一种检测装置的制作方法

本发明涉及一种检测装置，尤其涉及一种集成纳米材料的红外检测装置及其制造方法。

背景技术：

红外传感产品广泛应用在人工智能（图像识别）、建筑、消防、车载等民用及军事领域，有百亿级市场容量，其核心是红外探测芯片传感器。核心传感层仍然是采用氧化钒、非晶硅等传感材料，但是氧化钒、非晶硅这些材料存在着灵敏度低、响应速度慢（≈10-15ms）、成本高等诸多缺点。

金纳米棒是一种尺度从几纳米到上百纳米的棒状金纳米颗粒，具有非常丰富的化学物理性质。金纳米棒的表面等离子体共振会引起其对可见与近红外波段特定波长光的散射和吸收。因此金纳米棒可以以其较低的光热能量损失和在近红外波段极强的场增强效应，敏感地探测到红外辐射，可以集成于红外探测器中，提高器件的响应速度和灵敏度，在同样面积的器件中，新器件具有更高的灵敏度，并且在达到原定灵敏度的目标下，由于纳米层的吸收率高，因此可以采用更小的芯片面积达到同样的灵敏度。

技术实现要素：

本发明公开了一种检测装置，感应元件是硅基集成电路工艺制造的芯片器件，依次包括衬底底层，隔绝层，导电层，纳米材料层，钝化层，导出电极等，其中纳米材料层增强光吸收并释放热量以提高灵敏度。感应器件的导电层连接出两个电极，电极连接至读出电路等信号处理电路。

相对于本领域现有主流器件，本发明采用在感应层中加入纳米材料层，从而构造出新型器件。

在本发明中，与典型的热敏红外热成像器件类似，导电层作为一个电阻器，纳米层粒子产生的热量与电阻器导电层耦合，电阻器的电导率因其温度变化而变化。外接电路通过测量电阻变化，可以根据理论公式计算温度变化。

本发明一个实施例中，通过可以采用多层纳米材料重叠的方式以提高器件性能，纳米材料层中间可以包括连接层。

附图说明

通过结合附图对于本发明的实施例进行描述，可以更好地理解本发明，附图仅为示意图，不表示实际的比例。

图1为本发明装置中具有本专利一种集成纳米材料的检测装置中的感应器件的一个实施例的示意图；其中包括衬底层1，隔绝层2，导电层3，纳米材料层4，钝化层5，导出电极6-1和6-2等。

图2为本发明装置中具有本专利一种集成多层纳米材料感应元件的检测装置的一个实施例的示意图；其中包括衬底层1，隔绝层2，导电层3，两个纳米材料层4，钝化层5，导出电极6-1和6-2等，连接层7，连接层7是导电的。其中导出电极6-1和6-2是位于钝化层5的下方，并延伸出钝化层之外，以连接至外接电路，输出有效信号，实现检测功能。

图3为本发明装置中具有本专利一种集成多层纳米材料的检测装置的感应器件的一个实施例的上视示意图。

图4为本发明装置中具有本专利一种集成多层纳米材料的检测装置的感应器件的制造方法的示意图。

图5为本发明装置中一种纳米材料的实施例的示意图，其中包括无保护层的纳米材料8，一种成分包裹层9和由纳米粒子8和单种成分包裹层9组成的新纳米材料。

图6为本发明装置中一种纳米材料的实施例的示意图，其中包括无保护层的纳米材料8，多种成分组合包裹层9和由纳米粒子8和多种成分包裹层10组成的新纳米材料。

上述纳米材料层中包括纳米材料及纳米材料所附着的有机或者无机分子稳定层，可以是无包裹层的纳米材料，也可是包裹了包裹纳米材料的有机或者无机分子稳定层的纳米材料。

图7为本发明装置中一个检测装置的实施例的示意图，11为光源信号，12为本检测装置，13为源测量单元（sourcemeasureunit，简称smu），本发明装置的输入输出端（6-1与6-2）连接到源测量单元的输入输出接口上，源测量单元提供扫描电流，在光信号射到感测原件上的时候，输出与没有光信号的时候有显著区别，因此可以检测光信号。

具体实施方式

以下将描述本发明的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，为了满足系统相关的或者商业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施方式之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所做出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本发明公开的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本公开的内容不充分。

以下将详述本发明的各实施例，并配合图式作为例示。除了该多个详细说明之外，本发明亦可广泛地施行于其它的实施例中，任何所述实施例的轻易替代、修改、等效变化都包含在本发明的范围内，并以申请专利范围为准。在说明书的描述中，为了使读者对本发明有较完整的了解，提供了许多特定细节；然而，本发明可能在省略部分或全部特定细节的前提下，仍可实施。此外，众所周知的步骤或元件并未描述于细节中，以避免对本发明形成不必要的限制。

