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氧化钒基非制冷红外探测器性能研究
发布日期:2018-01-07  来源:半导体技术   浏览次数:13
核心提示:氧化钒(VOx)由于电阻温度系数(TCR)高,合适的电阻,较低的沉积温度,可与金属材料形成良好的欧姆接触等原因,在非制冷红外探测器中作为敏感材料获得了应用,并达到实用化程度。探测器的比探测率、噪声大小以及氧化钒薄膜本身的TCR的大小是评价 VOx为敏感材料的非制冷探测器的重要技术指标。
1 引 言
非制冷红外探测器主要分为热电堆、热释电和微测热辐计焦平面阵列三种类型。其中测辐射热计是一种电阻型热传感器,其原理是外界的红外辐射能量被热敏材料感应吸收,导致温度变化从而引起热敏电阻的阻值发生变化,由此获得目标的红外信息。非制冷红外探测器可在室温下工作,具备成本低、体积小、功耗小、质量轻、启动及稳定速度快等优点,已成为目前红外热成像技术的发展方向 。测辐射热计中使用的主流热敏材料有氧化钒(VOx)、钛(Ti)、非晶硅(α-Si)等。其中氧化钒(VOx)薄膜是一种广泛应用于红外热成像探测的薄膜材料,相比其他热敏材料,VOx具有电阻温度系数(TCR)大;噪声适中;可以很好地与硅集成工艺兼容;电阻率适中,可以获得厚度为 50~100nm,电阻为几十千欧姆的薄膜;具有良好的光学特性等特点 ,在军用与民用领域都有着巨大的应用前景。
本文在制备VO2溅射薄膜的基础上,对比了不同温度下薄膜TCR数值的差异,并应用微电子工艺制备了1*9单元线列VO2红外探测器,在296(±23)K的环境中测试了该探测器在不同的直流偏置及光调制频率下对1073K的标准黑体源8—14μm红外辐射的光电响应与器件的噪声电压以及响应电压与黑体孔径、黑体温度、斩波频率,探讨了偏置电流与响应信号之间的关系以及噪声大小与斩波频率的关系。本文以聚酰亚胺为牺牲层,采用MEMS体硅工艺制备了具有表面悬桥绝热结构的微测辐射热计阵列器件 ,重点就微测辐射热计的制备流程、器件的光电响应进行了探讨和研究。
2 器件制备
本文中器件工艺的详细步骤如下:
A、在硅衬底上覆盖一层氮化硅,然后光刻出牺牲层,以聚酰亚胺作为牺牲层。
B、PECVD淀积SiO2/Si3N4/SiO2作为支撑层,光刻出桥墩部分,然后刻蚀出连接孔。
C、采用磁控溅射法沉积氧化钒红外热敏薄膜。
D、淀积Ti/Au层,用于连接热敏层两端,并且和底层电极层相连。
E、采用PECVD淀积钝化SiO2/Si3N4作为钝化层和吸收层。
F、刻蚀相关区域,释放牺牲层,即形成微桥悬空结构。









图1基本工艺方案
Fig.1 Basic technology

3 实验结果
3.1 微测辐射热计的TCR
电阻温度系数表示电阻当温度改变1度时,电阻值的相对变化,反映了电阻对温度的敏感性。根据TCR公式:

先将阻值求自然对数得到 lnR,然后通过求斜率的方法得出 TCR 。通过以上方法,实验获得了微测辐射热计在 29℃~70℃的阻值,其阻值变化率如图 1 所示。

图1微测辐射热计阻值-温度(R-T)曲线
Fig.1 Micro-bolometer curve of resistance-temperature (R-T)
从图中可以看出在 29℃~40℃低温范围内薄膜电阻具有良好的线性下降趋势,且电阻大小基本上在几十K到100K之间,符合常理。通过计算可得到氧化钒薄膜在这个温度区间的 TCR,器件的TCR随温度的变化曲线如图2所示,可以看出在29℃~40℃低温时,随温度升高 TCR的绝对值是先减小后增大的,在40℃~70℃,TCR随着温度的升高,其绝对值是呈增加的趋势。计算 29℃~40℃的平均 TCR 为-3.127%/K,30℃~70℃平均 TCR为-3.016。将热量的吸收、线性度的拟合以及 TCR 值的大小这些因素进行综合考虑,30℃~40℃是微测辐射热计比较适宜的工作温度。

图2 TCR曲线
Fig.2 curve of TCR
3.2 探测器的光电响应特性
我们利用微加工技术在2英寸Si单晶衬底上制备了基于氧化钒薄膜的1*9线阵探测器,附带有一个补偿探测单元,并设计有两种单元像素尺寸,有效光敏面的面积分别为为100μm*100μm和45μm*45μm, 采用Au作为导电层,微腔高度为2-3μm,桥腿支撑材料为SiN/SiO2,氧化钒薄膜厚度为300nm。器件简单封装后的照片如图3所示。

图3器件封装后的照片
Fig.1 Photo after device packaging
将器件打线并安装在陶瓷管壳上之后,将其置于杜瓦中,测试时使用机械泵+分子泵机组可将杜瓦腔体抽至高真空(数表显示 2×10-3Pa),实际上,当真空度优于 10Pa 时,空气热导几乎可忽略不计。
 
 
 
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