专利名称：超点阵量子阱红外探测器的制作方法
技术领域：
本文中所描述的实施例涉及一种超点阵量子阱红外(IR)探测器(或传感器)以及一种形成其的方法。2.
背景技术：
IR探测器通常被定义为对IR辐射进行响应的光电探测器。红外探测器的一种类型是热基探测器。可以在摄像机内实现热基探测器，以生成一个对象的图像，其在通常与此类对象相关的热性能上形成。已知热基探测器包括辐射热测量计、微辐射热测量计、热电体、及热电堆。微辐射热测量计基于接收 自一个对象的辐射能量的量来改变其电阻。热电堆包括将来自该对象的热能转换成电能的一些热电偶。此类装置已以一种形式或另一种形式被纳入到摄像机中用于热成像的目的。以下参考文献可能与本公开相关:授予何乃塞克(Hynecek)的美国专利号5, 436, 476、授予艾斯纳(Eisner)等人的5, 550, 387、授予崔瑟豪斯(Dresselhaus)等人的6, 060, 656、授予古氏(Gooch)等人的6, 690, 014、授予盖麦提(Ghamaty)等人的7，038, 234、授予许(Hsu)的7，755, 048、以及授予柯才晋(Kochergin)的美国专利公开号2011/0168978。发明概述在至少一个实施例中，提供了一种包括热电堆的红外(IR)传感器。该热电堆包括一个基板和一个吸收器。该吸收器放置在该基板之上，并且在该吸收器与该基板之间形成了一个间隙。该吸收器接收来自一个场景的IR并且生成一个指示该场景温度的电输出。该吸收器是由一个超点阵量子阱结构形成的，以便该吸收器从该基板热隔离。在另一个实施例中，提供了一种用于形成红外(IR)探测器的方法。该方法包括形成一个基板并且用带超点阵量子阱结构的多个交替第一和第二层形成一个吸收器。该方法进一步包括在该基板周围放置该吸收器，以便形成一个间隙以使该吸收器悬吊在该基板周围。附图简要说明本发明的实施例在所附权利要求中被特别指出。然而，各种实施例的其他特征将变得更加明显并且通过参照以下详细描述连同附图最好理解:

图1描绘了根据本发明的一个实施例的热探测器；图2描绘了根据本发明的另一个实施例的热探测器；图3描绘了图2的热探测器的横剖面图；图4描绘了仅包括一个吸收器的热探测器的另一个横剖面图；图5描绘了根据本发明的一个实施例由硅基材料封装的一种超点阵量子阱热电材料；图6A及图6B分别描绘了一个实现了量子阱的实施例以及没有实现量子阱效应的另一个实施例；图7描绘了在沉积过程中氮化硅层及超点阵量子阱材料所造成的各种应力；图8描绘了用于产生量子阱热电探测器的制造工艺流程；图9A至图9D描绘了当结合图8的工艺流程制造时探测器的各种构造；图10描绘了用于产生超点阵量子阱热电探测器的制造工艺流程；以及图1lA至图1lG描绘了当以图10的工艺流程制造时探测器的各种构造。详细说明此处披露了本发明的详细实施例。然而，应当理解为，所披露的实施例仅例证可以各种各样的并且可替代的形式体现的本发明。附图不一定按比例；一些特征可以被放大或最小化，从而示出特定部件的细节。因此，本文披露的特定结构和功能细节不应被解释为限制性的，而仅仅是权利要求的代表性基础和/或为本领域普通技术人员传授多方面地使用本发明的一个或多个实施例的代表性基础。如本文所披露的各种实施例通常提供(但不限于)多个IR探测器，该多个IR探测器可被放置在一个MXN列的阵列中用于生成一个场景的图像。在另一个实施例中，该多个IR探测器可被用来从一个光源(或场景)捕获(或感应)热能，并且为了能量存储的目的基于所感应到的热能提供一个电输出。在另一个实施例中，可以提供一个单一的IR探测器用于热感应。该IR探测器通常包括(除其他东西之外)一个吸收器、一个基板、和/或至少一个臂。该吸收器和/或该至少一个臂可被悬吊在该基板之上。可以设想，该吸收器和/或该至少一个臂可由一种超点阵量子阱基于热电的材料构成。