CN1260598A

CN1260598A - 铁电红外探测器及其操作方法

Info

Publication number: CN1260598A
Application number: CN 98125989
Authority: CN
Inventors: 柳寅敬
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 1998-12-31
Filing date: 1998-12-31
Publication date: 2000-07-19

Abstract

一种使用把铁电材料层用作栅氧化层的场效应晶体管的铁电红外探测器、及其一种操作方法。该红外探测器包括:一个带有形成在其上的一个沟道的晶体管衬底;一个沉积在沟道上的铁电层;一个沉积在铁电层上的电极;一个沉积在电极上的红外吸收层;及一个绝缘层,用来把顺序沉积的铁电层、电极和红外吸收层的边缘侧,同形成在沟道任一侧处的搀杂区域上的晶体管电极绝缘开。

Description

铁电红外探测器及其操作方法

本发明涉及一种铁电红外探测器及其一种操作方法，更具体地说，涉及一种使用把铁电材料层用作栅绝缘层的场效应晶体管(FET)的铁电红外探测器、及其一种操作方法。

作为利用热电电荷材料的典型装置，有用来主要检测光和热的传感器，如红外望远镜和热传感器。传感器的工作原理是，通过检测热电电荷材料接收光或热并因而引起热电电荷材料的温度变化时产生的电荷，测量输入光或热的强度。传感器通常以电容器的形式制造，以测量两个电极之间的电压。装置的检测功能依据其结构、形状、或材料性能确定，并且测量和优化所谓的品质因数的数值，以估计以上性能。然而，由于材料性能彼此补偿，所以难以优化品质因数。例如，有一种是热检测传感器类型的热电红外探测器。热电红外探测器最重要的因数是与电压响应性和电流响应性成正比的探测能力。各响应性与热电电荷材料的自发极化量成反比。然而，在大多数情况下，自然极化较大时，介电常数增大。于是，通过补偿效应难以提高灵敏度，这限制了材料的选择。

为了解决以上问题，本发明的目的在于提供一种呈现优良检测灵敏度的红外探测器及其一种操作方法。

于是，为了实现以上目的，这里提供了一种红外探测器，该红外探测器包括：一个带有形成在其上的一个沟道的晶体管衬底；一个沉积在沟道上的铁电层；一个沉积在铁电层上的电极；一个沉积在电极上的红外吸收层；及一个绝缘层，用来把顺序沉积的铁电层、电极和红外吸收层的边缘侧，同形成在沟道任一侧处的搀杂区域上的晶体管电极绝缘开。

在本发明中，最好红外吸收层能具有直接接触铁电层的区域。

而且，为了实现以上目的，提供了一种操作红外探测器的方法，该红外探测器带有一个铁电层、一个电极、及一个沉积在其上形成一个沟道的半导体衬底上的红外吸收层，该方法包括把预定电压加在电极与沟道之间的步骤。

根据本发明的另一个最佳实施例，这里提供了一种红外探测器，该红外探测器包括：一个带有形成在其上的一个沟道的晶体管衬底；一个沉积在沟道上的介电层；一个沉积在介电层上的下电极；一个沉积在下电极上的铁电层；一个沉积在铁电层上的上电极；一个沉积在上电极上的红外吸收层；及一个绝缘层，用来把顺序沉积的铁电层、电极和红外吸收层的边缘侧，同形成在沟道任一侧处的搀杂区域上的晶体管电极绝缘开。

在本实施例中，最好红外吸收层能具有直接接触铁电层的区域。

而且，为了实现以上目的，根据本发明的另一个最佳实施例，提供了一种操作红外探测器的方法，该红外探测器带有一个介电层、一个下电极、一个铁电层、一个上电极、及一个沉积在其上形成一个沟道的半导体衬底上的红外吸收层，该方法包括把预定DC偏置电压加在电极与沟道之间的步骤。

通过参照附图对本发明最佳实施例的详细描述，本发明的以上目的和优点将变得更明白，在附图中：

图1A至1C表明根据本发明的一种金属铁电半导体(MFS)型红外探测器，其中图1A是部分表面电极红外探测器的剖视图，图1B是完全表面电极红外探测器的剖视图，及图1C是边缘表面电极红外探测器的剖视图；

