專利名稱：鐵電紅外探測器及其操作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種鐵電紅外探測器及其一種操作方法，更具體地說，涉及一種使用把鐵電材料層用作柵絕緣層的場效應晶體管(FET)的鐵電紅外探測器、及其一種操作方法。
作為利用熱電電荷材料的典型裝置，有用來主要檢測光和熱的傳感器，如紅外望遠鏡和熱傳感器。傳感器的工作原理是，通過檢測熱電電荷材料接收光或熱并因而引起熱電電荷材料的溫度變化時產生的電荷，測量輸入光或熱的強度。傳感器通常以電容器的形式制造，以測量兩個電極之間的電壓。裝置的檢測功能依據其結構、形狀、或材料性能確定，并且測量和優(yōu)化所謂的品質因數的數值，以估計以上性能。然而，由于材料性能彼此補償，所以難以優(yōu)化品質因數。例如，有一種是熱檢測傳感器類型的熱電紅外探測器。熱電紅外探測器最重要的因數是與電壓響應性和電流響應性成正比的探測能力。各響應性與熱電電荷材料的自發(fā)極化量成反比。然而，在大多數情況下，自然極化較大時，介電常數增大。于是，通過補償效應難以提高靈敏度，這限制了材料的選擇。
為了解決以上問題，本發(fā)明的目的在于提供一種呈現(xiàn)優(yōu)良檢測靈敏度的紅外探測器及其一種操作方法。
于是，為了實現(xiàn)以上目的，這里提供了一種紅外探測器，該紅外探測器包括一個帶有形成在其上的一個溝道的晶體管襯底；一個沉積在溝道上的鐵電層；一個沉積在鐵電層上的電極；一個沉積在電極上的紅外吸收層；及一個絕緣層，用來把順序沉積的鐵電層、電極和紅外吸收層的邊緣側，同形成在溝道任一側處的攙雜區(qū)域上的晶體管電極絕緣開。
在本發(fā)明中，最好紅外吸收層能具有直接接觸鐵電層的區(qū)域。
而且，為了實現(xiàn)以上目的，提供了一種操作紅外探測器的方法，該紅外探測器帶有一個鐵電層、一個電極、及一個沉積在其上形成一個溝道的半導體襯底上的紅外吸收層，該方法包括把預定電壓加在電極與溝道之間的步驟。
根據本發(fā)明的另一個最佳實施例，這里提供了一種紅外探測器，該紅外探測器包括一個帶有形成在其上的一個溝道的晶體管襯底；一個沉積在溝道上的介電層；一個沉積在介電層上的下電極；一個沉積在下電極上的鐵電層；一個沉積在鐵電層上的上電極；一個沉積在上電極上的紅外吸收層；及一個絕緣層，用來把順序沉積的鐵電層、電極和紅外吸收層的邊緣側，同形成在溝道任一側處的攙雜區(qū)域上的晶體管電極絕緣開。
在本實施例中，最好紅外吸收層能具有直接接觸鐵電層的區(qū)域。
而且，為了實現(xiàn)以上目的，根據本發(fā)明的另一個最佳實施例，提供了一種操作紅外探測器的方法，該紅外探測器帶有一個介電層、一個下電極、一個鐵電層、一個上電極、及一個沉積在其上形成一個溝道的半導體襯底上的紅外吸收層，該方法包括把預定DC偏置電壓加在電極與溝道之間的步驟。
通過參照附圖對本發(fā)明最佳實施例的詳細描述，本發(fā)明的以上目的和優(yōu)點將變得更明白，在附圖中

圖1A至1C表明根據本發(fā)明的一種金屬鐵電半導體(MFS)型紅外探測器，其中圖1A是部分表面電極紅外探測器的剖視圖，圖1B是完全表面電極紅外探測器的剖視圖，及圖1C是邊緣表面電極紅外探測器的剖視圖；圖2A至2C表明根據本發(fā)明的一種金屬鐵電金屬絕緣體(介電或順電的)半導體(MFMIS)型紅外探測器，其中圖2A是部分表面電極紅外探測器的剖視圖，圖2B是完全表面電極紅外探測器的剖視圖，及圖2C是邊緣表面電極紅外探測器的剖視圖；圖3A至3C用來表示圖1A中所示的根據本發(fā)明的MFS型紅外探測器的操作狀態(tài)，其中圖3A表示正常狀態(tài)，圖3B表示當施加紅外線時的操作狀態(tài)，及圖3C表示其中由紅外線吸收造成的鐵電層中的磁疇變化此后消失(易失)的正常狀態(tài)；圖4A至4C用來表示圖2A中所示的根據本發(fā)明的MFMIS型紅外探測器的操作狀態(tài)，其中圖4A表示正常狀態(tài)，圖4B表示當施加紅外線時的操作狀態(tài)，及圖4C表示其中由紅外線吸收造成的鐵電層中的磁疇變化此后消失(易失)的正常狀態(tài)；及圖5A至5C分別表明具有從圖2A至2C的MFMIS型紅外探測器消除金屬層的結構的紅外探測器。
