一种红外敏感器件以及红外传感信号放大电路的制作方法

本发明涉及半导体领域，特别涉及一种红外敏感器件以及具有该红外敏感器件的红外传感信号放大电路。

背景技术：

信号放大器(差分放大器、信号放大电路)是能把两个输入电压的差值加以放大的电路，也称差动放大器，是一种零点漂移很小的直接耦合放大器，常用于直流放大。在传统的信号放大器中通常设置盲元结构和像元结构，通过盲元结构对红外信号不产生反应以及像元结构对红外信号产生反应，并将盲元结构的信号与像元结构的信号相减，形成最终信号。然而，现有的信号放大器对信号的灵敏度不高。目前，石墨烯材料由于其具有较高的载流子迁移率以及优异的光学特性而受到广泛的关注，本发明希望提供一种利用石墨烯材料制成的红外敏感器件，并将其应用于红外传感信号放大电路中来提高信号的灵敏度。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种红外敏感器件以及具有该红外敏感器件的红外传感信号放大电路。该红外敏感器件经过红外照射后可以改变电流的大小，并且可应用于放大电路中增强红外传感信号放大电路的信号灵敏度。

根据本发明的一个方面提供一种红外敏感器件，所述红外敏感器件包括：红外吸收层；铁电材料层，设置于所述红外吸收层的出光侧；石墨烯晶体管，设置于所述铁电材料层的出光侧，所述石墨烯晶体管至少包括：第一电极和第二电极，分别设置于所述铁电材料层的出光侧的两端；石墨烯材料层，设置于所述铁电材料层的出光侧，覆盖所述铁电材料层、所述第一电极和所述第二电极；初始化电极，设置于所述铁电材料的入光侧，且与所述第一电极或所述第二电极的位置相对应，对所述铁电材料层进行极化。

可选地，所述石墨烯晶体管为顶栅结构的晶体管，所述第一电极为源极，所述第二电极为漏极，所述石墨烯晶体管还包括栅介质层和栅极层，所述栅介质层设置于所述石墨烯材料层的出光侧，所述栅极层设置于所述栅介质层的出光侧。

可选地，所述铁电材料层由锆钛酸铅压电陶瓷材料或钛酸锶钡材料制成。

可选地，所述红外敏感器件还包括透明电极层，所述透明电极层设置于所述红外吸收层和所述铁电材料层之间。

可选地，所述透明电极层为氧化铟锡电极层。

可选地，所述初始化电极与所述红外吸收层同层设置。

根据本发明的另一个方面，还提供一种红外传感信号放大电路，所述红外传感信号放大电路包括上述的红外敏感器件。

可选地，所述红外传感信号放大电路包括：

两个所述红外敏感器件，其中，两个所述红外敏感器件的铁电材料层的极化方向不同；

一对匹配的互补型金属氧化物半导体晶体管，分别与两个所述红外敏感器件电连接。

可选地，两个所述红外敏感器件的铁电材料层的极化相反。

可选地，所述一对匹配的互补型金属氧化物半导体晶体管包括第一晶体管和第二晶体管；所述第一晶体管的栅极电连接所述第二晶体管的栅极，所述第一晶体管的源极电连接一第一电平，所述第一晶体管的漏极电连接所述第一晶体管和所述第二晶体管的栅极；所述第二晶体管的源极电连接所述第一电平，所述第二晶体管的漏极电连接一输出端；一个所述红外敏感器件的栅极电连接所述第一电压，源极连接第二电平，漏极电连接所述第一晶体管的漏极；另一个所述红外敏感器件的栅极电连接所述第二电压，源极连接所述第二电平，漏极电连接所述第二晶体管的漏极。

