钨掺杂氧化钒基非制冷红外探测器的制备与性能研究

摘要

近年来，非制冷型红外探测器由于具有低能耗和低成本的优势，越来越多地吸引了商业应用方面的关注。对于非制冷型红外探测器而言，研究人员最关注两个问题，一方面是采取什么样的方式来优化热敏材料的特性从而获得理想的器件探测性能，另一方面是如何改进制备探测器的工艺流程包括微桥结构等来使得热绝缘性尽量提高。　　VOx已经成为微测辐射热计型非制冷红外探测器的核心材料，但纯净的氧化钒材料由于成分与结构单一，比较难满足现今越来越多元化的需求，所以我们一般可以通过掺杂的方式来提升其性能。　　本文在探索了微测辐射热计的制备工艺的基础上，通过磁控溅射法制备了钨掺杂氧化钒微测辐射热计与非钨掺杂氧化钒微测辐射热计，然后通过测试分析电阻温度特性和光电响应与噪声电压，探讨钨掺杂对于微测辐射热计的影响。本文的主要研究内容和成果综述如下:　　1.利用直流磁控溅射设备生长了掺钨VOx薄膜和非钨掺杂VOx薄膜。通过测试，我们得到钨掺杂氧化钒薄膜室温电阻为160KΩ，TCR数值为-3.169％·K-1，非钨掺杂氧化钒薄膜室温电阻为125KΩ，TCR数值为-3.105％·K-1。在其余条件相同的情况下，钨掺杂后，器件相变温度降低了16℃左右，热滞宽度缩短了5℃左右，器件的响应率得到了不同程度的提高最大提高达到52V/W，噪声干扰在一定程度上降低了。　　2.设计了工艺流程，采用聚酰亚胺作为牺牲层，在Si衬底上利用光刻技术成功制备了具有表面微桥结构1×9线阵型氧化钒微测辐射热计，探索了最佳的器件制备工艺方案，采取Si/SiO2/Si3N4/SiO2/Si3N4来作为支撑层，厚度分别为100nm/100 nm/300 nm/100 nm/100nm，以及氧化钒薄膜生长后就进行退火处理，来有效防止微桥结构的断裂。　　3.对单元器件进行测试，发现器件的探测率在一定的范围内存在着一个极大值，探测率并不随着偏置电流的增大而一直增大，本研究中，40μA是探测率的峰值。并且当温度为800℃，偏置电流为40μA，辐射信号的调制频率分别为40和80 Hz时，利用钨掺杂氧化钒作为光敏感层的探测器的探测率D*值分别为1.81×108和1.46×108cmHz1/2/W，利用非钨掺杂氧化钒作为光敏感层的探测器的探测率D*值分别为1.72×108和1.37×108cmHz1/2/W。可见，钨掺杂氧化钒探测器的探测率较非钨掺杂氧化钒探测器的探测率高。　　综合以上研究表明，这种结构的微测辐射热计型红外探测器件可以在未来作为高性能探测器应用，钨掺杂是可以有效改善氧化钒薄膜性能从而提高探测器性能的方法。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 红外辐射简介

1．1．1 红外探测器的发展历程

1．2 红外探测器的分类

1．2．1 光电探测器

1．2．2 热电探测器

1．3 红外探测器的应用

1．4 国内外研究现状

1．4．1 国外知名厂商

1．4．2 国内发展情况

1．4．3 发展前景

1．5 本课题的研究目的和研究内容

第二章 微测辐射热计及其工作原理

2．1 微测辐射热计

2．2 微测辐射热计探测机理

2．3 探测器的评价参数

2．3．1 响应率

2．3．2 噪声等效功率

2．3．3 探测率

第三章 VOx材料的制备及其电学特性

3．1 钒的氧化物

3．2 氧化钒薄膜的制备方法

3．2．1 蒸发法

3．2．2 脉冲激光沉积法(PLD)

3．2．3 溶胶-凝胶法(Sol-Gel)

3．2．4 磁控溅射法

3．3 氧化钒薄膜的掺杂

3．3．1 离子注入法

3．4 氧化钒薄膜的电学特性

第四章 VOx微测辐射热计器件工艺

4．1 微桥工艺

4．1．1 体硅微桥工艺

4．1．2 表面微桥工艺

4．1．3 多孔硅绝热层微桥工艺

4．1．4 柔性衬底工艺

4．2 VOx红外探测器器件制备工艺流程

4．2．1 光刻技术

4．2．2 实验设备

4．2．3 工艺制备

4．3 表面微桥器件工艺流程设计

4．3．1 残余应力来源及影响

4．3．2 减小残余应力方法

4．3．3 氧化钒薄膜退火的必要性

4．4 存在的主要问题与解决方案

4．5 改进工艺后的器件工艺制备

第五章 器件性能测试与分析

5．1 微测辐射热计的I-V特性

5．2 微测辐射热计的光电响应特性

5．3 微测辐射热计的噪声电压

5．4 微测辐射热计的探测率

5．5 测试过程中出现的问题与总结

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文