[发明专利]高电阻温度系数硅基超晶格半导体薄膜的设计方法

说明书

高电阻温度系数硅基超晶格半导体薄膜的设计方法，包括如下步骤：S1、基于载流子浓度和迁移率理论，以能带分布为桥梁，开展超晶格结构热敏特性研究，建立电导率与温度之间的定量关系；S2、开展金属半导体热敏特性研究，结合S1中研究内容结果，分析不同的金属半导体接触对整体结构TCR的影响；S3、分析在偏置电压下能级能带的变化以及对结构TCR的影响；通过MEMS工艺，形成稳定的工艺方法制备所设计的金属半导体接触结构；通过不同条件下的电压‑电流测试曲线验证所建立的物理模型，形成高TCR超晶格结构实现方法。本发明研究硅基超晶格结构热敏特性的共性机理问题，形成高TCR超晶格材料与金属半导体接触设计方法，实现TCR更高的热敏材料。

技术领域

本发明涉及材料设计技术领域，尤其涉及高电阻温度系数硅基超晶格半导体薄膜的设计方法。

背景技术

非制冷红外成像是指工作在常温下，不需要制冷设备(制冷型红外成像属于光子型探测器，需要工作在液氮环境下，以抑制暗电流噪声)的成像技术。工作波段一般为8-12μm，为常温物体直接辐射波段。区别于制冷型红外探测器，非制冷型红外探测器不需要携带液氮罐，工作在常温环境，具有体积小、重量轻、造价低的特点，在单兵夜视、战术武器末端制导方面都有重要的应用价值。

当红外信号辐射到阵列上，引起阵列像元温度升高，导致热敏材料的电阻发生变化。这个过程就是将红外信号转化为电信号的过程。电阻变化效率定义为电阻温度系数α(TCR，Temperature Coefficient of Resistance)。在非制冷红外成像过程中，电信号探测率可以表述为

其中，R为像元电阻，G为像元热导，Vb为偏置电压，Tint和Cint分别为积分时间和积分电容。式(1-1)表明，像元探测率正比于像元的TCR。提高热敏材料的电阻温度系数(TCR)是提高非制冷红外探测性能最直接的途径。

应用于非制冷红外成像的传统热敏材料有两类，分别为氧化钒、非晶硅材料，现有对传统热敏材料的研究方法不能获得较高的TCR值。

发明内容

本发明目的是针对背景技术中存在的问题，本发明提出高电阻温度系数硅基超晶格半导体薄膜的设计方法，包括如下步骤：

S1、基于载流子浓度和迁移率理论，以能带分布为桥梁，开展超晶格结构热敏特性研究，建立电导率与温度之间的定量关系；

S2、开展金属半导体热敏特性研究，结合S1中研究内容结果，分析不同的金属半导体接触对整体结构TCR的影响；

S3、分析在偏置电压下能级能带的变化以及对结构TCR的影响；通过MEMS工艺，形成稳定的工艺方法制备所设计的金属半导体接触结构；通过不同条件下的电压-电流测试曲线验证所建立的物理模型，形成高TCR超晶格结构实现方法。

优选的，S1中，开展超晶格结构能级能带分布研究，计算特定掺杂浓度条件下费米能级、重空穴能级以及势垒高度，进一步获得超晶格结构内载流子浓度分布；通过霍尔效应实验，测定样品在不同温度下的空穴迁移率；结合载流子浓度及迁移率关系，建立宏观电导率与温度之间的数学关系，并通过不同温度下的电压-电流曲线验证模型的正确性。

优选的，S2中，在焦平面阵列像元中，必须在热敏材料两端沉积金属电极将信号读出；金属与半导体之间接触存在欧姆接触和肖特基势垒两种状态；形成肖特基接触的影响因素有两点，一是肖特基势垒自身具备电阻温度效应，二是肖特基势垒对超晶格结构的能带产生影响，使得结构具有TCR增强的效应；

当硅表面的掺杂(硼或者磷)浓度达不到1×10¹⁸cm^-3时，隧穿现象不明显，金属-半导体之间形成肖特基势垒，肖特基势垒具有正反电流-电压不对称的特点，电流密度为：