用光刻形成掩膜，并通过氩离子束刻蚀3min～20min形成垂直结构。由热电材料组成的垂直结构可为圆柱、方柱及多棱柱，圆柱直径、方柱及多棱柱的外接圆直径为3μm～300μm，高度为50nm～1500nm；

所述绝缘层尺寸为，厚度30nm～1000nm，宽度10μm～3cm，长度10μm～3cm；所述绝缘层材料为氧化硅、氧化钛、氮化硅中的至少一种。

所述金属电极及绝缘层制备，可采用蒸镀技术或磁控溅射技术其中的一种；所述金属电极尺寸为，厚度30nm～500nm，宽度0.7μm～3mm，长度1μm～3cm；所述金属电极为铜、铝、金、银、铬、镉、镍、钛、铂中的至少一种。所述金属电极及绝缘层的制备环境需满足真空度＜10^-3Pa。

所述热电材料生长包括以下步骤：

步骤1、衬底清洗，将衬底浸泡于无水乙醇，并超声清洗0.1～10小时，用去离子水去除衬底上的残留物，使用惰性气体或氮气吹干；

步骤2、材料配置，根据衬底尺寸，每平方厘米需配置0.1克～0.3克的材料前驱粉末，放置在石英坩埚中；

步骤3、化学气相沉积，包括调节衬底和材料在化学气相沉积炉中的位置，控制炉体真空度达到预定值，通入一定气流量的氩气或氮气，按照设定加热过程完成生长；

所述气流量为50sccm～450sccm，设定加热参数，包括起始温度、终止温度，加热时间，温度维持时间，所述起始温度为室温，所述终止温度为500℃～900℃，所述加热时间为30分钟～120分钟，所述温度维持时间在1分钟～1小时。

红外探测器像元阵列排布，使用晶圆级技术在热电材料的基础上进行刻蚀，所制像元间距为3μm～10μm，像素焦平面阵列根据需求可制备1像素×1像素到300像素×300像素之间的阵列。

本发明提供的方案在SWIR波段的性能，包括量子效率＞70％，操作温度＞298K，D^*＞10¹²Jones，光谱响应范围0.4μm～2.5μm，暗电流密度＜10nA/cm²；在MWIR波段的性能，包括量子效率＞70％，操作温度≥270K，D^*＞10¹⁰Jones，光谱响应范围3μm～5μm，噪声等效温差≤50mK；在LWIR波段的性能，包括量子效率>50％，操作温度＞298K，D^*＞10⁸Jones，光谱响应范围8μm～12μm，暗电流＜0.05A/cm²。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)信噪比大，光电响应强；

(2)像元间距小，可实现超大像素焦平面阵列制备；

(3)制备成本低，对材料单晶性要求低，器件结构微小，操作简单；

(4)室温可操作性，应用范围大；

(5)光谱响应范围广，可响应光谱范围覆盖短波红外、中波红外、长波红外。

附图说明

图1是本发明实施例1的一种具有圆柱状垂直结构红外探测器像元的剖视结构示意图；

图2是本发明实施例1的一种具有圆柱状垂直结构红外探测器焦平面阵列的结构示意图；

图3是本发明实施例2的另一种具有方柱状垂直结构红外探测器像元的剖视结构示意图。

图示说明：1、红外探测器像元；2、衬底；3、绝缘层；4、共地电极；5、顶端读取电极。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步地说明。

实施例1

图1为一种具有圆柱状垂直结构的红外探测器像元的剖视结构示意图，图2为一种具有圆柱状垂直结构的红外探测器焦平面阵列的结构示意图，该红外探测器系统包括：基于热电材料的红外探测器像元1、衬底2、绝缘层3、共地电极4和顶端读取电极5，其具体实施步骤如下：

