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感知“利”器:一种基于SOI量子点异质结的红外探测器

导读: 鉴于现有技术的缺点,本发明提供了一种基于SOI(绝缘体上硅材料)量子点异质结的红外探测器制备方法,用于解决现有技术中Si基CMOS集成电路工艺复杂、容易对Si衬底造成污染且制成的红外探测器探测效率低等问题。

红外探测对环境的适应性优于可见光,可在夜间及恶劣环境下工作,且红外探测隐蔽性好,比雷达和激光探测更安全,对伪装目标识别率更高,此外与雷达系统相比,红外系统具有体积小、重量轻、功耗低等优点,因此在军事上红外探测可应用于红外夜视、红外制导、红外侦查、红外报警等应用;红外探测技术不仅在军事方面有很多应用,通过对军事领域中的先进研究成果进行转换和工艺改进之后,红外探测器在民用领域中也有了广泛的应用,红外探测可应用于健康监控、光通讯及三维目标识别等领域,在气象预报、矿产勘查、地貌监测、车辆轴温检测等方面也有着不可替代的作用。

感知“利”器:一种基于SOI量子点异质结的红外探测器

第一代红外探测器仅是将红外辐射转化为电信号,而信号处理是在低温区域以外进行。第二代红外探测器通过与信号读出电路(ROIC)的集成,不仅极大地增加了探测器元数目,且通过多路传输减少了电极引线数量,还可进行复杂的信号处理。

第三代红外探测器目前在国际上并没有一个明确的定义,波兰Rogalski分析总结了当前对红外探测的发展需求,提出了第三代红外探测器包含的3部分内容,具体如下:1)高性能、高分辨率、具有多波段探测的制冷焦平面;2)中等性能或高性能的非制冷焦平面;3)低成本的非制冷焦平面。以上3项内容为“或”的关系,只要满足了一条就能称为第三代红外探测技术。

目前不同国家对第三代红外探测器的选择主要是出于自身的发展与应用需求,对材料和器件技术进行有选择的发展,最终目的是为了实现高性能、低成本的红外探测器。Si基CMOS集成电路工艺是先进半导体技术的主体,但Si材料受其禁带宽度限制,使得Si基光电探测器无法探测1100nm以上波长的光波,因此如何将红外探测集成到Si材料上是实现红外传感与Si基集成电路结合的前提。早期红外探测芯片是在Si基表面外延Ge或InGaAs等Ⅲ-Ⅴ族材料以拓宽该体系对光谱的吸收范围,但外延生长不仅增加了工艺的复杂性,还不可避免地会对Si衬底引入污染或掺杂,且InGaAs红外探测器工作波段为0.9-1.7μm,仅限于近红外波段吸收,因此InGaAs只能作为大面阵单色器件材料。

胶体量子点是一类优异的红外量子点材料,它主要有以下几个优点:1)具有优异的红外光捕获能力并可以通过量子限制效应调节吸收波长;2)可通过溶液法进行合成,并用旋涂等低成本手段进行器件制作,易于和其它材料集成;3)可通过调节其物理性能使其在常温下工作,不需要进行制冷,可以极大简化器件结构,降低成本。因此将胶体量子点与Si基衬底结合,有望制备出与现有集成电路相匹配的常温红外探测器。

【推荐发明专利】

《一种基于SOI量子点异质结的红外探测器》

【发明内容】

鉴于现有技术的缺点,本发明提供了一种基于SOI(绝缘体上硅材料)量子点异质结的红外探测器制备方法,用于解决现有技术中Si基CMOS集成电路工艺复杂、容易对Si衬底造成污染且制成的红外探测器探测效率低等问题。

感知“利”器:一种基于SOI量子点异质结的红外探测器

本发明SOI量子点异质结的红外探测器结构示意图

制备方法具体包括:1)提供一种SOI衬底,SOI衬底包括顶层硅、底层硅以及形成于顶层硅和底层硅之间的埋氧层;2)刻蚀去除顶层硅的边缘区域;3)在顶层硅表面两侧沉积金属接触材料,然后经过退火使金属接触材料与下方对应区域的顶层硅反应形成金属硅化物,分别作为源区接触层和漏区接触层;4)沉积覆盖源区接触层和漏区接触层的源区金属电极和漏区金属电极,同时在底层硅的表面沉积底栅金属电极;5)在顶层硅与源区接触层、漏区接触层的接触界面上进行离子注入与激活,形成P+区域和N+区域;6)在顶层硅表面形成量子点。

本发明采用SOI作为衬底(即在顶层硅和底层硅衬底之间插入了一层埋氧层),并结合量子点制备获得红外探测器,这种全介质隔离特点使Si基红外探测系统具有寄生效应小、抗干扰、速度快、功耗低、集成度高、抗单粒子辐照能力强等诸多优点,且顶层硅高迁移率和SOI独特的栅压调控特征有望同时提高红外探测芯片的增益、响应度和探测率等品质因素。

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