基于六氮五鈮薄膜的室溫紅外檢測器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于六氮五鈮薄膜的室溫紅外檢測器，包括硅襯底，所述硅襯底上的二氧化硅層，所述二氧化硅層上的六氮五鈮薄膜熱敏層，以及所述六氮五鈮薄膜熱敏層兩端與外部電路相連的金屬薄膜電極。本發(fā)明還公開了制備上述室溫紅外檢測器的方法。本發(fā)明的室溫紅外檢測器工作于室溫，具有較高靈敏度，響應(yīng)速度快，且容易做成大規(guī)模陣列芯片。
【專利說明】基于六氮五鈮薄膜的室溫紅外檢測器及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種室溫紅外檢測器及其制備方法，具體是一種基于六氮五鈮薄膜的室溫紅外檢測器及其制備方法，可應(yīng)用于遠(yuǎn)紅外、紅外及近紅外波段的微弱信號檢測領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]微測輻射熱計(jì)是目前應(yīng)用最為廣泛也是最為成功的熱探測器結(jié)構(gòu)，它利用熱敏材料的電阻率隨溫度變化的特性來傳感紅外輻射。在早期，人們曾經(jīng)嘗試用常用金屬(鉍，鈮等)作為敏感材料，但隨著半導(dǎo)體材料及其制備技術(shù)研究的深入，以氧化釩和非晶硅為代表的半導(dǎo)體薄膜材料已取代金屬材料成為微測輻射熱計(jì)敏感材料的主流。基于微測輻射熱計(jì)紅外探測器的制備工藝與微電子制造工藝相兼容，有利于大規(guī)模生產(chǎn)和推廣，具有相當(dāng)大的發(fā)展前景。熱探測器性能限制的主要因素是熱絕緣的設(shè)計(jì)問題，同時(shí)要實(shí)現(xiàn)較高靈敏度還需要制冷。對于軍事和國家安全領(lǐng)域的應(yīng)用，紅外檢測器的工作溫度、檢測靈敏度等都是必須考慮的因素；在民用方面，性價(jià)比也是選取檢測器的一個(gè)重要因素。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]發(fā)明目的:針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題和不足，本發(fā)明的目的是提供一種可工作于室溫，又具有較高檢測靈敏度和響應(yīng)速度，且容易做成大規(guī)模陣列芯片的紅外檢測器及其制備方法。
[0004]技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明米用的第一種技術(shù)方案為一種基于六氮五鈮薄膜的室溫紅外檢測器，包括硅襯底，所述硅襯底上的二氧化硅層，所述二氧化硅層上的六氮五鈮薄膜熱敏層，以及所述六氮五鈮薄膜熱敏層兩端與外部電路相連的金屬薄膜電極。該紅外檢測器通過六氮五鈮薄膜熱敏層吸收入射的紅外信號而導(dǎo)致該薄膜熱敏層電阻變化，在一定的偏置電流下產(chǎn)生一變化的電壓，并用鎖相放大器將該變化的電壓信號讀出。
[0005]進(jìn)一步的，所述六氮五銀薄膜熱敏層具有長方形微橋結(jié)構(gòu)，大小為50MmX30Mm,厚度為12(Tl50nm，通過吸收入射紅外光導(dǎo)致電阻變化。
[0006]進(jìn)一步的，所述二氧化硅層與硅襯底之間是空氣腔，所述空氣腔的深度為I飛Mffl。所述六氮五鈮薄膜熱敏層兩側(cè)的空氣腔的大小分別為40MmX45Mm和6MmX45Mm。由于六氮五鈮薄膜具有較高電阻溫度系數(shù)(-0.7%/Κ@300Κ)，熱敏層與硅襯底之間由于空氣腔隔離而使熱傳導(dǎo)很小，同時(shí)由于六氮五鈮薄膜熱敏層體積小而熱容小，所以該紅外檢測器具有高靈敏度，響應(yīng)速度快，容易做成大規(guī)模陣列芯片的特性。
[0007]進(jìn)一步的，所述金屬薄膜電極為金薄膜電極。
[0008]本發(fā)明采用的第二種技術(shù)方案為一種制備如上所述室溫紅外檢測器的方法，包括如下步驟:
(1)在硅襯底上生長形成二氧化硅層；
(2)在二氧化硅層上磁控濺射生長六氮五鈮薄膜；
(3)在六氮五鈮薄膜上光刻并用剝離的方法制備金薄膜電極； (4)光刻并刻蝕制備六氮五鈮薄膜熱敏層。
[0009]進(jìn)一步的，還包括如下步驟:
(5)在所述六氮五鈮薄膜熱敏層兩側(cè)光刻，形成刻蝕窗口圖形；
