BST热释电薄膜的缓冲层结构与性能研究

论文摘要

钛酸锶钡（BaxSr1-xTiO3,简称BST）是一种钙钛矿结构的铁电材料,具有高介电常数、低损耗、低漏电流密度、电压非线性强等优点,尤其该材料具有优良的热释电性能以及居里温度可随Ba/Sr比值自动调节等优点,因此是研制非制冷型红外探测器的优选材料。为了满足高性能非制冷红外焦平面阵列（UFPA）对BST薄膜材料性能的要求,本文开展了对具有缓冲层结构BST薄膜的射频（RF）溅射生长工艺与性能研究。在试验中我们采用特殊的倒置桶形BST靶的射频（RF）溅射系统,因此BST陶瓷靶材的烧结成为工作的第一个重要环节。通过细致的工艺步骤,我们烧结出具有良好结晶和精确化学计量比的BST陶瓷靶,对靶材的测试表明,在10KHz、25℃条件下靶材介电常数达104量级,居里温度约为20℃,可满足试验用靶材要求。通过缓冲层工艺的研究发现,在Pt/Ti/SiO2/Si基片上先在低温（200℃）下沉积（Ba3Sr）RuO3（简称BSR）缓冲层,再在高温（560℃）沉积BST主体层,可以使薄膜结构和性能得到极大的改善。采用倒置桶形BST靶的射频（RF）溅射在Pt/Ti/SiO2/Si基片上制备具有BSR缓冲层结构的BST薄膜,缓冲层厚度约为20nm,主体层厚度约为500nm。在一组已优化的主体层工艺参数的基础上我们系统研究了缓冲层沉积温度、溅射功率、溅射气压、氧氩比、多层缓冲层结构等工艺参数对于BST薄膜结构和电性能的影响。通过系统的工艺研究与薄膜性能测试,提出了优化的BST薄膜缓冲层生长工艺参数。在优化的工艺条件下制备出高性能的BST薄膜,在室温下热释电系数可达2.25×10-6 C/cm2?K,10KHz下的损耗tgδ控制在2.0%以内。最后,我们初步研究了薄膜型红外单元探测器的制备工艺,制作出不同规格的红外探测器单元,在800K黑体温度、30Hz—117Hz斩波频率条件下测得单元器件的探测率D*=6.15×107cm?Hz1/ 2?W-1,显示了具有缓冲层结构的BST薄膜的高热释电性能和器件应用的可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 热释电红外探测器工作原理及材料性能指标
• 1.2.1 工作原理
• 1.2.2 工作模式
• 1.2.3 热释电材料性能指标
• 1.3 BST 材料的结构性能及薄膜化制备方法
• 1.3.1 BST 的结构性能
• 1.3.2 BST 薄膜的制备方法
• 1.4 本论文主要工作
• 第二章 实验方法
• 2.1 BST 薄膜的RF 溅射工艺方法
• 2.1.1 RF 溅射原理
• 2.1.2 倒置筒形靶 RF 溅射系统简介
• 2.2 BST 薄膜样品的上电极制备方法
• 2.3 薄膜微观分析方法
• 2.3.1 X 射线衍射原理
• 2.3.2 SEM 工作原理
• 2.3.3 AFM 工作原理
• 2.4 薄膜电性能测试方法
• 2.4.1 介电性能测试方法
• 2.4.2 热释电系数测试方法
• 第三章 靶材的制备
• 3.1 工艺过程
• 3.2 靶材的分析
• 第四章 BST 红外热释电薄膜的 BSR 缓冲层工艺与性能研究
• 4.1 缓冲层工艺与薄膜结构
• 4.2 BST 薄膜样品的制备
• 4.3 BSR 缓冲层的工艺参数对BST 薄膜结构及电性能的影响研究
• 4.3.1 BSR 缓冲层的沉积功率
• 4.3.2 BSR 缓冲层的沉积气压
• 4.3.3 BSR 缓冲层沉积氧氩比
• 4.3.4 BSR 缓冲层的厚度
• 4.3.5 BSR 对称缓冲层结构
• 4.3.6 BSR 缓冲层优化工艺的可重复性研究
• 4.3.7 小结
• 第五章 BST 薄膜红外单元探测器及性能分析
• 5.1 红外探测器的主要性能指标
• 5.2 探测率测试系统
• 5.3 单元探测器结构
• 5.4 单元探测器探测率测试
• 第六章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果