在本發(fā)明中，提出了另一種不同于常規(guī)概念同時減小上述補償變量的檢測方法。即，本發(fā)明公開了一種用MOS晶體管檢測熱電荷的紅外探測器。
作為使用MOS晶體管的紅外探測器的第一最佳實施例，一種金屬鐵電半導體(MFS)型紅外探測器表示在圖1A至1C中。這里，圖1A是部分表面電極紅外探測器的剖視圖，圖1B是完全表面電極紅外探測器的剖視圖，及圖1C是邊緣表面電極紅外探測器的剖視圖。圖2A至2C表示作為使用MOS晶體管的紅外探測器的第二最佳實施例的一種金屬鐵電金屬絕緣體(介電或順電的)半導體(MFMIS)型紅外探測器。這里，圖2A是部分表面電極紅外探測器的剖視圖，圖2B是完全表面電極紅外探測器的剖視圖，及圖2C是邊緣表面電極紅外探測器的剖視圖。
MFS型和MFMIS型紅外探測器帶有連接到常規(guī)晶體管鐵電存儲器上的IR(紅外)吸收層。而且，盡管常規(guī)熱電探測器除鐵電材料外能使用熱電材料，但使用本發(fā)明的MOS晶體管的紅外探測器限于鐵電材料。
在MFS型紅外探測器中，如圖1A至1C中所示，一個鐵電層3、一個電極2、及一個IR吸收層1順序沉積在一種半導體溝道結構8上，并且一個用來把以上沉積結構同晶體管電極(源和漏電極)絕緣開的絕緣層6形成在沉積結構與晶體管的電極之間。在MFMIS型紅外探測器中，如圖2A至2C中所示，一個介電層15、一個下電極14、一個鐵電層13、一個上電極12、及一個IR吸收層11順序沉積在一種半導體溝道結構18上，并且一個用來把以上沉積結構同晶體管電極(源或漏電極)絕緣開的絕緣層16形成在沉積結構與晶體管的電極之間。
在具有以上結構的MFS型和MFMIS型紅外探測器中，有一種部分表面電極結構，其中電極2和上電極12稍微暴露，并且沉積IR吸收層1和11；有一種完全表面電極結構，其中電極2和上電極12完全由IR吸收層1和11覆蓋著，并且暴露IR吸收層1和11；及有一種邊緣電極結構，其中鐵電層3和13由熱電電荷材料的IR吸收層1和11覆蓋著。盡管邊緣電極結構呈現(xiàn)較高的紅外吸收速率，但其制造與部分和完全表面電極結構相比可能比較困難。
圖3A至3C用來解釋MFS型紅外探測器的操作狀態(tài)(紅外線檢測的原理)。如圖3A中所示，在正常狀態(tài)下，一個預定電壓施加在鐵電層的兩端之間，即電極與溝道之間，以在一個方向極化鐵電層。這里，感應出溝道電荷以相對于鐵電磁疇保持平衡。電荷稱作實際對應于約束電荷的感應電荷。如圖3B中所示，當輸入紅外線時，鐵電層3的溫度變化，并且隨著發(fā)射熱電荷，溝道8的電荷量變化。因而，流經溝道8的電流量變化，從而晶體管檢測到紅外線的輸入。紅外線的強度變化由流經溝道8的電流量變化來指示。在紅外線照射之后，紅外探測器返回正常狀態(tài)，并且溝道8的狀態(tài)返回初始狀態(tài)。即，MFS型紅外探測器在特性上成為易失的。
圖4A至4C用來解釋MFMIS型紅外探測器的操作狀態(tài)(紅外線檢測的原理)。如圖4A中所示，在正常狀態(tài)下，一個預定電壓施加在上電極12與Si溝道18之間，以在一個方向極化鐵電材料。通過這樣做，如上述的那樣，在溝道中感應出電荷，以相對于鐵電磁疇保持平衡。然后，當輸入紅外線時，如圖4B中所示，鐵電層13的溫度變化，并且隨著發(fā)射熱電荷，溝道18中的電荷量變化。如圖4C中所示，由于在輸入紅外線之后感應出感應電荷，并因而在作為插入層的下電極14中形成約束電荷，所以如果紅外探測器返回正常狀態(tài)，則溝道18中的感應電荷不返回初始狀態(tài)。
