氧化钒薄膜及非致冷红外探测器阵列研究

论文摘要

自上世纪九十年代以来,非致冷红外成像技术取得了重大突破,引发了红外技术的第三次革命。与前两代致冷型光子红外探测器相比,第三代非致冷热敏红外探测器由于在室温下工作,无需制冷,因此在系统成本、重量、功耗和可靠性等方面都具有明显优势。第三代非致冷红外探测器主要包括微测辐射热计和热释电探测器两种类型。与具有相当竞争力的热释电红外探测器相比,微测辐射热计具有动态范围大,响应线性度好、制造成本低等独特优点。此外,微测辐射热计工作时无需斩波,成像系统无任何活动部件,这有助于降低成像系统成本和提高系统可靠性,在军事或者民用诸多领域内都具有更广泛的应用前景。本文围绕微测辐射热计的热敏材料、工作原理、绝热结构、读出电路和器件集成等关键技术,展开了深入系统的研究,主要研究内容和成果综述如下:在材料制备方面,（1）开展了氧化钒热敏薄膜制备技术研究,利用低温反应离子束溅射和磁控溅射在石英和Si3N4/Si衬底上制备了方块电阻为2050 k?的混合相VOx和亚稳态相VO2（B）热敏薄膜,薄膜淀积温度控制在250℃以下,与大规模集成电路工艺兼容。所制备的热敏薄膜室温时的电阻温度系数约为-2.2%-2.5%K-1,达到国际先进水平。（2）完成了纳米VO2薄膜生长方法的研究,利用两步法（低温溅射和后退火）工艺在Si3N4薄膜覆盖的石英和硅衬底上制备了晶粒尺寸约为810 nm的VO2薄膜。测试结果表明该纳米VO2薄膜的热滞回线明显向室温移动,薄膜的金属-半导体相变温度由常规VO2材料的68℃下降到纳米VO2的34℃,该结果为国际首次报道。在器件研制方面,（1）研究了微测辐射热计的工作原理,依据微测辐射热计的电热模型和热敏材料的电压-电流关系曲线,利用等效热导概念简化了探测器的热平衡方程,对探测器在直流、脉冲偏置以及非小信号条件下的响应率进行了分析计算。讨论了影响微测辐射热计红外探测信噪比的关键影响因素,为后续测辐射热计红外探测器的结构和电学参数设计提供了依据。（2）开展了微测辐射热计绝热微桥结构制作方法的研究,利用多孔硅和光敏聚酰亚胺薄膜作为牺牲层材料,在国内率先研制出了128元单层线阵和32×32双层面阵微桥结构阵列。（3）针对由CMOS制造工艺引入的读出电路芯片表面的不平坦特性,进行了芯片平坦化研究。利用BCB旋涂和化学镀技术,对电路芯片进行了平坦化,芯片表面不平坦度从平坦化前的2μm减少至平坦化后的0.13μm,为微测辐射热计阵列和读出电路的单片集成铺平了道路。（4）进行了微测辐射热计阵列与读出电路的单片集成研究,研制出国内首个单片式带微桥结构的32×32微测辐射热计红外探测器焦平面阵列。在真空封装环境下,焦平面的像元黑体响应率和噪声等效功率分别达到1.4×104 V/W和8.4×10-10 W,为进一步研制单片式、高性能的非致冷红外焦平面阵列奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 红外探测器分类和发展简史
• 1.3 微测辐射热计红外探测器
• 1.4 国内外研究现状与发展预测
• 1.5 课题研究目的和意义
• 1.6 技术方案与研究内容
• 1.7 论文安排
• 2 氧化钒热敏薄膜制备与性能研究
• 2.1 测辐射热计热敏材料
• 2.2 氧化钒热敏薄膜及制备工艺选择
• 2.3 离子束溅射制备氧化钒薄膜
• 2.4 磁控溅射制备氧化钒薄膜
• 2.5 本章小结
• 3 低温相变纳米二氧化钒薄膜研究
• 3.1 纳米二氧化钒薄膜制备
• 3.2 纳米二氧化钒薄膜测试分析
• 2薄膜相变特性的影响分析'>3.3 纳晶结构对VO₂薄膜相变特性的影响分析
• 3.4 二氧化钒薄膜微型光开关
• 3.5 本章小结
• 4 测辐射热计红外探测器器件理论
• 4.1 微测辐射热计工作原理
• 4.2 微测辐射热计响应分析
• 4.3 微测辐射热计噪声分析
• 4.4 微测辐射热计信噪比
• 4.5 本章小结
• 5 热绝缘微桥结构设计与制作
• 5.1 热绝缘微桥结构
• 5.2 微桥结构设计
• 5.3 微桥结构制作方法及关键工艺研究
• 5.4 128 元线阵微桥结构研制
• 5.5 32×32 面阵微桥结构研制
• 5.6 本章小结
• 6 焦平面读出电路芯片平坦化研究
• 6.1 焦平面读出电路设计与制作
• 6.2 焦平面读出电路芯片的平坦化
• 6.3 互连孔刻蚀与填充
• 6.4 本章小结
• 7 微测辐射热计阵列与读出电路单片集成
• 7.1 微测辐射热计阵列设计
• 7.2 微测辐射热计阵列与读出电路单片集成
• 7.3 焦平面真空封装
• 7.4 焦平面性能测试
• 7.5 本章小结
• 8 全文总结和课题展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读学位期间发表论文目录
• 附录2 攻读学位期间申请专利目录
• 附录3 攻读学位期间获奖目录