此类构成可使该吸收器及该至少一个臂能够实现增强的塞贝克(Seebeck)效应、低电阻率、和充分的导热性。这些方面可以改善探测器性能。还可以设想，该吸收器和/或该臂可由(但不限于)各种硅基介电材料(如氮化硅和/或二氧化硅)封装。带硅基介电材料的这些超点阵量子阱热电材料的封装可以应力补偿该探测器并且可以增强该探测器的结构完整性，而该吸收器和/或该至少一个臂被悬吊在该基板之上。可以设想，本文所描述的实施例可以被用于所描述的这些以外的目的，并且本文中可能指出的挑战并不旨在成为可以由本发明的实施例克服的挑战的详尽列表。本文中可能描述的此类挑战是用于说明的目的，并且出于简洁的目的，没有描述本发明的各种实施例可以克服的所有挑战。而且，可以设想，本文中所描述的实施例可以提供任意数量的结果并且所指出的这些并不旨在成为可以被实现的详尽列表。本文所披露的此类结果是用于说明的目的，并且同样出于简洁的目的，没有描述本发明的实施例实现的所有这些结果。此夕卜，本文中所提供的示例是为了说明的目的而披露的，并不旨在成为能够被实现的示例的一个详尽列表，并且并不旨在以任何方式对本发明的实施例的范围进行限制。图1描绘了根据本发明的一个实施例的热探测器(或传感器)10。该探测器10可以是安排在包括一个透镜13的摄像机11内的一个MXN阵列18中的众多中的一个。该摄像机11通常被配置成捕获一个场景的图像。每个探测器10被配置成从一个场景吸收IR辐射并且基于接收自该场 景的能量的量改变其电压势。在每个探测器10之下放置一个读出集成电路(ROIC) 19 (或读出电路)。该R0IC19可为每个探测器10电输出该电压势。每个探测器10可以被微型机制(micro-machined)在该R0IC19的顶部。本文中所披露的实施例可被纳入在一个探测器中，该探测器是在2010年3月23日提交的名为“红外探测器(INFRARED DETECTOR)” 的共同未决的申请序列号 PCT/US2010/028293 (“ ' 293 申请”)中提出的，该申请通过引用以其整体结合于此。该探测器10通常被安排为一个微型桥。该探测器10可以形成为一个热电堆。虽然如上文所提到的探测器10可被用来捕获摄像机中一个场景的图像，还可以进一步设想为，该探测器10可被用来感应来自一个光源(或场景)的热能，如直接或间接地接收自太阳的热能。该探测器10响应于该热能提供一个电压输出，用于提供电能来驱动另一个装置，或用于在一个存储装置(例如电池或其他合适的机构)上存储电能。该探测器10包括一个吸收器12、一个第一臂14、一个第二臂15、及一个基板16。该吸收器12、该第一臂14、及该第二臂15可包括热电材料并且可由下面将要详细描述的超点阵量子讲材料构成。该基板16可包括(但不限于)一个单晶娃片或一个娃片。该基板16可被连接到该R0IC19。该吸收器12、该第一臂14、及该第二臂15通常被悬吊在该R0IC19之上。该第一臂14被放置在该吸收器12旁边并且如果需要可以沿着(附着或不附着)该吸收器12的一个第一侧18延伸，并在一个终端20终止。一个接线柱22被耦合到该第一臂14的该终端20。

该R0IC19的一个输入焊盘24接收该接线柱22。该接线柱22提供了一个从该吸收器12到该R0IC19的电连接。以类似的方式，该第二臂15被放置在该吸收器12旁边并且如果需要可以沿着(附着或不附着)该吸收器12的一个第二侧26延伸，并在一个终端28终止。一个接线柱30被连接到该第二臂16的该终端28。该R0IC19的一个输入焊盘32接收该接线柱30。该接线柱30提供了一个从该吸收器12到该R0IC19的电连接。一般情况下，接线柱22和30彼此合作，以支撑该基板16之上的该吸收器12、该第一臂14和该第二臂15 (例如，在该基板16之上悬吊该吸收器12、该第一臂14和该第二臂15)。