[发明专利]非制冷光子型硅基红外探测器芯片及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于红外探测器技术领域，具体涉及一种非制冷的光子型硅基红外探测器芯片及其制备方法和应用。

背景技术

穿过大气层的太阳光因受到大气层对太阳辐射的吸收和散射作用，选择性的使红外波段中3-5微米与8-14微米的波段明显穿过大气层，形成“大气窗口”。在军事应用方面，军事目标通常远离军事设备，到达军事设备的光场需经由大气传输。显然，3-5微米和8-14微米的波段更容易穿过大气到达军事设备，所以，红外技术对军事领域显得尤为重要，例如红外技术对红外成像中的精确制导；对武器平台的驾驶与导航；对监视、告警、预警与跟踪远、中和近程军事目标；对光电对抗等方面；对探测隐身武器系统等等。

红外技术作为红外探测器技术的核心，引领并制约红外探测器技术的发展。1800年英国天文学家威廉·赫胥尔首先发现了红外线，标志着红外探测器开始发展，例如热电偶、热电堆、测热辐射计等热电、热探测器的相继出现。第一支硫化铊光电导型红外探测器由美国人于1917年研制获得，硫化铅光电导型红外探测器由德国人于19世纪30年代末研制获得。红外探测器在二次世界大战中得到快速的发展，并在其后因半导体技术的发展使之得到进一步推动。早期研制的红外探测器因探测波长单一、工作温度低等问题使其应用受限。英国Lawson于1959年发明碲镉汞红外探测器，此后，红外探测器的发展便呈现出一发不可收拾的局面。碲镉汞红外探测器在红外探测器发展历程中占有重要的地位[2]。

但是，碲镉汞探测器也有其不可克服的缺点。首先，碲镉汞为三元半导体，主要通过离子键将碲和镉、碲和汞结合，各元素间相互作用力小。因此该材料的固有问题是：元素汞在材料内显得不稳定，容易从中逸出而形成材料的不稳定以及材料的缺陷，导致器件性能下降，该问题在长波应用尤为突出。其次，对于碲镉汞长波探测器，器件性能的下降主要来自于其窄禁带宽度带来的大带间隧穿电流和暗电流。所以为保证器件的性能，必须严格控制材料的生长质量和器件制作工艺，从而导致成品率降低，器件成本提高。另外，碲镉汞薄膜材料生长的外延衬底问题是碲镉汞红外探测器的另一个主要问题，碲锌镉衬底与碲镉汞晶格相匹配，但若想获得较大尺寸的碲锌镉衬底，成本相对昂贵，所以必须考虑替代衬底以及晶格不匹配带来的质量问题，尤其对于碲镉汞长波探测器来说[2]。

另外，一般情况下的红外探测器，在使用过程中必须达到一定的制冷要求，使得使用成本大幅提高，并且灵敏度跟不上军用的需求。各类探测器材料与器件存在的不足不断激发人们对红外新材料和新器件技术的探索。本发明提出了一种基于硅材料的中红外探测器，不仅在中红外波段的灵敏度较好，而且它不需要低温工作环境，另外由于硅基材料的成熟加工工艺，使得该红外探测器易于制作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种灵敏度好、工作温度要求低的具有广泛适用性的非制冷光子型硅基红外探测器芯片及其制作方法，以及该红外探测器芯片在非制冷光子型硅基红外探测器中的应用，使所述探测器在非制冷条件下，能够对“大气窗口”的中红外波段具有较高的响应。

本发明提供的非制冷光子型硅基红外探测器芯片，其结构自上而下依次包括：

n+重掺杂微结构层；

硅表面的锥体结构；

n型硅片。

所述n型硅片为晶向（100）、（110）或（111）的n型单晶硅片，双面抛光，厚度为300-500 μm，电阻率为1000-5000 Ω·cm。

所述n+重掺杂微结构层、硅表面的锥体结构和n型硅片为一固有连接的整体，所述硅表面的锥体结构是在含氮元素的气体氛围中，用超快激光辐照n型硅片获得，由于辐照区域氮原子的高浓度掺入，在所述硅表面的锥体结构表层形成所述n+重掺杂微结构层，并在硅禁带中引入杂质能带。

本发明还提供了一种非制冷光子型硅基红外探测器结构芯片的制备方法，该方法具体步骤如下：

（1）选择晶向为（100）、（110）或（111）的n型单晶硅片，并彻底清洗；

（2）将清洗后的n型单晶硅片，置于含氮元素的密闭气体氛围中，用超快激光辐照所述n型单晶硅片的一面，在该面的表面形成微米量级呈准周期性排列的结构，即锥体结构；由于氮元素的超饱和重掺杂作用，在所述锥体结构表层形成n+重掺杂微结构层；

（3）将表面形成有锥体结构的n型单晶硅片置于快速热退火炉中退火；

（4）退火后，在n+重掺杂微结构层表面磁控溅射一层AZO薄膜，作为正面电极；

（5）再在n型单晶硅片的另一面用磁控溅射的方法溅射一层ITO薄膜，作为背面电极。