[发明专利]一种非制冷红外探测器的设计及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种非制冷红外探测器的设计和制备方法，特别是关于一种基于单晶硅PN结温度特性的多波段非制冷红外探测器的设计和制备。

技术背景

随着近代科学的发展，人们认识到，温度不为绝对零度的物体都会辐射电磁波，室温下大部分物体辐射波处在红外波段。于是，红外辐射成像方式成为一种全新的探测方式，不仅可以摆脱黑暗的困扰，甚至可以消除烟雾的影响。二战以后，由于反空导弹系统的需要，红外探测器才真正的发展起来。从起初的多晶铅盐制备的红外探测器，到后来以各种窄能带间隙的半导体化合物为材料制备的红外探测器，都极大的促进了该领域的进步。与此同时，由于军用夜视的需要，红外成像设备也成为重要的研究方向。红外成像设备视距远，受天气影响小，识别伪装能力强。在工业应用上，如：铁水、钢水液面检测、石油管漏油检查、供电原部件过热检查，集成电路热故障分析等；军事应用上，如：红外夜视、红外制导、红外侦察、红外火控、红外雷达、红外通信、红外隐形等技术在现代战争中发挥着极其重要的作用；另外，在医疗热成像诊断、森林防火、空海救援、污染监测和资源勘探方面都有广泛应用。

由于红外辐射是以电磁波，也即光子的形式来进行能量传输的，因而红外探测器根据不同工作原理大致分为两类：一种是基于特定材料中的光子-电子相互作用，称为光子探测器；另一种是基于特定材料吸收红外辐射后材料的温度发生改变，称为热探测器。在目前的高端红外成像系统中，主要采用红外光子探测器，因为它无论在灵敏度、响应速度等方面，都优于热探测器。但是，为了能够使器件能够工作在红外波长范围且抑制热噪声，必须将器件冷却到较低的温度(一般为液氮温度77K)。一般来说，光子探测器的制冷部分不仅体积十分笨重而且价格相当昂贵，不利于设备的集成化，小型化，价格仍然较高，难以广泛应用。相比于光子型红外探测器，热探测器则拥有其不可替代的优势和巨大的应用潜力，热探测器可以于室温下运行，成本低，易于小型化，热探测器在最近几年里已经引起了工业界、学术界、军事界等多方面的关注。热探测器的工作原理是，吸收入射红外辐射，引起器件或材料温度变化，再转变成一定的物理量，而达到红外探测的目的。无论是使用具有很好电阻温度系数的VO_x材料制备微测热辐射计，还是采用BaSrTiO(BST)这类具有很好热释电特性的材料制备红外探测器，尽管这些材料都能将红外辐射很好的转换成电学特性(电阻、电压变化等)进行感应和测量，但是这些材料以及制备方法有一个致命的缺点，就是与传统的硅微加工工艺不兼容。这严重限制了红外探测器的小型化和集成化。且这类探测器的探测灵敏度、响应速度有限，主要工作8-14μm的长波红外波段。

单晶硅PN结的制备技术在半导体制造中已经相当成熟和完善，同时它也具备十分优越的温度特性，可以用于作为红外探测器中的温度敏感单元。在理想PN结模型情况下，流过PN结的电流密度J和施加在结两端的电压V之间的关系如下：

J=JS[exp(qVkT)-1]---(1)]]>

其中，J_S为饱和电流密度，q为电子电荷量，k为波尔兹曼常数，T为绝对温度，(1)式在正常偏压情况下远远大于1，故可以写为：

J≈JSexp(qVkT)---(2)]]>