专利名称：基于聚合物绝热层的室温红外探测器的制作方法
技术领域：
本发明属于红外探测器技术领域，特别涉及一种基于聚合物绝热层的室温红外探测器。
背景技术：
红外辐射蕴含了十分丰富的客观信息，利用红外探测器可以对这些信息进行转化和读取。红外辐射的探测一直以来就是人们关注的热点之一。红外辐射探测器的应用也已从最初的军事应用逐渐扩展到现在的夜视成像、工业自动化监控、工业设备故障查找、防火防灾、医学上的乳腺癌、风湿性关节炎等疾病的早期检查等各种领域。与制冷型红外探测器相比较，室温红外探测器具有成本低廉、体积小、易于维护等优点。目前已经出现了多种采用不同探测原理、不同热敏感元件的室温红外探测器热释电型室温红外探测器利用了铁电材料薄膜的表面电荷随温度会发生变化，由于工艺制备困难，且与标准IC工艺不兼容，并且需要斩波器对入射红外辐射进行调制，不利于系统的集成；热敏电阻型室温红外探测器是研究较早，工艺较为成熟的一种室温红外探测器，它利用了热敏电阻的电阻值随温度变化而发生变化来对红外辐射进行探测，常用材料有钛(Ti)、铂(Pt)、多晶硅(poly-Si)、多晶硅锗(poly-SiGe)、碳化硅(SiCx)、氧化钒(VOx)和非晶硅(a-Si)。VOx不是IC工艺中的常规材料；Poly-Si、Poly-SiGe、SiCx的制备温度或退火温度都高于IC电路中铝Al布线的合金温度(400℃)；Ti和Pt的电阻温度系数(TCR)过小；因此，采用这些材料制作室温红外探测器的热敏感元件，很难实现单片集成，而同时获得高的探测性能。室温红外探测器使用光刻技术能精确控制图形和尺寸，工艺上有很好的重复性，易于批量生产，能方便地实现小型化、低成本和高性能的红外探测系统。
室温红外探测器需要将捕获的红外辐射转化为热能，进而利用敏感单元的热效应将温度的变化转化为电信号的变化，从而对红外辐射进行探测。其研究目标就是利用简单的制作工艺制备能够实现能量获取最大化和能量转化最大化的探测器，能量转化的最大化主要取决于敏感元件材料和结构的选取；能量获取最大化即能量吸收最大化和能量损失的最小化，取决于红外吸收和绝热材料的选取和结构的设计。目前常用的绝热结构多采用空腔结构，尽管该结构绝热效果较好，但工艺制备复杂，工艺重复性和均匀性差，且成品率很低，特别是在焦平面阵列(FPA)的制备中，严重制约了探测器的规模化生产和应用。
发明内容
本发明提出一种工艺制备简单，灵敏度高的基于聚合物绝热层的室温红外探测器。所述室温红外探测器是在衬底上涂覆聚合物绝热层，热敏感元器件复合在聚合物绝热层上面，其特征在于所述热敏感元器件是在衬底1上涂覆聚合物绝热层9，接着制备栅电极2，栅介质层3覆盖在栅电极2的上方，有源层4在栅介质层3上，电极接触层5位于有源层4上，源电极6、漏电极7设置在有源层4的上方两侧，钝化层8将源电极6、漏电极7隔开，并覆盖热敏感元器件，兼有红外吸收层的作用，10为热敏电阻的金属引线位于电阻有源层11上。
所述衬底1和栅电极2之间涂覆一层聚合物绝热层9，用作探测器的绝热结构。
所述绝热层的材料可以是聚合物聚酰亚胺PI、聚四氟乙烯PTFE、聚苯硫醚PPS、PDMS或PDMA。
所述的热敏感器件可以是制作在聚合物绝热层上的薄膜晶体管，晶体管由栅电极、栅介质层、有源区以及位于有源区两侧的接触层和源漏电极组成。
所述薄膜晶体管的宽长比可以调节，从而能得到性能更优的室温红外探测器。
所述栅电极2以溅射3000铝制成，同时兼作红外反射层，使得入射的红外辐射能够在反射后被晶体管二次吸收，从而提高了红外辐射的吸收率。
所述衬底为硅、或玻璃。
所述电极接触层5为掺杂非晶硅层，以降低接触电阻，与非晶硅热敏电阻有源区11材料相同。
所述栅介质层为氮化硅、或氧化硅。
所述热敏感元器件可以是制作在聚合物上的薄膜晶体管或薄膜电阻。
