一种自加热的MEMS红外光源及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体光电元器件技术领域，特别涉及一种自加热的MEMS红外光源及其制备方法。

背景技术

利用微机电系统(MEMS)技术制作的MEMS红外光源是一种新型的热辐射红外光源，具有电光转换效率高、体积小、能耗低等特点，同时光谱很容易覆盖2-20微米范围，还具有较快的调制频率，已经被广泛应用于红外传感领域，成为红外光源的趋势性技术。

常规结构的MEMS红外光源一般包括衬底，在衬底上设有发热电极层以及红外发射层等。通过给发热电极层通电产生焦耳热，使发热电极层升温至预设的工作温度(通常在600-700℃)，发热电极层及其上的红外发射层在工作温度条件下会产生特定发射波长和辐射量的红外辐射。衬底在MEMS红外光源发光过程中会与发热电极层之间发生热传递，从而造成热损失，进而提高MEMS红外光源的功耗，降低MEMS红外光源的电光转换效率。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种自加热的MEMS红外光源及其制备方法，以达到降低MEMS红外光源功耗、提高MEMS红外光源的工作温度，提高MEMS红外光源的响应速率、辐射效率和工作稳定性的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种自加热的MEMS红外光源，包括由下到上依次设置的硅衬底、第一氧化层、自加热层、第二氧化层、加热电阻层和电极层，所述加热电阻层通过金属剥离工艺形成图形化的电阻结构，电阻结构包括位于中心的加热区域和两端延伸的焊盘区域；所述电极层位于焊盘区域，所述硅衬底背面通过刻蚀形成贯穿硅衬底的背洞区域。

上述方案中，所述自加热层为硼掺杂单晶硅。

上述方案中，所述第一氧化层和第二氧化层为二氧化硅。

上述方案中，所述加热电阻层为铂金材质。

上述方案中，所述电极层为金。

上述方案中，所述加热区域的电阻结构为螺旋形，所述焊盘区域的电阻结构为长方形。

一种如上所述的自加热的MEMS红外光源的制备方法，包括如下步骤：

S1、选用一张SOI晶圆；

S2、对SOI晶圆的上层硅使用掺杂技术进行硼离子掺杂，形成自加热层；

S3、在自加热层上沉积一层二氧化硅氧化层；

S4、在氧化层上方沉积加热电阻层，并通过金属剥离工艺形成图形化的电阻结构，包括位于中心的加热区域和两端延伸的焊盘区域；

S5、在加热电阻层上方沉积电极层，并通过金属剥离工艺形成位于焊盘区域上方的电极结构；

S6、对硅衬底背面进行刻蚀，形成贯穿硅衬底的背洞区域。

上述方案中，步骤S2中，使用的掺杂技术为离子注入方法。

上述方案中，步骤S3中，使用的沉积技术为PECVD方法。

上述方案中，步骤S4和步骤S5中，使用电子束蒸镀或者溅射工艺沉积加热电阻层和电极层，步骤S6中，采用DRIE干法刻蚀技术进行刻蚀。

通过上述技术方案，本发明提供的一种自加热的MEMS红外光源及其制备方法具有如下

有益效果：

本发明通过对晶圆上层的单晶硅进行硼掺杂改性，使其实现反向红外辐射吸收作用，当自由载流子吸收到光子的能量，使自由载流子从低能级跃迁到高能级，这种吸收称为自由载流子吸收，表现为红外吸收。当载流子再次跃迁回低能级时，就会释放出热量。这样反复循环就会达到热量储存的目的。

硅衬底形成的背洞区域能够减少向硅衬底的热量传输，形成了悬浮式的自加热薄膜结构，这种自加热薄膜结构具有低传热速率的性能，实现发光薄膜背向红外辐射的自吸收、达到热量储存目的。从而可以有效降低红外光源的能量损耗，提高电光转化效率，显著提高MEMS红外光源的性能，降低MEMS红外光源的功耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明实施例所公开的一种自加热的MEMS红外光源正视剖面图；

图2为本发明实施例所公开的一种自加热的MEMS红外光源俯视图。

图中，1、硅衬底；2、第一氧化层；3、自加热层；4、第二氧化层；5、加热电阻层；6、电极层；7、背洞区域。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供了一种自加热的MEMS红外光源，如图1所示，包括由下到上依次设置的硅衬底1、第一氧化层2、自加热层3、第二氧化层4、加热电阻层5和电极层6，加热电阻层5通过金属剥离工艺形成图形化的电阻结构，如图2所示，电阻结构包括位于中心的加热区域和两端延伸的焊盘区域；电极层6位于焊盘区域，硅衬底1背面通过刻蚀形成贯穿硅衬底1的背洞区域7。

本实施例中，自加热层3为硼掺杂单晶硅。

具体的，第一氧化层2和第二氧化层4为二氧化硅，第一氧化层2为SOI晶圆自带的结构，选用这种晶圆的好处就是可以实现集成电路中元器件的介质隔离，彻底消除了体硅中的寄生闩锁效应。第二氧化层4可以起到绝缘的作用。

本实施例中，加热电阻层5为铂金材质，电极层6为金。

本实施例中，加热区域的电阻结构为螺旋形，焊盘区域的电阻结构为长方形。

一种如上的自加热的MEMS红外光源的制备方法，包括如下步骤：

S1、选用一张SOI晶圆；

S2、对SOI晶圆的上层硅使用离子注入方法进行硼离子掺杂，形成自加热层3；

S3、在自加热层3上使用PECVD方法沉积一层二氧化硅氧化层；

S4、在氧化层上方使用电子束蒸镀或者溅射工艺沉积加热电阻层5，并通过金属剥离工艺形成图形化的电阻结构，包括位于中心的加热区域和两端延伸的焊盘区域；

S5、在加热电阻层5上方使用电子束蒸镀或者溅射工艺沉积电极层6，并通过金属剥离工艺形成位于焊盘区域上方的电极结构；

S6、采用DRIE干法刻蚀技术对硅衬底1背面进行刻蚀，形成贯穿硅衬底1的背洞区域7。

如上，本发明的MEMS红外光源基于热辐射原理，具有体积小、功耗低、调制频率高、波长范围宽、寿命长等特点。随着纳米技术及纳米结构与传感器的集成逐渐成为关注的热点，本发明创新性地制备了具备自加热功能的悬浮薄膜结构，该悬浮薄膜结构包括第一氧化层2、自加热层3和第二氧化层4，这种结构降低了热量损失，大大减少了加热电阻层5向硅衬底1的传热，降低了光源的功耗，悬浮薄膜在高温下的热应力得到释放，使悬浮薄膜不易破碎，使光源更加稳定，寿命更长。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。