(6)使用濕法刻蝕的方法將所述刻蝕窗口圖形暴露出來的二氧化硅層去掉，使二氧化娃層下面的娃襯底暴露出來；
(7)使用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)將所述暴露出來的硅襯底刻蝕，從而形成空氣腔。
[0010]進(jìn)一步的，所述六氮五鈮薄膜熱敏層具有長方形微橋結(jié)構(gòu)，厚度為12(Tl50nm。
[0011]進(jìn)一步的，所述二氧化硅層的厚度為lOOnm。
[0012]進(jìn)一步的，所述娃襯底為聞阻娃襯底。
[0013]進(jìn)一步的，所述空氣腔的深度為I飛Mffl。
[0014]進(jìn)一步的，所述金屬薄膜電極為金薄膜電極。
[0015]有益效果:本發(fā)明提供了一種基于六氮五鈮薄膜的紅外檢測器及其制備方法，該檢測器工作于室溫，具有較高靈敏度，響應(yīng)速度快，且容易做成大規(guī)模陣列芯片等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對紅外波段微弱信號的檢測。同時(shí)，熱探測器低成本和可小型化的優(yōu)點(diǎn)可以大大拓展紅外探測器的應(yīng)用領(lǐng)域。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是光學(xué)顯微鏡放大50倍基于六氮五鈮薄膜的4個(gè)紅外檢測器，在這張照片中有4個(gè)相同工藝制造的六氮五銀薄膜熱敏層(微橋)。
[0017]圖2是光學(xué)顯微鏡放大1000倍單個(gè)六氮五鈮熱敏層(微橋)的照片。
[0018]圖3為含有空氣腔的六氮五鈮薄膜熱敏層(微橋)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖4為本發(fā)明的紅外檢測器響應(yīng)電壓與偏置電流的關(guān)系圖。
[0020]圖5為本發(fā)明的紅外檢測器響應(yīng)電壓與入射光調(diào)制頻率的關(guān)系圖。
[0021]圖6為本發(fā)明的紅外檢測器制備工藝流程圖。
[0022]圖中的標(biāo)記說明如下:
I表面具有10nm左右厚二氧化硅的硅襯底 2含有空氣腔的六氮五鈮薄膜熱敏層(微橋)
3硅襯底 4二氧化硅層 5六氮五鈮薄膜 6空氣腔 7金薄膜電極。

【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0024]圖1是基于六氮五鈮薄膜的紅外檢測器，圖2是光學(xué)顯微鏡放大1000倍單個(gè)六氮五鈮薄膜熱敏層(或稱六氮五鈮薄膜微橋)的照片，圖3是含有空氣腔的六氮五鈮薄膜微橋的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。當(dāng)紅外光入射到六氮五鈮薄膜微橋2上，六氮五鈮薄膜5因吸收能量溫度升高導(dǎo)致電阻變化，在一定的偏置電流下產(chǎn)生一變化的電壓，此電壓反映了入射紅外光功率的大小。為了減少六氮五鈮薄膜5與襯底硅3之間的熱導(dǎo)，先在硅襯底3上熱氧化生長10nm左右厚的二氧化硅層4，這二氧化硅層同時(shí)起支撐層的作用。為了進(jìn)一步減小六氮五鈮薄膜5與硅襯底3之間的熱導(dǎo)，使用等離子刻蝕(RIE)的方法，將六氮五鈮薄膜5下面及兩側(cè)的硅襯底刻蝕，刻蝕深度由此形成含有空氣腔的六氮五鈮薄膜微橋2。為了讀出六氮五鈮薄膜微橋2上面的變化電壓，在其兩端制作了金薄膜電極7。同時(shí)為節(jié)省空間和材料，做了 4個(gè)含有空氣腔的六氮五鈮薄膜微橋2，也即4個(gè)紅外檢測器，并共用了電極，如圖1所示。
[0025]為測量器件性能，使用了 Thorlab公司生產(chǎn)的2微米紅外激光器(FPL2000S-2000納米蝶型激光器，SM光纖)，使其對準(zhǔn)六氮五鈮薄膜5的表面，測量了六氮五鈮薄膜的紅外檢測器的響應(yīng)電壓與偏置電流的關(guān)系。圖4是六氮五鈮紅外檢測器響應(yīng)電壓與偏置電流的關(guān)系。該紅外檢測器的響應(yīng)電壓隨著偏置電流的增加先增大，當(dāng)偏置電流為1.8毫安培左右，響應(yīng)電壓達(dá)到最大值，當(dāng)偏置電流繼續(xù)增大時(shí)，響應(yīng)電壓隨之減少。當(dāng)該紅外檢測器偏置在1.8毫安培時(shí)，測的電壓響應(yīng)率在40V/W以上。此外，還測量了器件的響應(yīng)時(shí)間，如圖5所示，器件電壓響應(yīng)隨著入射紅外調(diào)制頻率的增加而減小，其響應(yīng)電壓下降到一半所對應(yīng)的時(shí)間為0.1毫秒左右。