图2A至2C表明根据本发明的一种金属铁电金属绝缘体(介电或顺电的)半导体(MFMIS)型红外探测器，其中图2A是部分表面电极红外探测器的剖视图，图2B是完全表面电极红外探测器的剖视图，及图2C是边缘表面电极红外探测器的剖视图；

图3A至3C用来表示图1A中所示的根据本发明的MFS型红外探测器的操作状态，其中图3A表示正常状态，图3B表示当施加红外线时的操作状态，及图3C表示其中由红外线吸收造成的铁电层中的磁畴变化此后消失(易失)的正常状态；

图4A至4C用来表示图2A中所示的根据本发明的MFMIS型红外探测器的操作状态，其中图4A表示正常状态，图4B表示当施加红外线时的操作状态，及图4C表示其中由红外线吸收造成的铁电层中的磁畴变化此后消失(易失)的正常状态；及

图5A至5C分别表明具有从图2A至2C的MFMIS型红外探测器消除金属层的结构的红外探测器。

在本发明中，提出了另一种不同于常规概念同时减小上述补偿变量的检测方法。即，本发明公开了一种用MOS晶体管检测热电荷的红外探测器。

作为使用MOS晶体管的红外探测器的第一最佳实施例，一种金属铁电半导体(MFS)型红外探测器表示在图1A至1C中。这里，图1A是部分表面电极红外探测器的剖视图，图1B是完全表面电极红外探测器的剖视图，及图1C是边缘表面电极红外探测器的剖视图。图2A至2C表示作为使用MOS晶体管的红外探测器的第二最佳实施例的一种金属铁电金属绝缘体(介电或顺电的)半导体(MFMIS)型红外探测器。这里，图2A是部分表面电极红外探测器的剖视图，图2B是完全表面电极红外探测器的剖视图，及图2C是边缘表面电极红外探测器的剖视图。

MFS型和MFMIS型红外探测器带有连接到常规晶体管铁电存储器上的IR(红外)吸收层。而且，尽管常规热电探测器除铁电材料外能使用热电材料，但使用本发明的MOS晶体管的红外探测器限于铁电材料。

在MFS型红外探测器中，如图1A至1C中所示，一个铁电层3、一个电极2、及一个IR吸收层1顺序沉积在一种半导体沟道结构8上，并且一个用来把以上沉积结构同晶体管电极(源和漏电极)绝缘开的绝缘层6形成在沉积结构与晶体管的电极之间。在MFMIS型红外探测器中，如图2A至2C中所示，一个介电层15、一个下电极14、一个铁电层13、一个上电极12、及一个IR吸收层11顺序沉积在一种半导体沟道结构18上，并且一个用来把以上沉积结构同晶体管电极(源或漏电极)绝缘开的绝缘层16形成在沉积结构与晶体管的电极之间。

在具有以上结构的MFS型和MFMIS型红外探测器中，有一种部分表面电极结构，其中电极2和上电极12稍微暴露，并且沉积IR吸收层1和11；有一种完全表面电极结构，其中电极2和上电极12完全由IR吸收层1和11覆盖着，并且暴露IR吸收层1和11；及有一种边缘电极结构，其中铁电层3和13由热电电荷材料的IR吸收层1和11覆盖着。尽管边缘电极结构呈现较高的红外吸收速率，但其制造与部分和完全表面电极结构相比可能比较困难。

图3A至3C用来解释MFS型红外探测器的操作状态(红外线检测的原理)。如图3A中所示，在正常状态下，一个预定电压施加在铁电层的两端之间，即电极与沟道之间，以在一个方向极化铁电层。这里，感应出沟道电荷以相对于铁电磁畴保持平衡。电荷称作实际对应于约束电荷的感应电荷。如图3B中所示，当输入红外线时，铁电层3的温度变化，并且随着发射热电荷，沟道8的电荷量变化。因而，流经沟道8的电流量变化，从而晶体管检测到红外线的输入。红外线的强度变化由流经沟道8的电流量变化来指示。在红外线照射之后，红外探测器返回正常状态，并且沟道8的状态返回初始状态。即，MFS型红外探测器在特性上成为易失的。

