氧化釩薄膜及非致冷紅外探測器陣列研究.pdf

1、自上世紀(jì)九十年代以來，非致冷紅外成像技術(shù)取得了重大突破，引發(fā)了紅外技術(shù)的第三次革命。與前兩代致冷型光子紅外探測器相比，第三代非致冷熱敏紅外探測器由于在室溫下工作，無需制冷，因此在系統(tǒng)成本、重量、功耗和可靠性等方面都具有明顯優(yōu)勢。 第三代非致冷紅外探測器主要包括微測輻射熱計(jì)和熱釋電探測器兩種類型。與具有相當(dāng)競爭力的熱釋電紅外探測器相比，微測輻射熱計(jì)具有動(dòng)態(tài)范圍大，響應(yīng)線性度好、制造成本低等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。此外，微測輻射熱計(jì)工作時(shí)無需斬波

2、，成像系統(tǒng)無任何活動(dòng)部件，這有助于降低成像系統(tǒng)成本和提高系統(tǒng)可靠性，在軍事或者民用諸多領(lǐng)域內(nèi)都具有更廣泛的應(yīng)用前景。 本文圍繞微測輻射熱計(jì)的熱敏材料、工作原理、絕熱結(jié)構(gòu)、讀出電路和器件集成等關(guān)鍵技術(shù)，展開了深入系統(tǒng)的研究，主要研究內(nèi)容和成果綜述如下： 在材料制備方面，(1) 開展了氧化釩熱敏薄膜制備技術(shù)研究，利用低溫反應(yīng)離子束濺射和磁控濺射在石英和Si3N4/Si襯底上制備了方塊電阻為20~50 k? 的混合相Vox 和

3、亞穩(wěn)態(tài)相VO2(B)熱敏薄膜，薄膜淀積溫度控制在250℃以下，與大規(guī)模集成電路工藝兼容。所制備的熱敏薄膜室溫時(shí)的電阻溫度系數(shù)約為-2.2％~-2.5％K-1，達(dá)到國際先進(jìn)水平。 (2) 完成了納米VO2薄膜生長方法的研究，利用兩步法（低溫濺射和后退火）工藝在Si3N4薄膜覆蓋的石英和硅襯底上制備了晶粒尺寸約為8~10 nm的VO2薄膜。測試結(jié)果表明該納米VO2薄膜的熱滯回線明顯向室溫移動(dòng)，薄膜的金屬－半導(dǎo)體相變溫度由常規(guī)VO2

4、材料的68℃下降到納米VO2的34℃，該結(jié)果為國際首次報(bào)道。 在器件研制方面，(1) 研究了微測輻射熱計(jì)的工作原理，依據(jù)微測輻射熱計(jì)的電熱模型和熱敏材料的電壓－電流關(guān)系曲線，利用等效熱導(dǎo)概念簡化了探測器的熱平衡方程，對探測器在直流、脈沖偏置以及非小信號條件下的響應(yīng)率進(jìn)行了分析計(jì)算。討論了影響微測輻射熱計(jì)紅外探測信噪比的關(guān)鍵影響因素，為后續(xù)測輻射熱計(jì)紅外探測器的結(jié)構(gòu)和電學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。 (2) 開展了微測輻射熱計(jì)絕熱

5、微橋結(jié)構(gòu)制作方法的研究，利用多孔硅和光敏聚酰亞胺薄膜作為犧牲層材料，在國內(nèi)率先研制出了128 元單層線陣和32×32 雙層面陣微橋結(jié)構(gòu)陣列。 (3) 針對由CMOS 制造工藝引入的讀出電路芯片表面的不平坦特性，進(jìn)行了芯片平坦化研究。利用BCB 旋涂和化學(xué)鍍技術(shù)，對電路芯片進(jìn)行了平坦化，芯片表面不平坦度從平坦化前的2 μm 減少至平坦化后的0.13 μm，為微測輻射熱計(jì)陣列和讀出電路的單片集成鋪平了道路。 (4) 進(jìn)行了微