本发明专利技术提供了一种CMOS直接集成的红外探测器结构及其工艺，包括CMOS红外探测结构和CMOS测量电路系统，所述CMOS红外探测结构和所述CMOS测量电路系统均采用CMOS工艺制备；所述CMOS红外探测结构直接集成在CMOS测量电路系统外层的单晶硅/二氧化硅层，所述二氧化硅层上设置有金属电极或导电层中的一种，所述金属电极或导电层可与CMOS测量电路系统连接，用于信号传输；所述金属电极或导电层上设置热电材料层，所述热电材料层作为整个红外探测器的光敏部位；所述热电材料层上设置导电玻璃层。本发明专利技术与CMOS直接集成，像元间距小，可实现超大像素FPA制备。本发明专利技术制备成本低，对材料单晶性要求低，器件结构微小，操作简单。操作简单。操作简单。
【技术实现步骤摘要】
一种CMOS直接集成的红外探测器结构及其工艺
[0001]本专利技术涉及红外探测器
，具体涉及一种CMOS直接集成的红外探测器结构及其工艺。
技术介绍
[0002]红外探测器在红外夜视、红外制导、自动驾驶、医学诊断、环境监测、工业监测、天文探测等领域都有着广泛的应用，而传统的红外探测器通常要求低温工作环境，且制备成本高，不利于实际应用。短波红外(SWIR)、中波红外(MWIR)或长波红外(LWIR)的探测器制备受到工作环境、探测器性能和制造成本的影响，目前面临着一定的挑战。限制传统的红外探测器发展的问题如下：
[0003](1)工作温度低。为提供良好的信噪比，工作温度一般小于200K，如InGaAs SWIR红外探测器、HgCdTe MWIR红外探测器等，尤其是LWIR红外探测器，需工作在77K以下。由于需要使用额外的制冷设备，红外探测器的尺寸、重量、功耗及成本相应增加，其使用场景也受到了限制。
[0004](2)制备工艺复杂。传统红外探测器的制备工艺由CMOS(Complementary Metal
‑
Oxide
‑
Semiconductor，互补金属氧化物半导体)和MEMS(Micro
‑
Electro
‑
Mechanical System，微机电系统)制备组成，因此制造上需独立制备出CMOS读出电路系统、MEMS绝热微桥、非晶硅热敏电阻和红外吸收层等部分，无法直接在CMOS上集成红外传感器。
[0005](3)成本高昂。焦平面阵列(FPA)是红外探测器热成相系统的核心部件，可以起到探测、识别和分析被测物体红外信息的作用。而FPA在制造过程，需经过晶体基底外延生长、模具杂交、基底减薄技术和抗反射涂层技术等复杂工艺，其制造(如单次仅可生产单个FPA，无法直接制备多个FPA)和装配(如相元间距大于10μm)成本非常高。
[0006](4)材料质量要求高。传统红外探测器依赖光敏材料(如HgCdTe)，其工作原理为材料受到红外辐射后，在p
‑
n结区域产生非平衡载流子，形成内建电场，载流子在该区域做漂移运动，从而改变空间的电场分布，因此要求材料具有较好的单晶性。
技术实现思路
[0007]本专利技术的目的在于提供一种CMOS直接集成的红外探测器结构及其工艺，以解决传统红外探测器的工作温度低、成本高、无法直接实现CMOS集成等问题，旨在实现室温工作的、低成本和CMOS直接集成的具有晶圆级FPA，光谱响应范围实现SWIR、MWIR、LWIR单个波段或宽波段的红外探测器结构。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种CMOS直接集成的红外探测器结构，包括CMOS红外探测结构和CMOS测量电路系统，所述CMOS红外探测结构和所述CMOS测量电路系统均采用CMOS工艺制备；所述CMOS红外探测结构直接集成在CMOS测量电路系统外层的单晶硅/二氧化硅层，所述二氧化硅层上设置有金属电极或导电层中的一种，所述金属电极或导电层可与CMOS测量电路系统连接，用于信号传输；所述金属电极或导电层上设置热
电材料层，所述热电材料层作为整个红外探测器的光敏部位；所述热电材料层上设置导电玻璃层。
[0009]进一步的，所述CMOS测量电路系统包括至少一层密闭释放隔绝层，所述密闭释放隔绝层用于在制作所述CMOS红外探测结构的过程中，保护所述CMOS测量电路系统不受工艺的影响。
[0010]本专利技术还提供了上述的CMOS直接集成的红外探测器结构的制作工艺，包括基底预处理、金属电极或导电层制备和热电材料生长；
[0011]所述基底制备，包括单晶硅层、二氧化硅层和热沉层；所述单晶硅层的厚度为400μm～600μm，所述单晶硅的尺寸，其宽度为1mm～30mm，长度为1mm～30mm；所述二氧化硅层的厚度在100nm～1000nm，所述二氧化硅的尺寸与单晶硅尺寸一致，其宽度为1mm～30mm，长度为1mm～30mm；3层所述热沉层埋在二氧化硅层中，每层所述热沉层的厚度在20～100nm，宽度为0.1mm～1mm，长度为1mm～30mm，层间宽度为20nm～50nm，组间宽度为0.1mm～5mm，两组热沉层对称分布；所述金属电极或导电层制备，可采用蒸镀技术、转移技术或生长技术其中的一种；所述金属电极或导电层的制备环境需满足真空度＜10
