[发明专利]基于单晶硅PN结的非制冷红外探测器阵列及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及红外探测器技术领域，尤其涉及一种基于单晶硅PN结温度特性的非制冷红外探测器及其阵列的制造方法。

背景技术

红外成像技术广泛应用于军事、工业、农业、医疗、森林防火、环境保护等各领域，其核心部件是红外焦平面阵列(Infrared Focal Plane Array，IRFPA)。根据工作原理分类，可分为：光子型红外探测器和非制冷红外探测器。光子型红外探测器采用窄禁带半导体材料，如HgCdTe、InSb等，利用光电效应实现红外光信号向电信号的转换；因而需要工作在77K或更低的温度下，这就需要笨重而又复杂的制冷设备，难以小型化，携带不方便。另一方面，HgCdTe和InSb等材料价格昂贵、制备困难，且与CMOS工艺不兼容，所以光子型红外探测器的价格一直居高不下。这些都极大地阻碍了红外摄像机的广泛应用，特别是在民用方面，迫切需要开发一种性能适中、价格低廉的新型红外摄像机。非制冷红外探测器利用红外辐射的热效应，由红外吸收材料将红外辐射能转换为热能，引起敏感元件温度上升，敏感元件的某个物理参数随之发生变化，再通过所设计的某种转换机制转换为电信号或可见光信号。

发明内容

本发明的目的是基于单晶硅PN结温度特性提供了一种非制冷红外探测器阵列及其制备方法，利用红外辐射的热效应，由红外吸收材料将红外辐射能转换为热能，引起单晶硅PN结温度上升，单晶硅PN结的伏安特性随之发生变化，再通过所设计的读出电路将电信号取出，以获得红外辐射强弱的探测结果。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于单晶硅PN结温度特性的非制冷红外探测器阵列，包括数个红外探测单元，其中每一红外探测单元沿纵向包括：底硅层，空腔，埋氧层，以及埋氧层以上的顶硅层区域；

所述空腔，由深槽、埋氧层以及底硅层围成，

所述顶硅层区域包括：红外敏感区域，电气连接线与钝化层，

所述红外敏感区域，包括设置在顶硅层中数个串联的单晶硅PN结，所述单晶硅PN之间通过绝缘隔离槽实现电隔离；

所述电气连接线由悬空的绝热悬臂梁支撑，所述红外敏感区域通过悬空的绝热悬臂梁与底硅层连接，所述红外敏感区通过电气连接线与外界信号处理电路连接；

所述钝化层位于红外敏感区与电气连接线之上，用于吸收红外辐射。

为实现上述目的，本发明还提供了一种基于单晶硅PN结温度特性的非制冷红外探测器阵列的制备方法，其中包括：

步骤A、硅片氧化还原，在纵向形成所述底硅层，埋氧层与顶硅层，同时通过底硅刻蚀，形成深槽，填充及平坦化，以在横向划分红外探测单元；

步骤B、在每一红外探测单元中的顶硅层设置数个串联的单晶硅PN结；

步骤C、在每一红外探测单元中形成电气连接布线，在所述单晶硅PN结与所述电气连接线上形成钝化层；

步骤D、在每一红外探测单元中制作悬空的绝热悬臂梁，刻蚀所述底硅层，形成所述空腔。

本发明基于单晶硅PN结温度特性的非制冷红外探测器阵列及其制备方法，利用单晶硅PN结具有良好的温度特性，例如，当采用恒流偏置时，如果温度升高，则单晶硅PN结两端的电压降低。因而，通过测量单晶硅PN结两端的电压的变化，可以探测出红外辐射的强弱。采用常规IC工艺和MEMS工艺，在SOI硅片上，将PN结(IC中的典型单元)与悬臂梁(MEMS中的典型单元)制作在同一个像素单元上，实现MEMS结构与IC红外敏感单元的单片集成。其制作工艺与CMOS工艺完全兼容，易于单片集成，非常适合于大批量生产，易于降低成本，实现工业化量产；采用绝热悬空结构，可以有效地降低热量流失，提高探测灵敏度；采用氟化氙干法腐蚀释放绝热悬臂梁，可以有效地避免湿法腐蚀中的粘连问题，极大地提高成品率。

附图说明

图1为本发明一种基于单晶硅PN结温度特性的非制冷红外探测器阵列的结构示意图；

图2为图1中单个红外探测单元的剖面图示意图；

图3为图1中单个红外探测单元的俯视图示意图；

图4为本发明一种基于单晶硅PN结温度特性的非制冷红外探测器阵列的制备方法的流程图。

附图标记：

1-深槽        2-腐蚀槽        3-悬臂梁

4-电气连接线  5-红外敏感区    6-单晶硅PN结

7-底硅层      8-埋氧层        9-顶硅层区域

10-钝化层     11-空腔         12-绝缘隔离槽

具体实施方式