步骤1、制备宽度为10mm，长度为10mm，硅片厚度为400μm，二氧化硅层厚度为100nm的硅/二氧化硅衬底2；

步骤2、将硅/二氧化硅衬底超声清洗0.5小时，清洗后取出，使用氮气吹干；

步骤3、配置0.1克的硒化铅粉末，放置在石英坩埚中；

步骤4、将基底和材料依次放入化学气相沉积炉中，调整好基底和材料的位置，将炉体抽真空，随后通入氩气，调节气流量为150sccm，开始加热。热处理工艺为，起始温度为室温，终止温度为800℃，加热时间为30分钟，温度维持时间在10分钟；

步骤5、采用光刻技术形成直径为10μm的圆形光刻胶掩膜；

步骤6、采用氩离子束刻蚀技术，刻蚀5min形成高度为0.5μm具有圆柱状垂直结构的红外探测器像元1，形成像元间距为8μm、像素阵列为20像素×20像素的焦平面阵列；

步骤7、采用蒸镀技术在步骤6所制圆柱状垂直结构上蒸镀厚度为50nm的绝缘层3；

步骤8、采用蒸镀技术在步骤1所制硅/二氧化硅衬底2和步骤6所制具有圆柱状垂直结构的红外探测器像元1上蒸镀铜金属电极，分别为共地电极4和顶端读取电极5，制备环境真空度为3×10^-4Pa，铜金属电极厚度为200nm，宽度1.5μm，长度1cm；

本实施例1提供的方案具备SWIR波段的性能，量子效率＞75％，操作温度为298K，D^*～1.2×10¹²Jones，光谱响应范围1.0～2.5μm，暗电流密度为5nA/cm²。

实施例2

图3为另一种具有方柱状垂直结构红外探测器像元的剖视结构示意图，红外探测器焦平面阵列结构和图2一致，其具体实施步骤如下：

步骤1、制备宽度为15mm，长度为15mm，硅片厚度为500μm，二氧化硅层厚度为150nm的硅/二氧化硅衬底2；；

步骤2、将硅/二氧化硅衬底超声清洗1小时，清洗后取出，使用氮气吹干；

步骤3、配置0.5克的硒硫铅粉末，放置在石英坩埚中；

步骤4、将基底和材料依次放入化学气相沉积炉中，调整好基底和材料的位置，将炉体抽真空，随后通入氩气，调节气流量为180sccm，开始加热。热处理工艺为，起始温度为室温，终止温度为800℃，加热时间为30分钟，温度维持时间在30分钟；

步骤5、采用光刻技术形成边长为50μm的方形光刻胶掩膜；

步骤6、采用氩离子束刻蚀技术，刻蚀10min形成高度为0.7μm具有方柱状垂直结构的红外探测器像元1，形成像元间距为5μm、像素阵列为50像素×50像素的焦平面阵列；

步骤7、采用蒸镀技术在步骤6所制方柱状垂直结构上蒸镀厚度为30nm的绝缘层3；

步骤8、采用蒸镀技术在步骤1所制硅/二氧化硅衬底2和步骤6所制具有方柱状垂直结构的红外探测器像元1上蒸镀银金属电极，分别为共地电极4和顶端读取电极5，制备环境真空度为5×10^-5Pa，银金属电极厚度为100nm，宽度2μm，长度1.5cm；

本实施例2提供的方案具备MWIR波段的性能，量子效率＞75％，操作温度为298K，D^*～2×10¹²Jones，光谱响应范围3～5μm，噪声等效温差≤50mK。

实施例3

步骤1、制备宽度为20mm，长度为20mm，硅片厚度为450μm，二氧化硅层厚度为200nm的硅/二氧化硅衬底2；

步骤2、将硅/二氧化硅衬底超声清洗2小时，清洗后取出，使用氮气吹干；

步骤3、配置0.6克的硅锗粉末(Si_1-xGe_x，x＝0.5)，放置在石英坩埚中；

步骤4、将基底和材料依次放入化学气相沉积炉中，调整好基底和材料的位置，将炉体抽真空，随后通入氩气，调节气流量为120sccm，开始加热。热处理工艺为，起始温度为室温，终止温度为600℃，加热时间为60分钟，温度维持时间在20分钟；