[0026]六氮五鈮薄膜的室溫紅外檢測器的制造方法:
圖6是六氮五鈮紅外檢測器制備工藝流程:
第一步，在硅(Si)襯底3上熱氧化形成10nm左右厚的二氧化硅(S12)層4，該二氧化硅層4作為所述六氮五鈮薄膜微橋2的支撐層；
第二步，射頻磁控濺射生長120-150nm左右的六氮五鈮薄膜(Nb5N6) 5 ；
第三步，光刻制備電極圖形；
第四步，直流磁控濺射生長300 nm左右厚的金薄膜，并通過剝離的方法制備金薄膜電極7 ;
第五步，光刻制備六氮五鈮薄膜微橋2圖形；
第六步，反應(yīng)離子刻蝕(RIE)刻蝕制備六氮五鈮薄膜微橋2 ；
第七步，在所述六氮五鈮薄膜微橋2兩側(cè)光刻，形成刻蝕窗口圖形；
第八步，使用氫氟酸(HF)緩沖液刻蝕，將上述窗口暴露出來的二氧化硅去掉，使二氧化娃下面的娃襯底3暴露出來；
第九步，反應(yīng)離子刻蝕(RIE)將所述暴露出來的硅襯底3刻蝕，刻蝕深度l?5Mm，從而形成空氣腔6。
[0027]經(jīng)過以上步驟，即可制備出器件，如圖1所示。
【權(quán)利要求】
1.一種基于六氮五銀薄膜的室溫紅外檢測器，其特征在于，包括娃襯底，所述娃襯底上的二氧化硅層，所述二氧化硅層上的六氮五鈮薄膜熱敏層，以及所述六氮五鈮薄膜熱敏層兩端與外部電路相連的金屬薄膜電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于六氮五鈮薄膜的室溫太赫茲檢測器，其特征在于，所述六氮五鈮薄膜熱敏層具有長方形微橋結(jié)構(gòu)，厚度為12(Tl50nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于六氮五鈮薄膜的室溫太赫茲檢測器，其特征在于，所述二氧化硅層的厚度為10nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于六氮五鈮薄膜的室溫太赫茲檢測器，其特征在于，所述二氧化硅層與硅襯底之間是空氣腔，所述空氣腔的深度為I飛Mm。
5.一種制備如權(quán)利要求1所述室溫紅外檢測器的方法，包括如下步驟: (1)在硅襯底上生長形成二氧化硅層； (2)在二氧化硅層上磁控濺射生長六氮五鈮薄膜； (3)在六氮五鈮薄膜上光刻并用剝離的方法制備金薄膜電極； (4)光刻并刻蝕制備六氮五鈮薄膜熱敏層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述制備室溫紅外檢測器的方法，其特征在于，還包括如下步驟: (5)在所述六氮五鈮薄膜熱敏層兩側(cè)光刻，形成刻蝕窗口圖形； (6)使用濕法刻蝕的方法將所述刻蝕窗口圖形暴露出來的二氧化硅層去掉，使二氧化娃層下面的娃襯底暴露出來； (7)使用反應(yīng)離子刻蝕將所述暴露出來的硅襯底刻蝕，從而形成空氣腔。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述制備室溫紅外檢測器的方法，其特征在于，所述六氮五鈮薄膜熱敏層具有長方形微橋結(jié)構(gòu)，厚度為12(Tl50nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述制備室溫紅外檢測器的方法，其特征在于，所述二氧化硅層的厚度為lOOnm。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述制備室溫紅外檢測器的方法，其特征在于，所述硅襯底為高阻硅襯底。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述室溫紅外檢測器的方法，其特征在于，所述空氣腔的深度為I?5Mm。
【文檔編號】H01L31/08GK104393091SQ201410496643
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年9月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月25日
【發(fā)明者】康琳, 涂學(xué)湊, 徐磊, 陳健, 吳培亨 申請人:南京大學(xué)