基于CMOS工艺的横向多晶硅p+p-n+结红外微测辐射热计

引言

在过去十几年里,非制冷红外焦平面探测器在许多领域得到了广泛的应用[1],主要包括微测辐射热计、热释电探测器和热电堆3种,由于微测辐射热计的响应率远高于热电堆,在制作上较热释电探测器容易、而且易于跟CMOS读出电路集成,所以微测辐射热计受到了各国的高度重视.

目前研制开发的微测辐射热计中,有热敏电阻型和p2n结型.通常热敏电阻微测辐射热计采用表面微机械工艺制作的微桥结构.虽然普遍使用的氧化钒热敏薄膜具有-2~-3% K-1的电阻温度系数,但并不是IC工艺所使用的标准材料,所以这种薄膜材料制作的探测器成本较高.日本三菱公司于1999年研制出单晶硅p2n结微测辐射热计,这种设计新颖的探测器是应用SOI材料研制开发的[2].然而目前SOI材料的CMOS工艺并不普遍,所以这种探测器的成本难以降低.为了研制低成本的非制冷红外焦平面,我们提出采用多晶硅p2n结作为热敏元的微测辐射热计研制方案:首先采用标准的CMOS工艺制作横向多晶硅p+p-n+结和读出电路,再辅以体硅微机械加工技术制作微桥形式的热绝缘结构-微测辐射热计;由于在CMOS工艺完成后,不需要任何光刻和淀积等工艺,所以其成本仅相当于加工CMOS读出电路的费用.

1　多晶硅p2n结正向电压的温度特性

在恒定偏置电流条件下,单晶硅p2n结的正向压降与结温呈现线性变化;利用这一温度特性,制作的温度传感器已经得到广泛的应用.对于多晶硅p2n结来说,也具有与单晶硅p2n结相似的温度特性[3].Greve[4]和Abdelbaki[5]等人研究表明,多晶硅pn结的正、反向电流主要是由空间电荷区内的复合和产生电流构成,这点不同与单晶硅pn结二极管.在多晶硅p2n结的空间电荷区内,陷阱发射和俘获电子强烈依赖于电场强度,根据Greve[4]和Ab2delbaki[5]等人提出的多晶硅p2n结电流-电压理论模型和数值分析模型,正向电流-电压关系可具体表示为:

其中:A为p2n结截面积,k0为玻耳兹曼常数;q为电子的电荷电量,Fm为p2n结内最大电场强度;Nt为多晶硅晶粒间界陷阱态浓度; ni为本征载流子浓度,σ为载流子复合中心的有效俘获截面;是载流子热运动速度,m*为载流子有效质量,L为晶粒长度; F0和n为拟合参数;WF是空间电荷区的载流子有效复合宽度.

忽略温度对拟合参数F0和n的影响,同时忽略微小正向压降变化对空间电荷区载流子有效复合宽度WF和p2n结内最大电场Fm的影响,则在固定正向偏流IFR不变的情况下,正向压降VF随温度的变化率可表示为:

由上式可知,在正向偏置电流一定的情况下,正向压降的温度变化率是温度和正向电压的函数;这样在某一温度附近,正向压降的温度变化率可近似认为是正向电压的函数.根据上式,在一定温度下,可以得到正向电压的温度变化率与正向电压的关系曲线,如图1所示.由图可以看出,在正向电压在0. 2V附近,其温度变化率最大,高达2. 5mV/K,并随着正向电压的进一步增大,温度变化率而单调减小.