相比于现有技术，本发明实施例提供的红外敏感器件以及红外传感信号放大电路中，由于红外敏感器件包括铁电材料层和石墨烯晶体管，石墨烯晶体管中石墨烯材料层作为石墨烯晶体管的沟道、且设置于铁电材料层的表面，因此，当铁电材料极化、并经红外照射温度升高后可以根据其不同的极化方向而使流过石墨烯材料层的电流上升或下降。进而，该红外敏感器件可以应用于信号放大电路中形成红外传感信号放大电路，该红外传感信号放大电路可以通过设置两个铁电材料层极化方向不同的红外敏感器件，当红外信号入射被红外吸收层吸收后，其极化的不同会对其石墨烯晶体管起到不同作用(即两个红外敏感器件中，一个经过其石墨烯材料层的电流上升，另一个经过其经过其石墨烯材料层的电流下降)，从而形成差分信号，并通过信号放大电路来进行放大，因此，可以取代现有的信号放大电路中的盲元和像元结构，进一步增强信号的灵敏度。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的一个实施例的红外敏感器件的截面结构示意图；

图2为本发明的一个实施例的红外敏感器件的石墨烯材料层在红外吸收层照射红外前的空穴浓度示意图；

图3为本发明的一个实施例的红外敏感器件的石墨烯材料层在红外吸收层照射红外后的空穴浓度示意图；

图4为本发明的一个实施例的红外敏感器件的石墨烯材料层在红外吸收层照射红外前后的电流—电压曲线图；

图5为本发明的一个实施例的红外敏感器件的石墨烯材料层在红外吸收层照射红外前的电子浓度示意图；

图6为本发明的一个实施例的红外敏感器件的石墨烯材料层在红外吸收层照射红外后的电子浓度示意图；

图7为本发明的一个实施例的红外敏感器件的石墨烯材料层在红外吸收层照射红外前后的电流—电压曲线图；以及

图8为本发明的一个实施例的红外传感信号放大电路的结构示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。

所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员应意识到，没有特定细节中的一个或更多，或者采用其它的方法、组元、材料等，也可以实践本发明的技术方案。在某些情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明。

根据本发明的主旨构思，本发明的红外敏感器件包括：红外吸收层；铁电材料层，设置于所述红外吸收层的出光侧；石墨烯晶体管，设置于所述铁电材料层的出光侧，所述石墨烯晶体管至少包括：第一电极和第二电极，分别设置于所述铁电材料层的出光侧的两端；石墨烯材料层，设置于所述铁电材料层的出光侧，覆盖所述铁电材料层、所述第一电极和所述第二电极；初始化电极，设置于所述铁电材料的入光侧，且与所述第一电极或所述第二电极的位置相对应，对所述铁电材料层进行极化。

下面结合附图和实施例对本发明的技术内容进行进一步地说明。

请参见图1，其示出了本发明的一个实施例的红外敏感器件的截面结构示意图。如图1所示，在本发明的实施例中，所述红外敏感器件包括：红外吸收层1、铁电材料层2、石墨烯晶体管3以及初始化电极4。

红外吸收层1用于吸收红外线，其使用对红外敏感的材料制成，例如可以是氮化硅(SiN)或者氧化硅(SiO2)等材料。铁电材料层2设置于红外吸收层1的出光侧。在本发明实施例中，铁电材料层2可以由锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)材料或钛酸锶钡(BST)材料制成。

石墨烯晶体管3设置于铁电材料层2的出光侧。其中，石墨烯晶体管3至少包括第一电极、第二电极以及石墨烯材料层。在图1所示的实施例中，石墨烯晶体管3为顶栅结构的晶体管。具体来说，石墨烯晶体管3包括源极31、漏极32、石墨烯材料层33、栅介质层34以及栅极层35。源极31为上述的第一电极，漏极32为上述第二电极。源极31和漏极32分别设置于铁电材料层2的出光侧表面，位于铁电材料层2的两端。石墨烯材料层33设置于铁电材料层2的出光侧表面，其覆盖铁电材料层2、源极31。栅介质层34设置于石墨烯材料层33的出光侧表面。栅极层35设置于栅介质层34的出光侧表面。

