[发明专利]一种基于铬-铌共掺杂二氧化钒外延薄膜的光热探测单元

说明书

本发明公开了一种基于铬‑铌共掺杂二氧化钒外延薄膜的光热探测单元，该光热探测单元包括衬底层、生长在衬底层之上的铬‑铌共掺杂二氧化钒外延薄膜、位于薄膜上的电极层。本发明采用铬‑铌共掺杂二氧化钒外延薄膜作为感光层，与传统的氧化钒(包括二氧化钒等多种物相)光热探测单元相比，具有线性度高、迴滞小、温度响应范围宽且波长可分辨等优势；且与目前商业化的光热探测器相比，本发明的光热探测单元结构简单，易于工业化生产；同时，该光热探测器是非制冷型的，不需要低温工作环境，可应用在微测辐射热计或温度传感器等。

技术领域

本发明属于电子信息和新材料两大技术领域，涉及电子信息领域中的敏感元器件传感器与工艺技术，以及新材料领域的半导体新材料制备与应用技术、光电子新材料制备与应用技术、智能传感器件用新材料制备与应用技术等。本发明具体涉及一种高线性度、低迴滞、宽响应范围、波长可分辨的基于铬-铌共掺杂二氧化钒外延薄膜的光热探测单元。

背景技术

光电探测技术在工业生产及控制、消费电子器件、汽车等领域有着广泛的应用，光电探测过程中最重要的硬件部分就是：光电、光-热-电探测单元或传感器。根据探测单元或传感器的工作原理，可以分为光子型探测器和热敏型探测器，其中：光子型探测器又分为光电导探测器、光伏探测器和光电子发射探测器；热敏型探测器又分为热释电探测器、温差热电堆探测器和微测辐射热计探测器。在热敏型探测器中，微测辐射热计探测器因制作工艺与CMOS集成电路相兼容、成本低、可大规模生产，且性能优良、易于操作无需斩波，成为目前发展最快、应用前景广阔的一种光热型探测器，特别在红外探测领域有着重要的应用。

由于非致冷型微测辐射热计不需要外加低温条件，即可在常规条件下使用，因此，非致冷型微测辐射热计在应用中最为广泛。目前，用于制备非致冷型微测辐射热计的材料有多种，主要分为：金属薄膜和半导体薄膜两大类。金属薄膜有铂、铜、镍、钛等，由于它们电阻率低、电阻温度系数较小，在实际中并未得到大量的应用，且这些贵金属材料很昂贵，大规模应用成本很高。而氧化钒(VO_X)、硅锗合金等化合物半导体以及非晶硅等的薄膜则在非致冷微测辐射热计中获得大量的应用，特别是氧化钒薄膜材料。氧化钒电阻阻值一般控制在数千欧至数百千欧，表现出良好的电阻温度系数(TCR)，一般可达到-2％/℃。另外，氧化钒薄膜电阻与读出电路具有良好的匹配性，便于系统结构的设计和优化，这些优势使得氧化钒成为非致冷微测辐射热计探测器首选材料之一。其中，VO₂薄膜表现出良好的TCR性能，可以达到～-67％/℃的水平，一直是国内外研究的热点材料。但是，VO₂薄膜用作非致冷微测辐射热计探测器材料也面临着一些挑战：(一)VO₂薄膜相变温度过低导致其温度探测范围窄；(二)在相变区，电阻曲线具有明显的迴滞特性，导致TCR曲线线性度差；(三)VO₂薄膜对光波长的分辨能力差。这些缺点与不足大大阻碍了VO₂薄膜的应用步伐。

综上所述：传统材料用作光-热-电探测器成本太高，不利于大规模应用；化合物半导体薄膜材料成为非致冷型候选材料，尽管作为其中典型代表的VO₂薄膜具有明显优势，但也有探测范围窄、线性度差、温度迴滞大等不足。

发明内容

为避免上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于铬-铌共掺杂二氧化钒外延薄膜的光热探测单元，以提高VO₂外延薄膜作为非制冷型光热探测器的线性度、拓宽测量范围，并降低温度迴滞，进而克服以氧化钒(VO_X)薄膜为代表的非致冷型微测辐射热计材料的缺点与不足。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于铬-铌共掺杂二氧化钒外延薄膜的光热探测单元，其特点在于：所述光热探测单元为叠层结构，自下而上依次包括衬底层、生长在所述衬底层上的薄膜层及设置在所述薄膜层上的电极层；所述电极层上设置有电极引线，用于连接外部电路；