专利名称：非制冷红外探测器件及其制作方法
技术领域：
本发明涉及红外探测技术领域，特别涉及一种非制冷红外探测器件及其制作方法。
背景技术：
红外探测器件是热成像系统的核心元件，主要分为两类制冷型(基于光子探测) 和非制冷型(基于热探测)，前者曾被认为是实际应用中最佳的红外热探测技术，但由于需要匹配制冷装置，其制造和使用成本较高。近年来非制冷红外探测器件获得了长足发展，与制冷红外探测器件相比，非制冷红外探测器件不需要在热成像系统中安装制冷装置，因此尺寸较小、重量较轻且功耗较低； 此外，还可提供更宽的频谱响应和更长的工作时间。根据红外频谱覆盖范围，红外探测器件还被分为短波红外型、中波红外型和长波红外型(也称远红外，覆盖5 14 μ m)。现有的非制冷长波红外探测器件中，主要有两种类型一种是以VOx、非晶硅或非晶SixGei_x作为温敏电阻的红外探测器件，其通过检测温敏电阻的输出信号来获取红外图像信息；另一种是以单晶硅PN结二极管作为感应单元的红外探测器件，其通过检测二极管的输出信号来获取红外图像信息(参见Masashi Ueno et al，”640X480 pixel uncooled infrared FPA with SOI diode detectors",Proc. Of SPIE Vol. 5783,2005, PP566)。电压温度响应系数是决定非制冷红外探测器的温度灵敏度的重要参数，目前，单晶硅PN结二极管型红外探测器中，二极管的正向电压温度响应系数约为1.3mV/K，通过改变单个二极管的各项工艺参数对二极管的正向电压温度响应系数的影响不大，通常需要串联多个二极管(例如6-8个)才能提高红外探测器整体的温度灵敏度，才能满足实际应用的需求，然而，多个串联的二极管将导致单晶硅PN结二极管型红外探测器的工作电压较大 (通常高于6V)。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种温度灵敏度较高、工作电压较低的非制冷红外探测器件及其制作方法。为解决上述问题，本发明提供一种非制冷红外探测器件，包括包含有绝缘层的衬底；所述衬底上的SixGei_x层，所述SixGei_x层中包括相邻的P型区和N型区。其中，所述衬底为SOI衬底。可选的，所述衬底包括单晶硅层和所述单晶硅层上的埋层氧化层，所述绝缘层即
为埋层氧化层。所述SixGei_x层根据Ge组分的变化禁带宽度在0. 66-1. 12eV的范围内。相应的，还提供一种非制冷红外探测器件的制作方法，包括
提供衬底；在所述衬底上形成SixGei_x层；在所述SixGei_x层中形成相邻的P型区和N型区。可选的，当所述衬底为SOI衬底时，在所述衬底上形成SixGei_x层采用外延生长工艺。可选的，当所述衬底为单晶硅衬底时，在所述衬底上形成SiGe层采用外延生长工艺，然后还包括通过离子注入在单晶硅衬底和SixGei_x层的界面处形成埋层氧化层。可选的，当所述衬底为单晶硅衬底时，在所述衬底上形成SixGei_x层采用SixGei_x 体材料和单晶硅衬底键合制作。相应的，还提供一种非制冷红外探测器件，包括SOI衬底，所述SOI衬底具有N型顶硅层；所述N型顶硅层上的P型SixGei_x层，所述P型SixGei_x层采用选择性外延生长。相应的，一种非制冷红外探测器件的制作方法，包括提供SOI衬底，所述SOI衬底具有N型顶硅层；在所述N型顶硅层上形成氧化层；去除部分所述氧化层而露出下面的单晶硅层；在露出的顶硅层表面外延生长P型SixGei_x层。与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点本发明采用SixGei_x材料来制作二极管的P型区，形成SiGe PN结二极管或者 SiGe/Si异质结二极管来降低工作电压，由于SixGei_x材料根据Ge的组分变化其禁带宽度在0. 66-1. 12eV间变化，相对于单晶硅二极管而言，SixGei_x材料的禁带宽度更窄，由此形成 PN结二极管更容易激发，能够减小(qVf-Eg)项，从而提高电压温度响应系数。经过模拟，采用SiGe P型区的二极管的开启电压约为单晶硅二极管的一半，而其电压温度响应系数约能提高10%，因此可以获得高的电压温度响应系数并降低工作电压。