步骤5、采用光刻技术形成边长为15μm的正五边形光刻胶掩膜；

步骤6、采用氩离子束刻蚀技术，刻蚀15min形成高度为1μm具有五棱柱状垂直结构的红外探测器像元1，形成像元间距为10μm、像素阵列为80像素×80像素的焦平面阵列；

步骤7、采用蒸镀技术在步骤6所制五棱柱状垂直结构上蒸镀厚度为100nm的绝缘层3；

步骤8、采用蒸镀技术在步骤1所制硅/二氧化硅衬底2和步骤6所制具有五棱柱状垂直结构的红外探测器像元1上蒸镀金金属电极，分别为共地电极4和顶端读取电极5，制备环境真空度为1×10^-4Pa，金金属电极厚度为70nm，宽度0.7μm，长度0.7cm；

本实施例3提供的方案具备LWIR波段的性能，量子效率＞60％，操作温度为298K，D^*～10⁹Jones，光谱响应范围8μm～10μm，暗电流密度为0.04A/cm²。

以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种垂直结构热电红外探测器，其特征在于：所述垂直结构直接集成在衬底上，所述衬底上设置有金属电极，将垂直结构阵列底部互联作为共地电极；所述垂直结构由热电材料层构成，作为整个红外探测器的光敏部位；所述垂直结构被绝缘层部分覆盖，顶部设置有金属引出电极，用于信号传输。

2.一种如权利要求1所述的垂直结构热电红外探测器的制备方法，其特征在于：包括金属电极及绝缘层制备和热电材料生长；

所述衬底包括单晶硅、单晶钛酸锶、单晶氟化钡、硅/二氧化硅衬底；

所述金属电极及绝缘层制备，采用蒸镀技术或磁控溅射技术其中的一种；所述金属电极及绝缘层的制备环境满足真空度＜10^-3Pa；

所述热电材料生长包括以下步骤：

步骤2、材料配置，根据衬底尺寸，每平方厘米配置0.1克～0.3克的材料前驱粉末，放置在石英坩埚中；

所述热电材料使具有垂直结构的红外探测器基于热电效应工作，材料种类包括碲化铋及其合金、碲化铅及其合金、硅锗合金、硒化铅、硒硫铅、硫化铅中至少一种；

红外探测器像元阵列排布，使用晶圆级技术在热电材料的基础上进行刻蚀，所制像元间距为3μm～10μm，像素焦平面阵列根据需求制备1像素×1像素到300像素×300像素之间的阵列。

3.根据权利要求2所述的垂直结构热电红外探测器的制备方法，其特征在于：在生长的热电材料薄膜上采用光刻形成掩膜，并通过氩离子束刻蚀3min～20min形成垂直结构；由热电材料组成的垂直结构为圆柱、方柱或多棱柱，圆柱直径、方柱或多棱柱的外接圆直径为3μm～300μm，高度为50nm～1500nm。

4.根据权利要求2所述的垂直结构热电红外探测器的制备方法，其特征在于：所述衬底的厚度为0.1mm～30mm，所述衬底的尺寸，其宽度为1mm～30mm，长度为1mm～30mm。

5.根据权利要求2所述的垂直结构热电红外探测器的制备方法，其特征在于：所述金属电极尺寸为，厚度30nm～500nm，宽度0.7μm～3mm，长度1μm～3cm；所述金属电极为铜、铝、金、银、铬、镉、镍、钛、铂中的至少一种。

6.根据权利要求2所述的垂直结构热电红外探测器的制备方法，其特征在于：步骤3中，所述气流量为50sccm～450sccm，设定加热参数，包括起始温度、终止温度，加热时间，温度维持时间，所述起始温度为室温，所述终止温度为500℃～900℃，所述加热时间为30分钟～120分钟，所述温度维持时间在1分钟～1小时。

7.根据权利要求2所述的垂直结构热电红外探测器的制备方法，其特征在于：所述绝缘层尺寸为，厚度30nm～1000nm，宽度10μm～3cm，长度10μm～3cm；所述绝缘层材料为氧化硅、氧化钛、氮化硅中的至少一种。