崔海霞[1]2004年在《红外探测器窗口制备与性能分析》文中研究说明红外窗口是军用平台测试系统的关键部件，必须根据作战武器要求和探测性能要求，选择合适的材料和结构，应用系统功能方法设计参数，制出性能最佳的红外窗口。 本论文具体地介绍了红外窗口的研制方法，并对红外窗口的性能进行分析。本文是用溴化钾(KBr)和聚乙烯(PE)的复合以及碘化铯(CsⅠ)和聚乙烯的复合作为15—50μm波段的红外探测器的窗口材料。属于碱卤化合物和聚乙烯的复合物，是无机—有机复合材料，这种材料被广泛的应用于远红外波段的光学窗口和透镜材料。研究过程中采用热压成型方法制备红外窗口材料，这种实验方法具有操作简单、易于成型、周期短等优点。在制备过程中，选择适当的成型速度和成型温度及压力，可以制备出性能优良的红外窗口。实验结果表明红外窗口的工作温度应控制在115℃以下，所以必需对红外窗口采取一定的制冷措施。透过率、机械强度是红外窗口的主要性能指标。透过率测试结果表明，此窗口材料在15—50μm波段平均透过率大于50％，1—15μm波段平均透过率小于15％；机械强度分析结果表明，窗口厚度与窗口直径的比值为1：10时机械强度最好。
张德银[2]2008年在《热释电钽酸锂薄膜红外探测器原理和制备研究》文中研究指明红外探测器是红外系统的关键器件。近年来，非致冷红外探测器成为红外探测研究的重点，对非致冷红外探测器敏感薄膜和器件的制备研究具有重要的现实意义。采用减薄钽酸锂晶体材料可以制备非致冷的热释电红外探测器，但体材料器件的研制受到工艺、几何尺寸和成品率等诸多限制，而薄膜材料器件却在热释电应用方面显示了特殊优势。本课题在国家自然科学基金的支持下，四年前开始了对热释电钽酸锂薄膜及其红外探测器的探索研究。用溶胶-凝胶法制备了性能良好的热释电钽酸锂(LiTaO_3)薄膜，测试了薄膜性能；制备了国内外尚无报道的新型钽酸锂(LiTa_3O_8)薄膜，并结合MEMS工艺制备了红外探测单元器件；另外，利用MATLAB软件对探测器多层结构的热传导和探测率等作了仿真模拟研究，为热释电红外探测器设计提供了依据。具体研究内容和主要结果如下：1．利用一维纵向稳态热传导泊松方程和器件的实用边界条件，建立了多层膜系构成的热释电钽酸锂敏感膜红外探测器的理论模型，深入讨论了探测器结构参数与探测器性能的联系，用MATLAB软件，模拟计算了在正弦调制的红外辐射下钽酸锂薄膜红外探测器的温度分布，从理论上分析了横向热扩散对探测器性能的影响；计算了不同结构参数探测器的电压响应Rv和星探测率D~*等性能指标的理论值，为器件结构的优化设计提供了依据。2．热释电钽酸锂薄膜制备工艺是钽酸锂薄膜红外探测器器件制备的关键。采用溶胶-凝胶(Sol-Gel)法，利用多种溶胶配方，在多种衬底上制备了均匀、平整、无裂纹的性能良好的钽酸锂LiTaO_3薄膜。对制备薄膜的晶相、表面形貌、介电性能、铁电性能等作了测试，比较了所得薄膜的性能。特别研究了TiN、Pt、ITO等底电极对Sol-Gel LiTaO_3薄膜结晶及电学性能的影响。3．钽酸锂薄膜的漏电大小和抗击穿性能决定了钽酸锂薄膜器件制备的成败。钽酸锂敏感膜的极化，要求薄膜有较好的介电性能，理论分析认为：提高钽酸锂薄膜的Ta／Li比，有助于遏制成膜过程中Li的析出，从而降低钽酸锂薄膜的漏电，提高薄膜在极化时的抗击穿性能。论文尝试用组份比为Li~+：Ta~(5+)=1：3的钽酸锂溶胶配方，用溶胶-凝胶法和快速热退火工艺在Pt衬底上制备了新型钽酸锂薄膜。为了对比研究，分别以Ta_2O_5和Li_2CO_3粉体为原料用固相反应烧结法制备了LiTa_3O_8陶瓷，和以乙醇锂、乙醇钽为原料用溶胶-凝胶法制备了LiTaO_3粉体，用LiTaO_3粉体与Ta_2O_5粉体混合烧结获得LiTa_3O_8陶瓷。