基于碳纳米管阵列增强的单片三维集成有源非制冷红外焦平面阵列

Uncooled infrared focal plane has been widely used in many areas including safety monitoring, assisted driving, fire alarming, etc. This proposal is targeting the research and development of an uncooled infrared focal plane (FPA) with high sensitivity and high pixel uniformity using MEMS and 3D integration technologies. The FPA uses active single crytalline field effect transistors (FET) as the sensing devices, which is fabricated on a SOI wafer and transferred to the top of the signal processing circuit wafers. Using 3D integration and MEMS technologies, the FET pixels are supended via long lengs and integrated with the signal processing circuit through 3D interconnects, which enables low thermal conduction of the FET array and high detection sensitivity. An in-situ synthesizing method is developed to grow carbon nanotubue (CNT) arrays on the suspended pixel surface as an infrared adsorbing enhancing layer to improve the adsorbing effeciency. This project focuses on the realizatoin of the FPA through solving the challenging problems including the FET design and fabrication, wafer transfer and 3D integration, low noise amplifier and AD converter, as well as the synthesizing of CNT arrays on a suspended structure.

本项目利用微电子机械系统（MEMS）技术和三维集成技术，研制高灵敏度、高像素一致性的硅基单片三维集成非致冷红外焦平面探测器阵列。采用SOI制造的有源单晶硅场效应管作为红外探测器器件，通过硅片转移和三维集成技术将探测器阵列转移至信号处理电路表面，并通过MEMS技术实现探测器层的悬空绝热，获得探测器阵列与信号处理电路单片三维集成的非制冷红外焦平面阵列。在红外热吸收层表面生长垂直排列的碳纳米管阵列，实现红外吸收增强，提高探测器灵敏度。重点解决探测器阵列设计与制造、硅片转移和三维集成、低噪声放大和AD转换信号处理电路，以及碳纳米管阵列合成等方面的技术问题，在单晶硅场效应红外敏感器件实现、探测器阵列与信号处理电路单片三维集成、碳纳米管阵列红外吸收增强，以及跨尺度多物理场耦合分析等方面获得创新性成果，解决相关方向的基础科学和技术问题，实现单片三维集成非制冷红外探测器的原型器件。

本项目将微电子机械系统（MEMS）技术和纳米技术相结合，探索并实现新型高吸收率的室温非制冷红外探测器焦平面阵列；并采用三维集成电路技术（3D IC）实现红外探测器阵列与信号处理电路的三维集成方法，实现了微型传感器与信号处理电路的集成。主要成果包括.（1）利用单晶硅制造悬空绝热的红外敏感器件MOSFET，实现了基于MOSFET的温度敏感器件，对MOSFET的温度敏感特性进行了深入的研究；.（2）发现了非接触诱导实现化学镀镍的新现象，对现象的机理进行了深入的研究，建立了基于电双层理论的半解析模型，分析了所发现的新现象的时间依赖性和电流的关系，为深入解释该现象的机理奠定了基础；.（3）基于非接触诱导化学镀镍新现象，开发了一种高密度的三维互连制造方法，并利用这种方法成功实现了红外三维集成的直径小于3微米的三维互连；.（4）开发了基于激光辅助加热化学气相沉积技术在悬空结构表面原位生长碳纳米管阵列的方法，实现了高度在10微米至50米可控的垂直排列碳纳米管阵列，研究了碳纳米管阵列的红外特性；.（5）利用三维集成技术，开发并实现了单晶硅MOSFET红外探测器与CMOS信号处理电路的集成，实现了阵列规模为160x120的单片三维集成探测器阵列。.（6）发表国际期刊论文15篇，申请专利3项，培养博士研究生2人，硕士研究生3人。