本发明的有益效果是采用聚酰亚胺PI作为典型的聚合物绝热层材料，具有仅比空气高10倍的热导率，是一种绝热性能良好的高分子材料，且制备的聚酰亚胺层较厚，从而具有很低的热导，其上的敏感单元吸收红外辐射后转化成的热能极其不易散失，进而实现了红外探测器红外吸收捕获能量的最大化。另一方面，聚酰亚胺具有耐高温能力，从而和非晶敏感单元有很好的工艺兼容性。本发明利用常规溅射技术和等离子体化学气相淀积方法，其工艺简单、易控制，产品质量和成品率能够得到很好保证。
图1为倒置参差结构的薄膜晶体管结构图。
图2为基于聚合物绝热层的薄膜晶体管室温红外探测器的结构3为不同宽长比的薄膜晶体管的顶视示意4为基于聚合物绝热层的薄膜电阻室温红外探测器的结构图具体实施方式
本发明提出一种工艺制备简单，灵敏度高的基于聚合物绝热层的室温红外探测器。下面以在聚合物聚酰亚胺层上制作非晶硅薄膜晶体管为实施例，对基于聚合物绝热层的室温红外探测器的具体实施方式
进行说明。非晶硅薄膜晶体管采用倒置参差结构。
在图2所示的室温红外探测器的结构示意图中，所述热敏感元器件是在衬底1上涂覆绝热膜9、接着制备栅电极2，栅介质层3覆盖在栅电极2的上方，有源层4在栅介质层3上，电极接触层5位于有源层4上，源电极6、漏电极7设置在有源层4的上方两侧，钝化层8将源电极6、漏电极7隔开，并覆盖热敏感元器件，兼有红外吸收层的作用，10为热敏电阻的金属引线位于电阻有源层11上。
图2和图4分别为基于聚合物绝热层的薄膜晶体管和非晶硅电阻室温红外探测器的结构图。(1)就非晶硅薄膜晶体管而言，采用旋涂得到的聚合物绝热膜9(如图2所示)用作探测器的绝热结构。背面的溅射铝栅2可以兼作红外反射层，使得入射的红外辐射能够在反射后被晶体管二次吸收，从而提高了红外辐射的吸收率；3、4分别为晶体管的栅介质和本征非晶硅有源层；5为掺杂非晶硅用作电极接触层，可以降低接触电阻；最上层的钝化层8亦可兼作红外吸收层，进一步提高红外吸收率。(2)就非晶硅电阻而言，其底部的绝热结构与非晶晶体管相类似。11为掺杂非晶硅电阻的有源区，10为热敏电阻的金属引线。无论是非晶薄膜晶体管还是非晶硅电阻用作热敏单元，整个敏感单元均位于聚合物绝热层上，聚酰亚胺PI作为典型的聚合物材料，具有仅比空气高10倍的热导率，是一种绝热性能良好的高分子材料，且制备的聚酰亚胺层较厚，从而具有很低的热导，其上的敏感单元吸收红外辐射后转化成的热能极其不易散失，进而实现了红外探测器红外吸收捕获能量的最大化。另一方面，聚酰亚胺具有耐高温能力，从而和非晶敏感单元有很好的工艺兼容性。
非晶硅薄膜晶体管的宽长比对探测器响应度基本没有什么影响，但会显著影响探测器的探测率。探测器的响应度越高，噪声越低，则探测率越高。本探测器的探测率会随着晶体管宽长比的增大而提高，从而通过器件结构的优化设计可以得到具有更高性能的探测器。据此通过调节晶体管的宽长比的大小对晶体管进行了优化设计，图3给出了不同宽长比的晶体管的顶视示意图。
以基于聚酰亚胺绝热层的薄膜晶体管室温红外探测器为实施例对探测器的工艺流程进行了说明1)选用任意类型的单抛硅片，也可采用其他材料作衬底，常规清洗后用作底层衬底1。
2)在硅片衬底1正面旋涂聚酰亚胺，缓慢升温至100℃，该温度下恒温保持30分钟，使之初步胶联凝固；再次旋涂聚酰亚胺，得到厚度大于10μm的绝热层，逐渐升温至150℃，并恒温保持30分钟，以后以50℃为步长进行阶梯升温，每一温度点停留30分钟直至300℃，以后以40℃为步长，每一温度点停留20分钟直至380℃，最终得到稳定性很高得聚酰亚胺绝热薄膜。
3)溅射金属铝3000(Al)作为薄膜晶体管(TFT)的栅电极，光刻TFT栅电极，用磷酸刻蚀Al。去除光刻胶。用溅射方法制备1700氮化硅或氧化硅栅介质层，利用等离子体化学气相淀积(PECVD)方法连续、依次淀积2500本征非晶硅(i-a-Si)和300p型非晶硅(p+-a-Si)，分别作为TFT的有源层和接触层。光刻TFT有源区。RIE刻蚀i-a-Si层和p+-a-Si层。去除光刻胶。