通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。图1为实施例一中非制冷红外探测器件的结构示意图；图2为实施例一中SiGe PN结与传统单晶硅PN结的能带比较图；图3为实施例二中非制冷红外探测器件的结构示意图；图4为实施例三中非制冷红外探测器件的结构示意图；图5为实施例三中SiGe/Si异质结与传统单晶硅PN结的能带比较图；图6为本发明实施例中SiGe PN结与传统单晶硅PN结的I-V曲线模拟图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式
做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。正如本发明背景技术部分所述，目前的单晶硅PN结二极管型红外探测器中，二极管的正向电压温度响应系数约为1. 3mV/K，通过改变单个二极管的各项工艺参数对二极管的正向电压温度响应系数的影响不大，为了提高红外探测器整体的温度灵敏度，通常需要串联多个二极管(例如6-8个)才能满足实际应用的需求，然而多个串联的二极管将导致单晶硅PN结二极管型红外探测器的工作电压较大。因此，如何提高温度灵敏度并降低工作电压成为该类型红外探测器件的主要研究方向。本发明的发明人经过研究发现，采用SixGei_x材料形成PN 二极管或SiGe/Si异质结二极管来制作非制冷红外探测器件可以很好的解决上述问题，下面说明本发明的原理公式(1)为二极管正向电压温度响应系数的表达式。
「 ^ dVf qVf -3kT-Ee(1)_L = U.-L
dTqT其中Vf 二极管正向电压；q 电子电量；k 玻尔兹曼常数；T 二极管温度；Eg 半导体材料禁带宽度。从公式(1)可以看出(1)减小二极管正向电压Vf，可以提高电压温度响应系数并降低工作电压；(2)通过让二极管工作在合适的温度下，可以提高电压温度响应系数，但对于非制冷红外探测器来说，基本上保持在室温工作，所以不能通过温度的优化来获得较高的电压温度响应系数；(3)减小(qVf-Eg)项也可以提高电压的温度响应系数，由于民与半导体材料本身有关，因此可以通过选择其他的材料来减小这一项，从而提高电压温度灵敏度系数。传统的单晶硅二极管的电压温度响应系数约为1. 3mV/K，通常需要多个二极管的串联来保证非制冷红外探测器的温度灵敏度，而单晶硅二极管的开启电压约为0. 8V,因此红外探测器的整体工作电压约需6-9V，工作电压较高，如果为了降低工作电压而减少二极管数目则会降低探测器的温度灵敏度，影响器件的使用。基于此，根据公式(1)的分析，本发明采用SixGei_x材料来制作PN结二极管或SiGe/Si异质结二极管来降低工作电压，通过理论分析和模拟，SiGe 二极管的开启电压约为单晶硅二极管的一半，而其电压温度响应系数约能提高10%，因此可以获得高的电压温度响应系数并降低工作电压。以下结合附图详细描述本发明所述非制冷红外探测器及其制作方法的具体实施例。实施例一图1为本实施例中非制冷红外探测器件的结构示意图，图2为本实施例中SiGe PN 结与传统单晶硅PN结的能带比较图。如图1所示，非制冷红外探测器包括SOI (Silicon On Insulator，绝缘体上硅)衬底；
所述SOI衬底上的SixGei_x层104，所述SiGe层104中包括相邻的P型区105和 N型区106。其中，SOI衬底由底硅层101、埋层氧化层102和顶硅层103组成，所述底硅层101 和顶硅层103均为单晶硅材料。对于红外探测器件来说，顶硅层103和埋层氧化层102要尽量薄，其厚度范围例如为50nm-200nm。SOI衬底是通过在单晶硅晶片上注入氧离子形成埋层氧化硅，或者采用两块体硅材料键合的方式制作而成的。SixGei_x层为外延生长的单晶SixGei_x材料，其中Ge的成分可以根据需要在外延生长过程中进行调整，Ge的成分一般在0. 1-0. 6 (原子百分比)。P型区105和N型区106组成PN结二极管，可以利用光刻、离子注入的方式制作。在半导体行业中，SixGeh材料通常用来制作HBT (Heterojunction bipolar transistor，异质结晶体管)以及一些高速电路。而在本实施例中主要利用SiGe材料来制作温度敏感二极管，其将接受到的红外辐射转变为二极管的温度变化，继而引起二极管的输出电压变化来实现红外图像的检测。本实施例中非制冷红外探测器的其他结构与现有的PN结二极管红外探测器结构类似。