基于硅鍺-硅多量子阱材料的非制冷紅外焦平面陣列研究.pdf

1、8-14μm是常溫環(huán)境下紅外輻射的主要波段，是人類視覺在可見光波段的延伸。隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，自上個世紀九十年代起，非制冷紅外焦平面陣列探測器得到了迅速的發(fā)展。從最早的氧化釩材料到2000年前后法國ULIS公司推出的非晶硅材料，作為非制冷紅外焦平面陣列熱敏材料都取得了巨大的成功。2006年，新型半導(dǎo)體材料作為熱敏材料的技術(shù)路線被提出。憑借材料本身較高的電阻溫度系數(shù)和較低的噪聲，以及與半導(dǎo)體生產(chǎn)線兼容的前景受到了重視。
　　本文

2、以新型半導(dǎo)體熱敏材料研究現(xiàn)狀為背景，以設(shè)計并制備高性能（體現(xiàn)在電阻溫度系數(shù)，熱穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和噪聲等效溫差三個技術(shù)指標）非制冷紅外焦平面陣列為最終目標，開展了基于硅鍺/硅多量子阱材料的非制冷紅外焦平面陣列技術(shù)研究，主要研究內(nèi)容包括:
　　(1)開展了硅鍺/硅多量子阱薄膜材料設(shè)計。半導(dǎo)體的熱敏特性主要體現(xiàn)在費米能級和價帶能級之間的差值，論文以價帶能級分布為橋梁，構(gòu)建了薄膜材料結(jié)構(gòu)參數(shù)與電阻溫度系數(shù)之間的定量關(guān)系;根據(jù)薄膜應(yīng)力理論，計算了單

3、晶硅基底上外延生長硅鍺薄膜的臨界厚度、亞穩(wěn)態(tài)臨界厚度，并結(jié)合有限元分析了兩種極限狀態(tài)下的應(yīng)力分布;結(jié)合薄膜材料電阻溫度系數(shù)性能、薄膜應(yīng)力影響及后續(xù)陣列制造工藝因素，確定了可應(yīng)用于非制冷紅外焦平面陣列制造的熱敏材料薄膜。該薄膜材料電阻溫度系數(shù)理論值為-3.34％/K至-3.85％/K。
　　(2)開展了非制冷紅外焦平面陣列像元結(jié)構(gòu)設(shè)計。論文采用硅鍺/硅多量子阱薄膜作為焦平面陣列的熱敏材料，這使得該焦平面陣列區(qū)別于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)具有不同的紅

4、外吸收特性、熱場分布和結(jié)構(gòu)支撐特性。論文針對這三個方面開展設(shè)計技術(shù)研究。首先，論文針對紅外吸收腔開展了優(yōu)化設(shè)計，由于氮化硅作為機械支撐層的引入，項層薄膜的最優(yōu)值產(chǎn)生了“極值偏移”現(xiàn)象，論文通過理論計算、數(shù)值仿真和實驗結(jié)果對該現(xiàn)象進行了分析;其次，根據(jù)焦平面陣列像元結(jié)構(gòu)參數(shù)，開展了像元熱場分布研究，建立了串?dāng)_模型，并通過有限元軟件計算了考慮真空度條件下的熱場分布;最后，根據(jù)模態(tài)分析和剛度分析給出了三種基本支撐形式（L型、U型及I型）像元的

5、力學(xué)特點;結(jié)合陣列制造工藝過程，針對熱應(yīng)力及工藝應(yīng)力開展了理論計算和仿真，獲得的結(jié)論與實驗數(shù)據(jù)相符。
　　(3)開展了薄膜材料的外延生長工藝及測試技術(shù)研究。論文采用超高真空化學(xué)氣相沉積技術(shù)開展了外延生長硅鍺/硅結(jié)構(gòu)循環(huán)、高摻雜硼單晶硅關(guān)鍵工藝研究;采用緩沖層設(shè)計避免了外延生長過程中出現(xiàn)的晶格滑移現(xiàn)象，實現(xiàn)了晶格質(zhì)量較好的硅鍺/硅循環(huán)結(jié)構(gòu);基于X射線衍射測試技術(shù)，開展了薄膜材料微觀組分測試技術(shù)研究，通過分析，搖擺曲線測試方法較好地反

6、應(yīng)了薄膜材料中鍺含量信息;經(jīng)測試材料鍺含量為27.08％至29.93％，硅鍺/硅循環(huán)厚度為40.8nm至41.1nm;為了表征薄膜材料的電學(xué)性能，設(shè)計了一種簡單的測試結(jié)構(gòu)，以鋁電極為掩膜，以底部濃硼摻雜層作為導(dǎo)電通道，形成“U”字型導(dǎo)電回路的方式，測定了薄膜材料的電阻溫度系數(shù)為-2.84％/K至-2.97％/K;經(jīng)曲線擬合換算至價帶能級與費米能級差0.18eV至0.19eV，與第二章仿真值0.22eV接近。
　　(4)開展了焦平面

7、陣列測試技術(shù)研究。通過開展裸片測試和真空封裝的樣機測試，驗證了焦平面陣列信號傳遞過程。其中，通過裸片測試，測定了陣列的紅外吸收性能和像元的電學(xué)特性;通過真空封裝樣機的熱響應(yīng)測試，測定了像元結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)、熱時間常數(shù);通過相對光譜響應(yīng)測試，表征了樣機的紅外響應(yīng)波段范圍;通過噪聲頻譜測試，表征了像元中硅鍺/硅多量子阱材料噪聲的噪聲-頻譜關(guān)系;通過噪聲等效溫差測試，表征了標準黑體紅外輻射下，像元的噪聲水平。經(jīng)測試，4×4像元的平均噪聲等效溫差為6