一種基于SOI量子點異質結的紅外探測器

紅外探測對環境的適應性優于可見光，可在夜間及惡劣環境下工作，且紅外探測隱蔽性好，比雷達和激光探測更安全，對偽裝目標識別率更高，此外與雷達系統相比，紅外系統具有體積小、重量輕、功耗低等優點，因此在軍事上紅外探測可應用于紅外夜視、紅外制導、紅外偵查、紅外報警等應用；紅外探測技術不僅在軍事方面有很多應用，通過對軍事領域中的先進研究成果進行轉換和工藝改進之后，紅外探測器在民用領域中也有了廣泛的應用，紅外探測可應用于健康監控、光通訊及三維目標識別等領域，在氣象預報、礦產勘查、地貌監測、車輛軸溫檢測等方面也有著不可替代的作用。

第一代紅外探測器僅是將紅外輻射轉化為電信號，而信號處理是在低溫區域以外進行。第二代紅外探測器通過與信號讀出電路（ROIC）的集成，不僅極大地增加了探測器元數目，且通過多路傳輸減少了電極引線數量，還可進行復雜的信號處理。

第三代紅外探測器目前在國際上并沒有一個明確的定義，波蘭Rogalski分析總結了當前對紅外探測的發展需求，提出了第三代紅外探測器包含的3部分內容，具體如下：1）高性能、高分辨率、具有多波段探測的制冷焦平面；2）中等性能或高性能的非制冷焦平面；3）低成本的非制冷焦平面。以上3項內容為“或”的關系，只要滿足了一條就能稱為第三代紅外探測技術。

目前不同國家對第三代紅外探測器的選擇主要是出于自身的發展與應用需求，對材料和器件技術進行有選擇的發展，最終目的是為了實現高性能、低成本的紅外探測器。Si基CMOS集成電路工藝是先進半導體技術的主體，但Si材料受其禁帶寬度限制，使得Si基光電探測器無法探測1100nm以上波長的光波，因此如何將紅外探測集成到Si材料上是實現紅外傳感與Si基集成電路結合的前提。早期紅外探測芯片是在Si基表面外延Ge或InGaAs等Ⅲ-Ⅴ族材料以拓寬該體系對光譜的吸收范圍，但外延生長不僅增加了工藝的復雜性，還不可避免地會對Si襯底引入污染或摻雜，且InGaAs紅外探測器工作波段為0.9-1.7μm，僅限于近紅外波段吸收，因此InGaAs只能作為大面陣單色器件材料。

膠體量子點是一類優異的紅外量子點材料，它主要有以下幾個優點：1）具有優異的紅外光捕獲能力并可以通過量子限制效應調節吸收波長；2）可通過溶液法進行合成，并用旋涂等低成本手段進行器件制作，易于和其它材料集成；3）可通過調節其物理性能使其在常溫下工作，不需要進行制冷，可以極大簡化器件結構，降低成本。因此將膠體量子點與Si基襯底結合，有望制備出與現有集成電路相匹配的常溫紅外探測器。

【推薦發明ZL】

《一種基于SOI量子點異質結的紅外探測器》

【發明內容】

鑒于現有技術的缺點，本發明提供了一種基于SOI（絕緣體上硅材料）量子點異質結的紅外探測器制備方法，用于解決現有技術中Si基CMOS集成電路工藝復雜、容易對Si襯底造成污染且制成的紅外探測器探測效率低等問題。

本發明SOI量子點異質結的紅外探測器結構示意圖

制備方法具體包括：1）提供一種SOI襯底，SOI襯底包括頂層硅、底層硅以及形成于頂層硅和底層硅之間的埋氧層；2）刻蝕去除頂層硅的邊緣區域；3）在頂層硅表面兩側沉積金屬接觸材料，然后經過退火使金屬接觸材料與下方對應區域的頂層硅反應形成金屬硅化物，分別作為源區接觸層和漏區接觸層；4）沉積覆蓋源區接觸層和漏區接觸層的源區金屬電極和漏區金屬電極，同時在底層硅的表面沉積底柵金屬電極；5）在頂層硅與源區接觸層、漏區接觸層的接觸界面上進行離子注入與激活，形成P+區域和N+區域；6）在頂層硅表面形成量子點。

本發明采用SOI作為襯底（即在頂層硅和底層硅襯底之間插入了一層埋氧層），并結合量子點制備獲得紅外探測器，這種全介質隔離特點使Si基紅外探測系統具有寄生效應小、抗干擾、速度快、功耗低、集成度高、抗單粒子輻照能力強等諸多優點，且頂層硅高遷移率和SOI獨特的柵壓調控特征有望同時提高紅外探測芯片的增益、響應度和探測率等品質因素。