图4A至4C用来解释MFMIS型红外探测器的操作状态(红外线检测的原理)。如图4A中所示，在正常状态下，一个预定电压施加在上电极12与Si沟道18之间，以在一个方向极化铁电材料。通过这样做，如上述的那样，在沟道中感应出电荷，以相对于铁电磁畴保持平衡。然后，当输入红外线时，如图4B中所示，铁电层13的温度变化，并且随着发射热电荷，沟道18中的电荷量变化。如图4C中所示，由于在输入红外线之后感应出感应电荷，并因而在作为插入层的下电极14中形成约束电荷，所以如果红外探测器返回正常状态，则沟道18中的感应电荷不返回初始状态。

图5A至5C分别表明具有从图2A至2C所示的第二最佳实施例的MFMIS型红外探测器中消除金属层的结构的红外探测器。在把铁电层直接堆积在绝缘(介电)层上时不出现问题的情况下，能构造这些红外探测器。

如上所述，由于根据本发明使用MOS晶体管的红外探测器，通过热电荷效应检测流经铁电FET(场效应晶体管)沟道的电流，所以需要仅考虑电流响应性，而不考虑电压响应性，使所用的材料的选择更容易。尽管优点当然在于热电荷材料族比铁电材料族宽，但一般地说，大多数优良的热电荷材料属于铁电材料。

而且，常规红外探测器测量上和下电极之间的电压差或电流，从而热电荷材料本身的电容成为减小响应性的一个因素。相反，在根据本发明使用MOS晶体管的红外探测器中，由于测量流经沟道的电流，所以测得的电流较大，并因而响应性较高且减小了噪声。因此，在常规红外探测器中难以使用的铁电材料能用于用到MOS晶体管时的该红外探测器。

Claims

1.一种红外探测器，包括：

一个带有形成在其上的一个沟道的晶体管衬底；

一个沉积在所述沟道上的铁电层；

一个沉积在所述铁电层上的电极；

一个沉积在所述电极上的红外吸收层；及

一个绝缘层，用来把顺序沉积的所述铁电层、所述电极和所述红外吸收层的边缘侧，同形成在所述沟道任一侧处的搀杂区域上的晶体管电极绝缘开。

2.根据权利要求1所述的红外探测器，其中所述红外吸收层具有一个直接接触所述铁电层的区域。

3.根据权利要求1所述的红外探测器，其中所述晶体管是MOS FET(场效应晶体管)。

4.根据权利要求2所述的红外探测器，其中所述晶体管是MOS FET(场效应晶体管)。

5.一种操作红外探测器的方法，该红外探测器带有一个铁电层、一个电极、及一个沉积在其上形成一个沟道的半导体衬底上的红外吸收层，所述方法包括把预定电压加在所述电极与所述沟道之间的步骤。

6.一种红外探测器，包括：

一个带有形成在其上的一个沟道的晶体管衬底；

一个沉积在所述沟道上的介电层；

一个沉积在所述介电层上的下电极；

一个沉积在所述下电极上的铁电层；

一个沉积在所述铁电层上的上电极；

一个沉积在所述上电极上的红外吸收层；及

7.根据权利要求6所述的红外探测器，其中所述红外吸收层具有一个直接接触所述铁电层的区域。

8.根据权利要求6所述的红外探测器，其中所述晶体管是MOS FET(场效应晶体管)。

9.根据权利要求7所述的红外探测器，其中所述晶体管是MOS FET(场效应晶体管)。

10.一种操作红外探测器的方法，该红外探测器带有一个介电层、一个下电极、一个铁电层、一个上电极、及一个沉积在其上形成一个沟道的半导体衬底上的红外吸收层，所述方法包括步骤：

把预定DC偏置电压加在所述上电极与所述沟道之间；及

检测所述沟道的变化。

11.根据权利要求10所述的操作红外探测器的方法，其中所述方法包括检测所述沟道的变化的步骤，而不包括施加预定DC偏置电压的步骤。