初始化电极4设置于铁电材料2的入光侧，且与第一电极或第二电极的位置相对应，对铁电材料层2进行极化。具体来说，在图1所示的实施例中，初始化电极4设置于铁电材料2的入光侧、且与红外吸收层1同层设置。初始化电极4的位置与源极31(即第一电极)的位置相对应。在红外敏感器件工作前，初始化电极4和源极31共同对铁电材料4的一端(图1中的左端)施加电压，进而使铁电材料2极化，且具有一极化方向。

进一步地，请一并参见图2至图4，图2和图3分别示出了本发明的一个实施例的红外敏感器件的石墨烯材料层在红外吸收层照射红外前后的空穴浓度示意图。图4示出了本发明的一个实施例的红外敏感器件的石墨烯材料层在红外吸收层照射红外前后的电流—电压曲线图。具体来说，由于铁电材料层2表面有束缚电荷(自发极化的产生原理)，如图2所示，当图2中自发极化向下的P型石墨烯材料层33覆盖在铁电材料2上时，石墨烯材料层33与铁电材料2表面负的束缚电荷接触，而石墨烯材料具有较高的载流子迁移率以及优异的光学特性，负的束缚电荷会吸引并积聚石墨烯材料层33内部的空穴。进而，当图3中红外吸收层1吸收红外而使铁电材料层2的温度升高时，铁电材料层2内负的束缚电荷减少，引起石墨烯材料层33内部积聚的空穴浓度下降，导致流过石墨烯材料层33的电流下降。如图4所示，图4中曲线a为红外吸收层1照射红外后的电流—电压曲线图，曲线b为红外吸收层1照射红外前的电流—电压曲线图。当石墨烯晶体管3的栅极层35电压相同的情况下，经过红外照射后，流过石墨烯材料层33的电流下降(即结合图1和图2来说，石墨烯晶体管3的源极31的电流大于漏极32的电流)。

进一步地，请一并参见图5至图7，图5和图6分别示出了本发明的一个实施例的红外敏感器件的石墨烯材料层在红外吸收层照射红外前后的电子浓度示意图。图7示出了本发明的一个实施例的红外敏感器件的石墨烯材料层在红外吸收层照射红外前后的电流—电压曲线图。具体来说，由于铁电材料层2表面有束缚电荷(自发极化的产生原理)，与上述图2所示不同的是，图5中铁电材料层2自发极化向上，当自发极化向上的P型石墨烯材料层33覆盖在铁电材料2上时，石墨烯材料层33与铁电材料2表面正的束缚电荷接触，正的束缚电荷会吸引并积聚石墨烯材料层33内部的电子。进而，当图6中红外吸收层1吸收红外而使铁电材料层2的温度升高时，铁电材料层2内正的束缚电荷减少，引起石墨烯材料层33内部积聚的电子浓度下降，导致空穴等效浓度上升，使流过石墨烯材料层33的电流上升。如图7所示，图7中曲线a为红外吸收层1照射红外后的电流—电压曲线图，曲线b为红外吸收层1照射红外前的电流—电压曲线图。当石墨烯晶体管3的栅极层35电压相同的情况下，经过红外照射后，流过石墨烯材料层33的电流上升(即结合图1和图2来说，石墨烯晶体管3的源极31的电流小于漏极32的电流)。

进一步地，在图1所示的实施例中，红外敏感器件还包括透明电极层5。透明电极层5设置于红外吸收层1和铁电材料层2之间。如图1所示，由于在此实施例中，初始化电极4与红外吸收层1同层设置，因此，透明电极层5还位于初始化电极4与铁电材料层2之间。可选地，透明电极层5为氧化铟锡电极层。

上述图1至图7所示的实施例中，由于该红外敏感器件中包括铁电材料层和石墨烯晶体管，石墨烯晶体管中石墨烯材料层作为石墨烯晶体管的沟道、且设置于铁电材料层的表面，因此，当铁电材料极化、并经红外照射温度升高后(红外作为外加信号)可以根据其不同的极化方向而使流过石墨烯材料层的电流上升或下降。