该吸收器12通常被配置成接收(或吸收)来自一个场景的IR辐射并且响应于其而改变温度。该探测器10可以基于接收自该场景的辐射的量改变其电压势。在该吸收器12与该R0IC19之间放置一个反射器17。该反射器17可以提高该吸收器12吸收该IR辐射的能力。可以从该吸收器12水平地移动该第一臂14及该第二臂15的位置，以热隔离该吸收器12。可能令人希望的是降低热传导以提高探测器10性能。此外，可以从该基板16垂直地移动该吸收器12、该第一臂14及该第二臂15的位置并且在它们之间定义一个分离间隙34 (或空腔)用于将一个探测器从放置在该阵列内的附加探测器热隔离。该探测器10可以包括一侧上的P型材料和另一侧上的N型材料。例如，该吸收器12可被认为包括一个第一部分36、一个第二部分38、和一个有源区40。该第一臂14和该第一部分36可由P型材料构成。该第二臂15和该第二部分38可由N型材料构成。该有源区40将基于P型的元件(第一臂14和该第一部分36)电耦合到基于N型的元件(第二臂15和该第二部分38)。图2描绘了根据本发明的另一个实施例的热探测器10'。该探测器10'可以是安排在包括一个透镜13的摄像机11内的一个MXN阵列18中的众多中的一个。该探测器10'通常类似于图1的探测器10,但是表面微型机制的(surface-micro-machined)。该探测器10'被配置成从一个场景吸收IR辐射并且基于接收自该场景的能量的量改变其电压势。在该探测器10'的每一侧上形成了一个电连接21用于为一个读出电路(未示出)提供来自其的电输出。该探测器1(V还可作为该，293申请中提出的探测器被纳入。该探测器10'包括该吸收器、第一臂14、该第二臂15及该基板16。该吸收器12、该第一臂14、及该第二臂15可包括热电材料并且由下面将要详细描述的超点阵量子阱材料构成。该基板16可包括(但不限于)一个单晶硅片或硅片。该吸收器12、该第一臂14、及该第二臂15通常被放置(或悬吊)在空腔25 (见图3)之上。以与上文所述类似的方式，如果需要的话，该第一臂14可沿着(附着或不附着)该吸收器12的该第一侧18延伸，并达到该电连接21。如果需要的话，该第二臂16可沿着(附着或不附着)该吸收器12的该第二侧26延伸，并达到该电连接21。图3描绘了根据本发明的另一个实施例的热探测器10"。该探测器10"通常包括该吸收器12并且可作为一个单一的探测器放置来用于热感应应用。该探测器10"可以是大块微型机制的(bulk micro-machined)ο在此配置中没有臂。该吸收器12可包括热电材料并且由超点阵量子阱材料构成。该电连接21在该吸收器12的每一侧上形成用于提供来自该探测器10"的电输出。该吸收器12通常被悬吊在该空腔25之上。前面所提到的这些探测器(10、10'和/或10")以下将被指定为“10”。已知的是，实现一个包括多个臂和一个悬吊在该基板之上的吸收器的IR探测器。以这种传统方法，这些臂热隔离该吸收器，这反过来又导致从该吸收器到该基板的导热性的降低。通过降低该吸收器12与这些臂14、15之间的导热性，可以降低热传递/泄漏并且可以实现IR探测器性能的改进。这种传统方法通常用一种或多种下列材料形成热电结构(例如，这些臂和该吸收器):碲化铋、碲化锑、碲化铅、多晶硅、多晶硅锗、方钴矿、一种纳米复合材料、及一种超点阵结构，以实现低导热性。通过用一种或多种前述材料形成探测器并且通过悬吊该吸收器及这些臂，这些条件可引起该吸收器和/或这些臂翘曲或屈曲，这可能导致探测器故障。本文中所描述·的实施例认识到(除其他之外)，与一个IR传感装置一起使用的该吸收器12和/或这些臂14、15可由超点阵量子阱热电材料构成，这些材料可以使该探测器10能够实现适当的探测器性能特点。