图示中相同或类似的组件将以相同或类似符号来表示。特别注意的是，图式仅为示意的用途，并非代表元件实际的尺寸或数量，有些细节可能未完全绘出，以求图式的简洁。各个部分间连接采用本领域通用的方式即可。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

此外，本发明使用金纳米棒作为示例性纳米颗粒。然而，在发明中可以使用其他贵金属例如银，铜，铂等或者半导体的纳米材料。纳米晶体表面可以被不同的有机分子或无机层包裹。纳米材料表面可以附着有活性剂、稳定剂。纳米材料可以被包括活性剂、稳定剂等的有机分子或无机分子层包裹，这些分子包括但是不限于十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基苄基二甲基氯化铵、包含巯基，胺基、氧基的配体、包含丙烯酸酯官能团或者胺官能团的配体中的一种或者多种的组合，其含量在0~100%之间，这些层可以通过c-n，c-c或者其组合的共价键连接。在一些实施例中，纳米粒子可以是具有多种活性剂或者保护层包裹的金纳米棒。此外，其他纳米材料形状可以是纳米球，纳米星，纳米壳、纳米线和纳米棱柱（三角形）等。同时可以使用发明公开的制造方法和装置来掺入其他纳米材料，并且因此本发明的范围也在包括所有这些应用。纳米粒子例如纳米棒可以通过种子辅助方法获得。在本发明中，可以使用金纳米棒等纳米粒子，而不考虑它们的制备方法。

在本发明中，集成了纳米粒子的器件，显示了比没有纳米粒子的类似器件更好的性能。

由于其特殊的光学性质，金纳米颗粒如金纳米棒被用于这种装置中作为光吸收剂和热发生剂。

纳米粒子产生的热量与电阻器耦合，电阻器的电导率因其温度变化而变化，因此电阻发生变化，电阻的信号传输信号读出装置中，可以记录电阻的变化并根据电阻-温度的变化关系推导出温度变化。在本发明的一个实施例中，电阻器使用硅，与仅使用硅层的情况相比，作为发热元件的金纳米棒显著改变了硅层的电阻率。纳米粒子例如金纳米棒在几十皮秒内将它们的晶格热耗散到导电层。因此相对于没有纳米粒子的层具有更快的热响应时间。

在本发明的一个实施例中，结合金属纳米颗粒的半导体被用于修改传感元件的热导率和电阻率，并且在传感器的温度上升时提供更快的响应。

本发明提供了一种集成纳米材料的红外检测感应器件。

如图1所示，该感应器件包括一个衬底底层，一层隔绝层，一层导电层，一层纳米材料层，导出电极等。

衬底层可以是任何合适的衬底材料，如单晶或者多晶硅片或有机薄膜等固体或柔性材料制成，在本发明的一个实施例中，采用单晶硅片。

隔绝层可以是适合的绝缘的材料，厚度为10nm—10000nm之间。

在本发明的一个实施例中，该层采用的二氧化硅材料。在本发明的一个实施例中，该层采用的氮化硅材料。导电层是厚度为合适的任何合适的导电材料，包括但是不限于非晶硅、金属、纳米点、氧化钒、其他半导体材料。

导电层的作用是作为电阻器，在收到光信号时，由于光热效应产生温度变化导致的电阻变化，从而作为检测信号输出。

衬底层为整个感应元件提供支撑，如同其他微电子芯片器件等，均从硅等衬底开始制造。隔绝层的作用隔绝衬底与上层感应部分（导电层、纳米材料吸收层、电极等）之间可能产生的电流、部分热传导等，减少噪声，提高灵敏度。

导电层有两个作用，一个是部分吸收光信号，一个是作为电阻器，电阻随着温度的变化而变化，从而可以区分有无光信号，实现检测的目的，同时导电层与导出电极连接，实现与外接的电路进行输入输出。

纳米材料层的作用是吸收光信号并转化成热量，热量改变导电层的电阻，引起电阻变化，实现信号检测。钝化层作为保护层，保护下层各个部分不会被氧化，减速老化，提高器件寿命。

本发明另一个实施例提供了一种制造集成了纳米材料的红外探测装置的方法。如图4所示，该方法包括在衬底层上生长隔绝层，在隔绝层上生长导电层，在导电层上生长纳米材料层，再加入导出电极等，最后加上一层钝化层，各种工艺可以是标准的微电子加工工艺，由磁控溅射镀膜、化学气相沉积成膜等制造各层膜，由光刻技术对各层进行定型。

在本发明的一个实施例中，本器件的制造从硅衬底开始，采用光刻、磁控溅射镀膜工艺、等离子增强化学气相沉积pecvd等工艺逐层制造，如图4所示流程。镀膜、沉积等工艺用来制造该层膜，光刻来进行各层的膜的形状的定型。