圖5A至5C分別表明具有從圖2A至2C所示的第二最佳實施例的MFMIS型紅外探測器中消除金屬層的結構的紅外探測器。在把鐵電層直接堆積在絕緣(介電)層上時不出現(xiàn)問題的情況下，能構造這些紅外探測器。
如上所述，由于根據本發(fā)明使用MOS晶體管的紅外探測器，通過熱電荷效應檢測流經鐵電FET(場效應晶體管)溝道的電流，所以需要僅考慮電流響應性，而不考慮電壓響應性，使所用的材料的選擇更容易。盡管優(yōu)點當然在于熱電荷材料族比鐵電材料族寬，但一般地說，大多數優(yōu)良的熱電荷材料屬于鐵電材料。
而且，常規(guī)紅外探測器測量上和下電極之間的電壓差或電流，從而熱電荷材料本身的電容成為減小響應性的一個因素。相反，在根據本發(fā)明使用MOS晶體管的紅外探測器中，由于測量流經溝道的電流，所以測得的電流較大，并因而響應性較高且減小了噪聲。因此，在常規(guī)紅外探測器中難以使用的鐵電材料能用于用到MOS晶體管時的該紅外探測器。
權利要求
1.一種紅外探測器，包括一個帶有形成在其上的一個溝道的晶體管襯底；一個沉積在所述溝道上的鐵電層；一個沉積在所述鐵電層上的電極；一個沉積在所述電極上的紅外吸收層；及一個絕緣層，用來把順序沉積的所述鐵電層、所述電極和所述紅外吸收層的邊緣側，同形成在所述溝道任一側處的攙雜區(qū)域上的晶體管電極絕緣開。
2.根據權利要求1所述的紅外探測器，其中所述紅外吸收層具有一個直接接觸所述鐵電層的區(qū)域。
3.根據權利要求1所述的紅外探測器，其中所述晶體管是MOS FET(場效應晶體管)。
4.根據權利要求2所述的紅外探測器，其中所述晶體管是MOS FET(場效應晶體管)。
5.一種操作紅外探測器的方法，該紅外探測器帶有一個鐵電層、一個電極、及一個沉積在其上形成一個溝道的半導體襯底上的紅外吸收層，所述方法包括把預定電壓加在所述電極與所述溝道之間的步驟。
6.一種紅外探測器，包括一個帶有形成在其上的一個溝道的晶體管襯底；一個沉積在所述溝道上的介電層；一個沉積在所述介電層上的下電極；一個沉積在所述下電極上的鐵電層；一個沉積在所述鐵電層上的上電極；一個沉積在所述上電極上的紅外吸收層；及一個絕緣層，用來把順序沉積的所述鐵電層、所述電極和所述紅外吸收層的邊緣側，同形成在所述溝道任一側處的攙雜區(qū)域上的晶體管電極絕緣開。
7.根據權利要求6所述的紅外探測器，其中所述紅外吸收層具有一個直接接觸所述鐵電層的區(qū)域。
8.根據權利要求6所述的紅外探測器，其中所述晶體管是MOS FET(場效應晶體管)。
9.根據權利要求7所述的紅外探測器，其中所述晶體管是MOS FET(場效應晶體管)。
10.一種操作紅外探測器的方法，該紅外探測器帶有一個介電層、一個下電極、一個鐵電層、一個上電極、及一個沉積在其上形成一個溝道的半導體襯底上的紅外吸收層，所述方法包括步驟把預定DC偏置電壓加在所述上電極與所述溝道之間；及檢測所述溝道的變化。
11.根據權利要求10所述的操作紅外探測器的方法，其中所述方法包括檢測所述溝道的變化的步驟，而不包括施加預定DC偏置電壓的步驟。
全文摘要
一種使用把鐵電材料層用作柵氧化層的場效應晶體管的鐵電紅外探測器、及其一種操作方法。該紅外探測器包括:一個帶有形成在其上的一個溝道的晶體管襯底;一個沉積在溝道上的鐵電層;一個沉積在鐵電層上的電極;一個沉積在電極上的紅外吸收層;及一個絕緣層,用來把順序沉積的鐵電層、電極和紅外吸收層的邊緣側,同形成在溝道任一側處的攙雜區(qū)域上的晶體管電極絕緣開。
文檔編號H01L31/00GK1260598SQ98125989
公開日2000年7月19日 申請日期1998年12月31日 優(yōu)先權日1998年12月31日
發(fā)明者柳寅敬 申請人:三星電子株式會社