此外，本文中所披露的实施例设想用氮化硅或二氧化硅封装该吸收器12和/或这些臂14、15的超点阵量子阱材料。用硅基材料对该吸收器12和/或这些臂14、15的封装可以补偿或均衡在超点阵量子阱材料沉积的过程中感应的应力，并增加该探测器10的机械强度，而该探测器10的部分被悬吊在该R0IC16之上。通过增加该探测器10的机械强度并且通过应力补偿该探测器10，该探测器10的翘曲或屈曲可被最小化或完全消除。这些实施例进一步认识到该探测器10的该吸收器12、该第一臂14、及该第二臂15可由超点阵(例如硅/硅锗(Si/SixGei_x)，其中X可以是一个整数或一个非整数(以下“Si/SiGe”))量子阱热电材料构成。该第一臂14及该第一部分36可由P型超点阵量子阱热电材料形成。该第二臂15及该第二部分38可由N型超点阵量子阱热电材料形成。通过利用一个包括该吸收器12和/或臂14、15的超点阵量子阱热电堆10，此类条件最小化了从该吸收器12穿过这些臂14、15到基板16和/或到放置在该吸收器12附近的任何装置的热损失，由此将该吸收器12从一个周围的装置热隔离。当来自一个场景的IR加热该吸收器12时，该探测器10生成一个与该吸收器12与该基板16之间的温度差成比例的输出电压。相应地，如果该吸收器12由含有高热传导的材料形成，探测器性能可能会由于来自该吸收器12的热能的泄漏而受到不利影响。由于该超点阵量子阱材料提供了一种低导热性，可以在该吸收器12处实现适当的热隔离，由此改善探测器性能。另外，超点阵量子阱材料还提供了高塞贝克系数和高导电性，其使该探测器10能够提供一个带高信噪比的输出电压，该输出电压提供了该吸收器12感应到的该IR辐射的量的高保真表示。通常，该探测器10可能不提供电流。然而，在一些实施例中，该探测器10能够提供毫安范围内的电流。虽然已知传统的IR探测器包括碲化铋、碲化锑、碲化铅、多晶硅、多晶硅锗、方钴矿、一种纳米复合材料、及一个超点阵结构作为为一个悬吊的吸收器和/或悬吊的臂实现低导热性的一种手段(即，减少来自该探测器的热损耗或热传递)，此类材料可能无法提供足够的机械支撑，或不能正确地进行应力补偿。可以看出(如下所示)，在探测器10中使用超点阵量子阱热电材料可提供适当的导热性，并可以作为传统探测器中的材料种类的替换。一般情况下，为了从热电堆探测器10获得大的响应，从该探测器10 (例如吸收器12和/或这些臂14、15)到该热地平面(例如该基板16之内)的导热性Gk应该要小。因此，该热电堆材料的导热性应该尽可能地小。最后，可能令人期望的是该探测器10内的材料有(a)高塞贝克系数以及(b)高导电性。由η型和P型材料制成的热电堆的品质因数定义如下:
权利要求
1.一种红外(IR)传感器,包括: 一个热电堆，包括: 一个基板；以及 一个吸收器，该吸收器放置在该基板之上并且形成其间隙，该吸收器用于接收来自一个场景的IR并且用于生成一个指示该场景温度的电输出，该吸收器由一个超点阵量子阱结构构成，以便该吸收器从该基板热隔离。
2.如权利要求1所述的传感器，其中该超点阵量子阱结构包括多个交替第一层和第二层。
3.如权利要求2所述的传感器，其中该多个交替第一层和第二层的总数是8至10层。
4.如权利要求2所述的传感器，其中这些第一层中的每一层包括硅并且这些第二层中的每一层包括娃锗。
5.如权利要求2所述的传感器，进一步包括一个第一封装层和一个第二封装层，该多个交替第一和第二层放置在该第一封装层与该第二封装层之间，用于支撑该间隙之上的该吸收器。
6.如权利要求5所述的传感器，其中该第一及该第二封装层中的每一个包括氮化硅及二氧化硅的其中一个。
7.如权利要求1所述·的传感器，进一步包括一个放置在该吸收器的一个第一侧上的第一臂，以及一个放置在该吸收器的一个第二侧上的第二臂，其中该第一臂及该第二臂各自由该超点阵量子阱结构构成，以便该吸收器被该第一臂及该第二臂热隔离。