感测功能层是位于具有5nm至1000nm厚度的导电层和集成在其上的具有受控密度的对准或随机取向纳米粒子层组成。与仅使用导电层的情况相比，作为发热元件的纳米粒子层吸收光或者辐射发热，显著改变导电层的电阻率。导电层可以是厚度为5nm至1000nm的任何合适的导电材料。

在本发明的一个实施例中，该导电层采用的非晶硅材料。在本发明的一个实施例中，该导电层采用的金属材料例如钛。

在本发明的一个实施例中，该导电层采用的量子点材料。

在本发明的一个实施例中，该导电层采用的半导体材料。

在本发明的一个实施例中，该导电层采用的氧化钒材料。

在本发明的一个实施例中，纳米粒子直接沉积在导电层上。在本发明的一个实施例中，导电层完成之后，置于定向流动的含有纳米粒子的溶液中，纳米粒子按照溶液流动的方向排列在导电层上。

在本发明的一个实施例中，导电层采用非晶硅，导电层完成之后置于含有氨基硅烷分子如3-氨基丙基三乙氧基硅烷的溶液中，其中硅烷分子的这一分端与硅表面反应，而氮基端结合点是自由状态。氮基可以入与金纳米棒表面结合，经过氨基硅烷溶液处理之后的器件置于定向流动的含有纳米粒子的溶液中，纳米粒子按照溶液流动的方向排列在导电层上。

附着于表面的纳米粒子的浓度取决于纳米溶液的浓度、流速和置于纳米棒溶液的时间。在本发明的一个实施例中，纳米粒子溶液浓度在1纳摩尔至1000纳摩尔之间。流量在1cm/s到100cm/s之间。

为了避免纳米粒子的偶极等离子体共振的相互作用，纳米粒子之间的间隔必须在10到50nm之间。这种相互作用会降低纳米粒子对入射光的敏感度。

本发明的一个实施例中，感测元件可以包含的双层或多层的纳米粒子。如图2所示，感测元件的第一层的制造类似于前示的实施例。

可以在第一层纳米粒子上沉积具有20至300nm厚度的新的导电层，该层可以是非晶硅。然后用前示的氨基硅烷，随后沉积纳米粒子层，该过程可以根据需要重复多次循环，直到达到合适的要求。

本发明的一个实施例中，不同层可以采用不同的纳米粒子，本发明的一个实施例中，不同层可以采用不同纵横比的纳米金棒。

在沉积纳米粒子层之后，用氮气干燥表面并且使用常用的光刻方式形成单个器件的结构。在本发明的一个实施例中，采用正方形结构，在本发明的一个实施例中，器件表面采用长方形结构。

这些结构的宽度可以是在3微米到100微米之间。结构之间的间距为10至300微米，如图5所示，这些器件可以是单个的，也可以是形成阵列式的，连接到更多的信号读出处理设备。

两个导出电极连接在感测功能层中的导电层上，两个导出电极连接到读出电子设备。在整个装置上沉积薄氧化硅层作为钝化层。

在本发明的一个实施例中，读出电子设备为源测量单元（sourcemeasureunit，简称smu），如附图7所示。

源测量单元是一种精确供电设备，它不仅可以提供测量分辨率小于1mv的电压源，还可以提供测量分辨率低于1ua的电流源。还提供了远端检测功能并拥有集成了双极型电压和吸收功率能力的四象限输出功能。最后，smu可以提供线性扫描电压和扫描电流，能够获得仪器的iv特性曲线，目前，smu已经广泛使用于工业中，并且成为了许多自动化测试系统中的常用组成部件。

本发明装置的输入输出端（6-1与6-2）连接到源测量单元的输入输出接口上，连接采用本领域内通用的连接方式，例如探针接触，电连接钳等方式即可，源测量单元提供扫描电流，在光信号射到感测原件上的时候，因为光信号转化为热信号，热量会引起导电层电阻的变化，因此输出与没有光信号的时候有显著区别，因此可以检测光信号。

在本发明的另外一个实施例中，读出电子设备为集成读出电路(readoutcircuit，roic)。集成读出电路可以采用本领域内通用的集成了信号放大器、滤波器、模数转换器等模块的集成电路。

在本发明中涉及的“层”包括在一个表面上形成的有厚度的材料或者组分，并不代表这些材料或者组分的特定的厚度或者其他几何维度。在本发明中涉及的“纳米粒子”指在包括具有至少一个尺寸小于100nm的不同形状的纳米粒子，并不代表这些材料或者组分的特定的尺度或者其他几何维度。

除非另作定义，权利要求书和说明书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，也不限于是直接的还是间接的连接。

虽然结合特定的实施例对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以做出许多修改和变型，因此，要认识到权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。