‑3pa；
[0012]所述热沉层为钨、铜钨合金、钼、铜钼合金中的一种；
[0013]所述金属电极尺寸为，厚度100nm～500nm，宽度1μm～3mm，长度1μm～3cm；
[0014]所述金属电极为铜、铝、金、银、铬、镉、镍、钛、铂中的至少一种；
[0015]所述导电层尺寸为，厚度100nm～1000nm，宽度10μm～3cm，长度10μm～3cm；
[0016]所述导电层为石墨烯、ZnO、SnO2、TiO2中的一种。
[0017]所述金属电极或导电层制备，可采用蒸镀技术、转移技术或生长技术其中的一种；所述金属电极或导电层的制备环境需满足真空度＜10
‑3Pa；
[0018]所述热电材料生长包括以下步骤：
[0019]步骤1、基底清洗，将硅/二氧化硅基底浸泡于无水乙醇，并超声清洗0.1～10小时，用去离子水去除硅片上的残留物，使用惰性气体风干；
[0020]步骤2、材料配置，根据基底尺寸，每平方厘米需配置0.1克～0.3克的材料前驱粉末，放置在石英坩埚中；
[0021]步骤3、化学气相沉积，包括调节基底和材料在化学气相沉积炉中的位置，控制炉体真空度达到预定值，通入一定气流量的氩气或氮气，按照设定加热过程完成生长；
[0022]所述气流量为50sccm～450sccm，所述加热参数，包括起始温度、终止温度，加热时间，温度维持时间，所述起始温度为室温，所述终止温度为500℃～900℃，所述加热时间为30分钟～120分钟，所述温度维持时间在1分钟～1小时；
[0023]所述热电材料可使CMOS红外探测器基于热电效应的工作，包括碲化铋及其合金、碲化铅及其合金、硅锗合金、纳米碳管、铋纳米线、硒化铅、硒硫铅、硫化铅中至少一种；
[0024]所述热电材料上通过磁控溅射蒸镀氧化铟锡(ITO)导电玻璃层；
[0025]所述导电玻璃层尺寸为，厚度100nm～1000nm，宽度10μm～3cm，长度10μm～3cm
[0026]所述红外探测器像元阵列排布，使用晶圆级技术在上述材料的基础上进行刻蚀，所制像元间距为3μm～10μm，FPA根据需求可制备1像素
×
1像素到300像素
×
300像素之间的阵列。
[0027]本专利技术提供的方案在SWIR波段的性能，包括量子效率＞70％，操作温度＞298K，D*
＞10
12
jones，光谱响应范围0.4μm～2.5μm，暗电流密度＜10nA/cm2；
...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种CMOS直接集成的红外探测器结构，其特征在于：包括CMOS红外探测结构和CMOS测量电路系统，所述CMOS红外探测结构和所述CMOS测量电路系统均采用CMOS工艺制备；所述CMOS红外探测结构直接集成在CMOS测量电路系统外层的单晶硅/二氧化硅层，所述二氧化硅层上设置有金属电极或导电层中的一种，所述金属电极或导电层可与CMOS测量电路系统连接，用于信号传输；所述金属电极或导电层上设置热电材料层，所述热电材料层作为整个红外探测器的光敏部位；所述热电材料层上设置导电玻璃层。2.根据权利要求1所述的CMOS直接集成的红外探测器结构，其特征在于：所述CMOS测量电路系统包括至少一层密闭释放隔绝层，所述密闭释放隔绝层用于在制作所述CMOS红外探测结构的过程中，保护所述CMOS测量电路系统不受工艺的影响。3.一种如权利要求1～2任意一项所述的CMOS直接集成的红外探测器结构的制作工艺，其特征在于：包括基底预处理、金属电极或导电层制备和热电材料生长；所述基底预处理，包括单晶硅层、二氧化硅层和热沉层的制备；所述金属电极或导电层制备，可采用蒸镀技术、转移技术或生长技术其中的一种；所述金属电极或导电层的制备环境需满足真空度＜10
‑3Pa；所述热电材料生长包括以下步骤：步骤1、基底清洗，将硅/二氧化硅基底浸泡于无水乙醇，并超声清洗0.1～10小时，用去离子水去除硅片上的残留物，使用惰性气体风干；步骤2、材料配置，根据基底尺寸，每平方厘米需配置0.1克～0.3克的材料前驱粉末，放置在石英坩埚中；步骤3、化学气相沉积，包括调节基底和材料在化学气相沉积炉中的位置，控制炉体真空度达到预定值，通入一定气流量的氩气或氮气，按照设定加热过程完成生长；所述热电材料可使CMOS红外探测器基于热电效应的工作，包括碲化铋及其合金、碲化铅及其合金、硅锗合金、纳米碳管、铋纳米线、硒化铅、硒硫铅、硫化铅中至少一种；所述热电材料上通过磁控溅射蒸镀氧化铟锡导电玻璃层；所述红外探测器像元阵列排布，使用晶圆级技术在上述材料的基础上...
【专利技术属性】
技术研发人员：王启胜，成者，王立，张贤晶，
申请(专利权)人：南昌大学，
类型：发明
国别省市：
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