8.如权利要求7所述的传感器，其中该超点阵量子阱结构包括硅和硅锗的多个交替层。
9.如权利要求8所述的传感器，其中该第一臂及该第二臂中的该硅锗是η型掺杂和P型掺杂的其中一种，并且其中该硅锗的掺杂浓度是在5X IO18与5Χ IO19原子/立方厘米之间。
10.如权利要求8所述的传感器，其中每一层的硅和硅锗具有通常100埃的厚度。
11.如权利要求8所述的传感器，其中该硅和硅锗的多个交替层具有通常1000埃的总厚度。
12.如权利要求8所述的传感器，其中该硅和硅锗的多个交替层被氮化硅及二氧化硅的其中之一的一个第一层以及氮化硅及二氧化硅的其中之一的一个第二层封装，以应力补偿该多个交替层。
13.如权利要求12所述的传感器，其中该第一层具有在该硅和硅锗的多个交替层的总厚度的10%至100%的范围内的厚度。
14.一种红外(IR)传感器,包括: 一个热电堆，包括: 一个基板；以及 一个悬吊在该基板周围的吸收器，该吸收器用于接收来自一个场景的IR并且用于生成一个指示该场景温度的电输出，该吸收器由一个超点阵量子阱结构构成，以将该吸收器从该基板热隔离并提高该传感器的导电性。
15.如权利要求14所述的传感器，其中该超点阵量子阱结构包括多个交替第一层和第二层。
16.如权利要求15所述的传感器，其中该多个交替第一和第二层放置在一个第一封装层与一个第二封装层之间，以应力补偿该多个交替第一和第二层。
17.如权利要求16所述的传感器，其中该第一封装层及该第二封装层中的每一个包括氮化硅及二氧化硅的其中一个。
18.如权利要求15所述的传感器，其中这些第一层中的每一层包括硅并且这些第二层中的每一层包括娃锗。
19.如权利要求18所述的传感器，其中这些第一层硅包括总共4至5层的硅，并且这些第二层硅锗包括总共4至5层的硅锗。
20.如权利要求14所述的传感器，进一步包括放置在该吸收器的一侧上的一个臂，该臂由该超点阵量子阱结构构成。
21.一种用于形成红外(IR)传感器的方法，该方法包括: 形成一个基板； 用具有超点阵量子阱结构的多个交替第一和第二层形成一个吸收器，以及 将该吸收器放置在该基板周围，以便形成一个间隙以使该吸收器悬吊在该基板周围。
22.如权利要求21所述的传感器，进一步包括: 用该超点阵量子阱结构 在带有该多个交替第一和第二层的该吸收器的一侧上形成一个臂；以及 将该臂放置在该基板之上。
23.如权利要求21所述的传感器，其中这些第一层中的每一层包括硅并且这些第二层中的每一层包括娃锗。
24.如权利要求21所述的传感器，进一步包括: 在该多个交替第一和第二层之上形成一个第一封装层；以及 在该多个交替第一和第二层之下形成一个第二封装层，该第一和第二封装层使得该吸收器能够被悬吊在该基板之上。
25.如权利要求24所述的传感器，其中该第一封装层及该第二封装层中的每一个包括氮化硅及二氧化硅的其中一个。
全文摘要
在至少一个实施例中，提供了一种包括热电堆的红外(IR)传感器。该热电堆包括一个基板和一个吸收器。该吸收器放置在该基板之上，并且在该吸收器与该基板之间形成了一个间隙。该吸收器接收来自一个场景的IR并且生成一个指示该场景温度的电输出。该吸收器是由一个超点阵量子阱结构构成的，以便该吸收器从该基板热隔离。在另一个实施例中，提供了一种用于形成一个红外(IR)探测器的方法。该方法包括形成一个基板并且用带超点阵量子阱结构的多个交替第一和第二层形成一个吸收器。该方法进一步包括在该基板周围放置该吸收器，以便形成一个间隙以使该吸收器悬吊在该基板周围。
文档编号G01J5/20GK103238049SQ201180057683
公开日2013年8月7日 申请日期2011年10月7日 优先权日2010年10月11日
发明者大卫·科瑞斯考斯基 申请人:Ud控股有限责任公司