三维集成1024x768像素硅基非制冷红外焦平面阵列芯片研究

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
61734004
项目类别：
重点项目
资助金额：
290.0万
负责人：
王喆垚
依托单位：
清华大学
学科分类：
F0403.半导体光电子器件与集成
结题年份：
2022
批准年份：
2017
项目状态：
已结题
起止时间：
2018-01-01 至2022-12-31

项目参与者：
伍冬；谭智敏；马清；薛兴君；周坤；熊豪；陶仁鹏；史云帆；魏鹏程；
关键词：
传感器芯片三维集成红外传感器

项目摘要

Uncooled infrared focal plane array (UIRFPA) is able to implement thermal imaging at invisible environment by measuring the infrared radiation of target objects. This capability fulfills the strong requirement for imaging at invisible environment in the fields of military and defense, aeronautics and aerospace, energy and chemistry, industrial control, internet of things, as well as many others. By taking the advantages of MEMS and three-dimensional integration technologies, this project aims at development of large scale FPA with silicon transistors as the temperature sensing device, low noise and low power consumption CMOS readout circuit, and 3D dimentional integration technology for integration of sensing array and CMOS circuit. The pixel size is no larger than 25 μm, the array scale of the UIRFPA is 1024×768, NETD of diode detector 50~150 mK, and frame frequency rate of 25 Hz.

非制冷红外焦平面阵列通过测量物体红外辐射产生的温度响应实现物体的热成像，在军事国防、航空航天、能源石化、灾害预警救助、汽车电子等领域有极为广泛的应用，是夜视成像的主流技术，具有重要的技术、经济和社会价值。本项目针对非制冷红外焦平面阵列发展的趋势，利用微电子机械系统(MEMS)技术和三维集成技术(3D)，研制三维集成的硅基非制冷红外焦平面阵列芯片。研究大规模单晶硅二极管温度探测器阵列设计与制造技术，开发低噪声低功耗CMOS读出电路技术，建立温度探测器阵列与CMOS读出电路的三维集成方法，解决设计、制造、封装和系统集成中的关键技术问题，突破小尺寸三维互连、残余应力控制等红外焦平面的技术瓶颈，实现像元规模1024×768、二极管像元NEDT=50-150mK、帧频25Hz的三维集成的硅基非制冷焦平面阵列芯片，获得具有自主知识产权的创新性研究成果，为非制冷红外焦平面阵列量产奠定技术基础。

结项摘要

温度探测器阵列能够对目标物体发出的热辐射产生温度响应和电学响应从而实现目标物体的热成像。与可见光成像不同，温度成像不受白天黑夜的限制并且具有较好的穿透能力，在安防监控、灾害预警及救援、医学诊断、电力设备检修、夜间辅助驾驶等领域均已得到了广泛的应用。..根据温度敏感元件工作原理的不同，温度成像探测器分为多种不同的种类，目前发展较为成熟的是氧化钒或非晶硅电阻、二极管、热释电这三类技术。其中，二极管温度成像探测器利用了PN结二极管在正向导通情况下电压或者电流随温度变化的特点实现热成像。由于单晶硅PN结二极管可以采用标准的生产线加工制造，尺寸缩小之后仍能保证一定的热敏特性，因此，二极管热成像探测器一致性好、噪声小，并且更具有潜力实现更小尺寸的像元。..二极管成像探测器面临的一个主要问题是探测阵列填充因子低，现有的二极管成像探测器均采用体微加工的方法将二极管下方的硅衬底刻蚀实现结构的悬空，这种实现方法导致处理电路只能分布在二极管阵列的外围，芯片总面积显著增大，二极管阵列占芯片总面积的比例普遍小于50%，严重限制了大规模探测器阵列的发展。..本项目首次采用三维集成技术实现了二极管成像探测器。二极管传感器和处理电路分别制造在SOI硅片和CMOS硅片上，通过键合、刻蚀、金属键合等工艺将传感器阵列悬空支撑在处理电路的上方，实现三维集成结构。这种方案一方面能够解决目前二极管热成像探测器面临的阵列填充因子低的问题，另一方面能够分别选用优化的工艺完成两个芯片的制造，避免了相互的干扰和限制。..本项目在探测器器件及焦平面阵列设计与制造、热吸收结构设计、三维集成技术、CMOS信号处理电路、圆片级真空封装等方面取得了阶段性的成果。获得了单晶硅探测器的设计和制造技术、基于金属键合的三维集成技术、超薄器件晶圆转移的应力控制技术、基于硫系玻璃的微透镜阵列制造方法等成果。发现了铜锡微凸点的氧化多孔锡现象，利用该现象结合氧化还原过程，开发了基于锡牺牲层的低温铜铜键合技术。..项目出版学术著作1部，发表国际期刊及会议论文20篇，申请发明专利5项，培养博士生8人、硕士生3人。