4)RIE刻蚀PECVD SiO2。去除光刻胶。溅射Al 6000。光刻Al连线。用磷酸刻蚀Al。去除光刻胶。RIE刻蚀有源区上方的p+-a-Si。PECVD 4000SiOxNy作为钝化层兼红外吸收层。光刻钝化层，RIE去除SiOxNy，去除光刻胶。
典型的聚合物绝热材料为聚酰亚胺(polyimide-PI)。聚酰亚胺作为一种特种工程材料，是目前已经工业化的高分子材料中耐热性最高的品种，聚酰亚胺的热导率仅为0.3W/m·K，约为空气热导率的10倍，远远小于单晶硅150W/m·K的热导率，具有十分优异的绝热性能。利用旋涂(spin coating)方法可以很容易地进行聚酰亚胺绝热膜的制备，利用聚酰亚胺作为绝热材料无需牺牲层的制备和释放，从而大大提高了成品率和可靠性，适于探测器的批量制作。另外，聚酰亚胺具有良好的抗α-粒子辐射性能。
权利要求
1.一种基于聚合物绝热层的室温红外探测器，所述室温红外探测器是在衬底上涂覆聚合物绝热层，热敏感元器件复合在聚合物绝热层上面，其特征在于所述热敏感元器件是在衬底(1)上涂覆聚合物绝热层(9)，接着制备栅电极(2)，栅介质层(3)覆盖在栅电极(2)的上方，有源层(4)在栅介质层(3)上，电极接触层(5)位于有源层(4)上，源电极(6)、漏电极(7)设置在有源层(4)的上方两侧，钝化层(8)将源电极(6)、漏电极(7)隔开，并覆盖热敏感元器件，兼有红外吸收层的作用，(10)为热敏电阻的金属引线涂覆在热敏电阻有源层(11)上。
2.根据权利要求1所述基于聚合物绝热层的室温红外探测器，其特征在于所述衬底(1)和栅电极(2)之间涂覆一层聚合物绝热层(9)，用作探测器的绝热结构。
3.根据权利要求1所述基于聚合物绝热层的室温红外探测器，其特征在于所述绝热层的材料可以是聚合物聚酰亚胺PI、聚四氟乙烯PTFE、聚苯硫醚PPS、PDMS或PDMA。
4.根据权利要求1所述基于聚合物绝热层的室温红外探测器，其特征在于所述的热敏感元器件是制作在聚合物绝热层上的薄膜晶体管或薄膜电阻；薄膜晶体管由栅电极、栅介质层、有源区以及位于有源区两侧的接触层和源漏电极组成。
5.根据权利要求1所述基于聚合物绝热层的室温红外探测器，其特征在于所述调节薄膜晶体管的宽长比可以调节，从而能得到性能更优的室温红外探测器。
6.根据权利要求1所述基于聚合物绝热层的室温红外探测器，其特征在于所述栅电极(2)以溅射3000铝制成，以兼作红外反射层，使得入射的红外辐射能够在反射后被晶体管二次吸收，从而提高了红外辐射的吸收率。
7.根据权利要求1所述基于聚合物绝热层的室温红外探测器，其特征在于所述衬底为硅、或玻璃。
8.根据权利要求1所述基于聚合物绝热层的室温红外探测器，其特征在于所述电极接触层为掺杂非晶硅层，以降低接触电阻，与掺杂非晶硅热敏电阻有源区材料相同。
9.根据权利要求1所述基于聚合物绝热层的室温红外探测器，其特征在于所述栅介质层为氮化硅、或氧化硅。
10.根据权利要求1所述基于聚合物绝热层的室温红外探测器，其特征在于所述热敏感元器件可以是制作在聚合物上的薄膜晶体管或薄膜电阻。
全文摘要
本发明公开了属于红外探测器技术领域的一种基于聚合物绝热层的室温红外探测器。是一种用聚合物作为绝热材料的室温红外探测器；在衬底上涂覆绝热层后，接着制备栅电极，栅介质层覆盖在栅电极的上方，有源层在栅介质层上，电极接触层位于有源层上，源电极、漏电极设置在有源层的上方，钝化层将源电极、漏电极隔开，并覆盖热敏感元器件和兼有红外吸收层的作用。由于采用聚酰亚胺PI作为典型的聚合物绝热层材料，具有仅比空气高10倍的热导率，是一种绝热性能良好的高分子材料，具有很低的热导和耐高温能力，其上的敏感单元吸收红外辐射后转化成的热能极其不易散失，进而实现了红外探测器红外吸收捕获能量的最大化。其工艺简单、易控制，产品质量得到保证。
文档编号G01J5/20GK1766534SQ20051011526
公开日2006年5月3日 申请日期2005年11月15日 优先权日2005年11月15日
发明者刘理天, 刘兴明, 韩琳 申请人:清华大学