[发明专利]一种增强硅基成像器件CCD或者CMOS器件红外响应的方法

说明书

技术领域

本发明属于红外成像领域，特别涉及一种增强硅基成像器件（CCD（电荷藕合器件）或者CMOS（互补金属氧化物半导体）器件）红外响应的方法。

背景技术

以硅为代表的半导体技术在20世纪后期得到巨大的发展。以硅为基底材料制作的光电耦合器件（CCD）更是获得了2009年诺贝尔物理学奖。自发明以来，其在安防、工业、摄影等方面带来了革命性的进步，并已经进入我们每一个人的日常生活当中，比如数码相机、手机摄像头等。目前，在市场上很容易能找到像素超过1600万，像元大小小于2微米，噪声水平低的CMOS及CCD成像器件。但是，在安保、监视等方面，却急切需要一种既能在白天有光照的情况下工作，又能在黑夜无光照的情况下工作的低成本、高质量的成像装置。同时，很多种生物识别技术，比如面部以及虹膜识别，发展非常迅速。不论是面部识别还是虹膜识别目前的主导技术是使用近红外的光(750-850nm)以用来消除照明以及颜色的区别，提高识别率，同时研究也发现使用近红外光可以极大的改善识别率。但是，不论是CCD还是CMOS成像器件，由于制作器的硅材料带隙宽度在1.05eV，使得硅只能吸收波长短于1.1μm的光辐射。这就意味着，以硅材料制作的CCD（电荷藕合器件）或者CMOS（互补金属氧化物半导体）成像器件的响应都限制在可见光波段，不能响应波长大于1.1μm的光辐射。作为一种非直接带隙材料，硅需要光子以及声子的组合来实现对光吸收，产生一个电子空穴对。当光波长接近带边(波长接近1.1μm)的时候，其对光的吸收变弱，光能穿透更深的深度。而为了防止窜扰，降低噪声，CCD以及CMOS成像器件都做得很薄(小于7um)，这就使得其对光在800-1100nm的响应也急剧下降，限制了其应用。

目前技术上主要采用直接带隙半导体材料，比如InGaAs，HgCdTe以及锗制成的红外成像器件来完成红外、近红外波段的成像功能，这些材料也表现出了良好的性能。但是另外一方面，以InGaAs，HgCdTe材料为基底的成像器件生产非常困难，在生产过程中常要求使用剧毒的物质铟（剂量超过致死量），且制造过程损耗大，产率低，不能与现有的成熟的硅基的生产线集成。锗可以在硅上面生长，但是由于晶格不匹配而带来了很大的缺陷密度，由此带来了更高的暗电流以及其他不想要的特性。以上所述的这些原因，使得虽然可以制造出性能优良的焦平面红外成像器件，但是都具有高昂的成本，他们的应用就被限制在范围很小的不考虑成本情况下。他们不太可能被应用在诸如安防、监视这些容量高、成本要求低的场所。这些应用急切需求一种成本低、性能优良、能与现有半导体生产工艺集成的硅基的成像器件。

美国哈佛大学的Eric Mazur小组在1998年发现将硅材料置于SF₆等气体中，使用飞秒激光进行辐照，所得到的硅材料具有从可见光到红外(6μm)都具有平坦的吸收。研究发现，可见光波段的吸收增强主要是由于在加工过程中通过激光辅助蚀刻得到的“光捕获”表面得到，而红外光波段的吸收增强主要是由于在激光与物质的作用过程中，第Ⅵ族元素作为掺杂杂质进入硅材料，其掺杂浓度可远远超过Ⅵ族元素在硅中的热熔解极限。以硫元素为例，其掺杂浓度可以达到1%原子浓度。如此高的掺杂浓度，在硅的能带中形成了一个中间能带，使得硅可以吸收波长大于1.1μm的光辐射。该研究成果自报道明以来，很快引起了世界各地研究人员的注意，更被认为是一种全新的材料，将能在太阳能电池，红外探测器等领域有重要的用途。

本发明专利的提出，就是利用了这种新发现的材料，解决了硅基底材料制成的成像器件在波长大于1.1μm的红外波段不响应及在近红外波段响应度极低的问题。该发明能很好的与已经非常成熟的硅材料半导体成像器件工艺相结合，具有实现容易，成本比现有的红外成像器件低得多，能很好的对近红外的光进行响应等优点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种增强硅基成像器件（CCD（电荷藕合器件）或者CMOS（互补金属氧化物半导体）器件）红外响应的方法。此种方法不仅可以极大的提高硅基成像器的红外响应度，也能很好的与现有的硅半导体材料成像器件的生产工艺相整合，集成进现有的生产线。使用该方法得到的非制冷硅基红外增强成像器和现有的硅成像器相比具有更高的红外响应度。和现有的红外成像器相比，由于其不用制冷，使用更方便，体积更小、重量更轻，且具有极大的成本优势。

本发明是这样实现的，构造一种增强硅基成像器件CCD或者CMOS器件红外响应的方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）通过激光或者离子注入的方法对硅基底材料进行高浓度掺杂；