红外辐射对二极管的影响主要是随着二极管对红外辐射的吸收，二极管的温度升高，从而引起本征载流子的激发，在恒定偏置电流的情况下会引起二极管两端电压的变化，这样一来，红外辐射的强弱就可以通过二极管两端电压变化反映出来。而半导体材料禁带宽度的大小，决定了本征载流子激发的难易程度，禁带宽度窄，更容易引起本征载流子的激发并越过PN结内建势垒参与导电，从而提高温度灵敏度。如图2所示，单晶硅的禁带宽带为1. 12eV, Ge的禁带宽度为0. 66eV, SixGe1^x材料根据Ge的组分变化其禁带宽度在 0. 66-1. 12eV间变化，相对于单晶硅二极管而言，SixGei_x材料的禁带宽度更窄，由此形成PN 结二极管更容易激发，能够提高温度灵敏度。上述非制冷红外探测器件的制作方法如下首先，提供SOI衬底；其次，在所述SOI衬底上外延生长SixGei_x层；接着，以光刻胶层为掩膜在所述SixGei_x层中通过离子注入工艺形成P型区，同样的，以光刻胶层为掩膜在所述SixGei_x层中通过离子注入工艺N型区，所述N型区与P型区组成PN结二极管；然后，再通过光刻、刻蚀的方法制作出探测器件的悬空结构和引线，把二极管的电压信号输入到外围的读出电路，本步骤和传统工艺基本相同。图6为本发明实施例中SiGe PN结二极管与传统的Si PN结二极管的I_V曲线模拟图。表1为上述两种PN结二极管的电压温度灵敏度对照表。由此可见，本发明实施例中的非制冷红外探测器件电压温度灵敏度有明显提高，相同的偏置电流下工作电压较低。表1各种类型PN结二极管的电压温度灵敏度对照表
权利要求
1.一种非制冷红外探测器件，其特征在于，包括 包含有绝缘层的衬底；所述衬底上的SixGeh层，所述SixGeh层中包括相邻的P型区和N型区。
2.根据权利要求1所述的非制冷红外探测器件，其特征在于，所述衬底为SOI衬底。
3.根据权利要求1所述的非制冷红外探测器件，其特征在于，所述衬底包括单晶硅层和所述单晶硅层上的埋层氧化层，所述绝缘层即为埋层氧化层。
4.根据权利要求1-3任一项所述的非制冷红外探测器件，其特征在于，所述SixGei_x层根据Ge组分的变化禁带宽度在0. 66-1. 12eV的范围内。
5.一种非制冷红外探测器件的制作方法，其特征在于，包括 提供衬底；在所述衬底上形成SixGei_x层；在所述SixGei_x层中形成相邻的P型区和N型区。
6.根据权利要求5所述非制冷红外探测器件的制作方法，其特征在于，当所述衬底为 SOI衬底时，在所述衬底上形成SixGei_x层采用外延生长工艺。
7.根据权利要求5所述非制冷红外探测器件的制作方法，其特征在于，当所述衬底为单晶硅衬底时，在所述衬底上形成SixGei_x层采用外延生长工艺，然后还包括通过离子注入在单晶硅衬底和SixGei_x层的界面处形成埋层氧化层。
8.根据权利要求5所述非制冷红外探测器件的制作方法，其特征在于，当所述衬底为单晶硅衬底时，在所述衬底上形成SixGei_x层采用SixGei_x体材料和单晶硅衬底键合制作。
9.一种非制冷红外探测器件，其特征在于，包括 SOI衬底，所述SOI衬底具有N型顶硅层；所述N型顶硅层上的P型SixGei_x层，所述P型SixGei_x层采用选择性外延生长。
10.一种非制冷红外探测器件的制作方法，其特征在于，包括 提供SOI衬底，所述SOI衬底具有N型顶硅层；在所述N型顶硅层上形成氧化层； 去除部分所述氧化层而露出下面的单晶硅层； 在露出的顶硅层表面外延生长P型SixGei_x层。
全文摘要
本发明提供一种非制冷红外探测器件及其制造方法，包括包含有绝缘层的衬底；所述衬底上的SiGe层，所述SiGe层中包括相邻的P型区和N型区。相应的，本发明还提供另一种非制冷红外探测器件，包括SOI衬底，所述SOI衬底具有N型顶硅层；所述N型顶硅层上的P型SiGe层，所述P型SiGe层采用选择性外延生长。发明采用SiGe材料来制作二极管的P型区，形成SiGe PN结二极管或者SiGe/Si异质结二极管来降低工作电压，由于SiGe材料根据Ge的组分变化其禁带宽度在0.66-1.12eV间变化，相对于单晶硅二极管而言，SiGe材料的禁带宽度更窄，由此形成PN结二极管更容易激发，从而提高电压温度响应系数。
文档编号H01L31/101GK102376813SQ20101026223
公开日2012年3月14日 申请日期2010年8月24日 优先权日2010年8月24日
发明者何伟, 欧文, 陈大鹏 申请人:中国科学院微电子研究所