[發明專利]基于六氮五鈮薄膜的室溫紅外檢測器及其制備方法

在審

• 申請號: 201410496643.X
• 申請日: 2014-09-25
• 公開（公告）號: CN104393091A
• 公開（公告）日: 2015-03-04
• 發明（設計）人: 康琳;涂學湊;徐磊;陳健;吳培亨
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: H01L31/08
• 分類號: H01L31/08;H01L31/09;H01L31/18;G01J5/20
• 代理公司: 蘇州威世朋知識產權代理事務所(普通合伙) 32235
• 代理人: 楊林潔

技術領域

本發明涉及一種室溫紅外檢測器及其制備方法，具體是一種基于六氮五鈮薄膜的室溫紅外檢測器及其制備方法，可應用于遠紅外、紅外及近紅外波段的微弱信號檢測領域。

背景技術

微測輻射熱計是目前應用最為廣泛也是最為成功的熱探測器結構，它利用熱敏材料的電阻率隨溫度變化的特性來傳感紅外輻射。在早期，人們曾經嘗試用常用金屬（鉍，鈮等）作為敏感材料，但隨著半導體材料及其制備技術研究的深入，以氧化釩和非晶硅為代表的半導體薄膜材料已取代金屬材料成為微測輻射熱計敏感材料的主流。基于微測輻射熱計紅外探測器的制備工藝與微電子制造工藝相兼容，有利于大規模生產和推廣，具有相當大的發展前景。熱探測器性能限制的主要因素是熱絕緣的設計問題，同時要實現較高靈敏度還需要制冷。對于軍事和國家安全領域的應用，紅外檢測器的工作溫度、檢測靈敏度等都是必須考慮的因素；在民用方面，性價比也是選取檢測器的一個重要因素。

發明內容

發明目的：針對上述現有技術存在的問題和不足，本發明的目的是提供一種可工作于室溫，又具有較高檢測靈敏度和響應速度，且容易做成大規模陣列芯片的紅外檢測器及其制備方法。

技術方案：為實現上述發明目的，本發明采用的第一種技術方案為一種基于六氮五鈮薄膜的室溫紅外檢測器，包括硅襯底，所述硅襯底上的二氧化硅層，所述二氧化硅層上的六氮五鈮薄膜熱敏層，以及所述六氮五鈮薄膜熱敏層兩端與外部電路相連的金屬薄膜電極。該紅外檢測器通過六氮五鈮薄膜熱敏層吸收入射的紅外信號而導致該薄膜熱敏層電阻變化，在一定的偏置電流下產生一變化的電壓，并用鎖相放大器將該變化的電壓信號讀出。

進一步的，所述六氮五鈮薄膜熱敏層具有長方形微橋結構，大小為50μm×30μm，厚度為120~150nm，通過吸收入射紅外光導致電阻變化。

進一步的，所述二氧化硅層與硅襯底之間是空氣腔，所述空氣腔的深度為1?~5μm。所述六氮五鈮薄膜熱敏層兩側的空氣腔的大小分別為40μm×45μm和6μm×45μm。由于六氮五鈮薄膜具有較高電阻溫度系數（-0.7%/K@300K），熱敏層與硅襯底之間由于空氣腔隔離而使熱傳導很小，同時由于六氮五鈮薄膜熱敏層體積小而熱容小，所以該紅外檢測器具有高靈敏度，響應速度快，容易做成大規模陣列芯片的特性。

進一步的，所述金屬薄膜電極為金薄膜電極。

本發明采用的第二種技術方案為一種制備如上所述室溫紅外檢測器的方法，包括如下步驟：

（1）在硅襯底上生長形成二氧化硅層；

（2）在二氧化硅層上磁控濺射生長六氮五鈮薄膜；

（3）在六氮五鈮薄膜上光刻并用剝離的方法制備金薄膜電極；

（4）光刻并刻蝕制備六氮五鈮薄膜熱敏層。

進一步的，還包括如下步驟：

（5）在所述六氮五鈮薄膜熱敏層兩側光刻，形成刻蝕窗口圖形；

（6）使用濕法刻蝕的方法將所述刻蝕窗口圖形暴露出來的二氧化硅層去掉，使二氧化硅層下面的硅襯底暴露出來；

（7）使用反應離子刻蝕（RIE）將所述暴露出來的硅襯底刻蝕，從而形成空氣腔。

進一步的，所述六氮五鈮薄膜熱敏層具有長方形微橋結構，厚度為120~150nm。

進一步的，所述二氧化硅層的厚度為100nm。

進一步的，所述硅襯底為高阻硅襯底。

進一步的，所述空氣腔的深度為1~5μm。

進一步的，所述金屬薄膜電極為金薄膜電極。

有益效果：本發明提供了一種基于六氮五鈮薄膜的紅外檢測器及其制備方法，該檢測器工作于室溫，具有較高靈敏度，響應速度快，且容易做成大規模陣列芯片等優點，實現了對紅外波段微弱信號的檢測。同時，熱探測器低成本和可小型化的優點可以大大拓展紅外探測器的應用領域。

附圖說明

圖1是光學顯微鏡放大50倍基于六氮五鈮薄膜的4個紅外檢測器，在這張照片中有4個相同工藝制造的六氮五鈮薄膜熱敏層（微橋）。

圖2是光學顯微鏡放大1000倍單個六氮五鈮熱敏層（微橋）的照片。

圖3為含有空氣腔的六氮五鈮薄膜熱敏層（微橋）的剖面結構示意圖。

圖4為本發明的紅外檢測器響應電壓與偏置電流的關系圖。

圖5為本發明的紅外檢測器響應電壓與入射光調制頻率的關系圖。

圖6?為本發明的紅外檢測器制備工藝流程圖。

圖中的標記說明如下：

1?表面具有100nm左右厚二氧化硅的硅襯底

2?含有空氣腔的六氮五鈮薄膜熱敏層（微橋）