由于根据上述图1至图7所示的红外敏感器件的具有经红外照射后使电流上升或下降的效果，因此，该红外敏感器件可以应用于信号放大电路(放大器)中，作为信号放大电路的差分管(输入端的晶体管)。进而，本发明还提供一种红外传感信号放大电路，该红外传感器件包括上述图1至图7所示的红外敏感器件。具体来说，请参见图8，其示出了本发明的一个实施例的红外传感信号放大电路的结构示意图。如图8所示，该红外传感信号放大电路包括两个红外敏感器件，分别为红外敏感器件M1和红外敏感器件M2。红外敏感器件M1和红外敏感器件M2的结构与上述图1所示的结构相同，但红外敏感器件M1和红外敏感器件M2的铁电材料层的极化方向不同。其中，红外敏感器件M1和红外敏感器件M2的铁电材料层的极化相反，在本发明的实施例中，红外敏感器件M1的铁电材料层为极化方向向下(即如图2和图3所示)，红外敏感器件M2的铁电材料层为极化方向向上(即如图5和图6所示)。

所述红外传感信号放大电路还包括一对匹配的互补型金属氧化物半导体晶体管，分别为第一晶体管M3和第二晶体管M4。其中，第一晶体管M3与红外敏感器件M1电连接，第二晶体管M4与红外敏感器件M2电连接。具体来说，在图8所示的实施例中，第一晶体管M3和第二晶体管M4的栅极相互电连接；第一晶体管M3和第二晶体管M4的源极电连接一低电平Vss(第一电平)；第一晶体管M3的漏极电连接第一晶体管M3和第二晶体管M4的栅极；第二晶体管M4的漏极电连接红外传感信号放大电路的输出端VOUT；红外敏感器件M1和M2的源极电连接一高电平VDD(第二电平)；红外敏感器件M1的漏极(可参见图1中的漏极32)电连接第一晶体管M3的漏极；红外敏感器件M1的栅极电连接第一电压VG1；红外敏感器件M2的漏极(可参见图1中的漏极32)电连接第二晶体管M4的漏极；红外敏感器件M2的栅极电连接第二电压VG2。

在图8所示的红外传感信号放大电路通过设置两个铁电材料层极化方向不同的红外敏感器件，当红外信号入射被红外吸收层吸收后，其极化的不同会对其石墨烯晶体管起到不同作用(即两个红外敏感器件中，一个经过其石墨烯材料层的电流上升，另一个经过其经过其石墨烯材料层的电流下降)，从而形成差分信号，并通过信号放大电路来进行放大，因此，可以取代现有的信号放大电路中的盲元和像元结构，进一步增强信号的灵敏度。

需要说明的是，上述实施例中仅仅以图8所示的信号放大电路为例进行说明，但并不以此为限，上述图1至图7所示的红外敏感器件同样可以应用的现有任一种信号放大电路中，以代替盲元和像元结构，在此不予赘述。

综上所述，本发明实施例提供的红外敏感器件以及红外传感信号放大电路中，由于红外敏感器件包括铁电材料层和石墨烯晶体管，石墨烯晶体管中石墨烯材料层作为石墨烯晶体管的沟道、且设置于铁电材料层的表面，因此，当铁电材料极化、并经红外照射温度升高后可以根据其不同的极化方向而使流过石墨烯材料层的电流上升或下降。进而，该红外敏感器件可以应用于信号放大电路中形成红外传感信号放大电路，该红外传感信号放大电路可以通过设置两个铁电材料层极化方向不同的红外敏感器件，当红外信号入射被红外吸收层吸收后，其极化的不同会对其石墨烯晶体管起到不同作用(即两个红外敏感器件中，一个经过其石墨烯材料层的电流上升，另一个经过其经过其石墨烯材料层的电流下降)，从而形成差分信号，并通过信号放大电路来进行放大，因此，可以取代现有的信号放大电路中的盲元和像元结构，进一步增强信号的灵敏度。

虽然本发明已以可选实施例揭示如上，然而其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与修改。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定的范围为准。