XRD晶向测试发现：新制备的LiTa_3O_8陶瓷与Pouchard在1330℃烧结的LiTa_3O_8陶瓷粉体一样具有正交相结构；新制备的钽酸锂薄膜与制备的陶瓷粉体结构吻合；确认了该新制备的薄膜为LiTa_3O_8薄膜并具有正交相结构。测试了新制备的LiTa_3O_8和LiTaO_3薄膜的铁电、介电、漏电和热释电特性。在同样制备和测试条件下，LiTa_3O_8薄膜的剩余极化强度比LiTaO_3薄膜大，漏电明显减小，提高了抗击穿性能。用自制的热释电系数测量系统，对新制备的LiTa_3O_8薄膜样品进行了热释电系数测试，结果显示LiTa_3O_8薄膜热释电系数约为14．07μC／m~2K，比LiTaO_3薄膜热释电系数122．80μC／m~2K小。4．采用硅衬底背腐悬空结构，分别制备得到LiTaO_3薄膜和LiTa_3O_8薄膜红外探测单元器件，测试了器件热电响应性能。详细介绍了基于MEMS技术和溶胶凝胶工艺的LiTaO_3薄膜和LiTa_3O_8薄膜红外探测单元器件制备工艺。以机械斩波调制的黑体炉为基础，组建了热释电红外探测器动态响应测试系统，在调制频率10～1000Hz范围内对LiTaO_3和LiTa_3O_8薄膜单元器件的信号电压、噪声电压进行了测试，根据黑体辐射到达探测器表面的能流密度，计算了探测器的电压响应、等效噪声功率和星探测率。对溶胶-凝胶制备的钽酸锂LiTaO_3敏感膜、硅衬底背腐悬空结构的单元探测器，在斩波调制频率100Hz时，电压响应R_v达到最大值6．30×10~3V／W，测量误差为5％，星探测率D*达到最大值8．86×10~7cmHz~(1／2)／W，测量误差为13％；对比研究LiTa_3O_8薄膜、硅衬底背腐悬空结构的单元探测器件，在100Hz，R_v为4．99×10~3V／W，D*为1．95×10~5cmHz~(1／2)／W。在调制频率为100Hz时，LiTa_3O_8薄膜探测器的星探测率比LiTaO_3薄膜探测器的小两个数量级，分析了星探测率变小的原因。
李平[3]2017年在《高In组分InGaAs探测材料微光敏区表征方法研究》文中指出InGaAs是短波红外成像的理想材料,由于其低暗电流、高探测率、高工作温度、良好的抗辐照等特性已显示出了巨大的应用价值。随着航空航天以及成像领域用InGaAs探测器在大面阵、高性能、低成本、低功耗等方面的要求进一步提高,使得在这些方向上的研究成为未来发展的主要方向。由于延伸波长InGaAs(λcutoff>1.7μm)与衬底InP存在晶格失配导致吸收层中存在较多的位错和缺陷,使得器件暗电流过大,因此研究材料与器件的关联性,进行微光敏区表征,优化器件工艺参数,提高器件性能显得十分重要。本文研究了延伸波长InGaAs探测器微光敏区缺陷以及材料质量、材料关键参数表征,器件工艺优化,并取得了一些研究成果。开展了X射线表征延伸波长InGaAs材料的研究,分别采用高分辨X射线和同步辐射表征手段。获得了半峰宽(737.2arcsec)较小的In0.83Ga0.17As吸收层,得到In0.83Ga0.17As外延层的晶格在垂直方向上的失配为1.945%,在水平方向上的失配为1.928%。采用10KeV的X射线研究得到了数字梯度超晶格层(DGSL)的周期为104.9?,实验获得值与TEM测试结果具有很好的一致性。同时对多种材料进行了掠入射实验测试,发现在入射角为0.3度时信号强度最大,当入射角大于0.7度时信号基本上无法探测。采用了能量更高的18KeV的X射线研究发现原来单一的衬底峰中分辨出多个迭加峰成分。为了研究材料的少数载流子扩散长度,采用了SPV无损检测的方法对两种不同掺杂浓度的常规InGaAs材料进行了相关实验。获得了高掺杂浓度样品材料的少数载流子扩散长度为5.59μm,低掺杂浓度样品材料的少数载流子扩散长度为6.3μm。为了研究延伸波长In0.83Ga0.17As探测器微光敏区的缺陷信息,采用了不同工艺流程制备的探测器作为研究对象,使用了电子束诱导电流(EBIC)和深能级瞬态谱(DLTS)方法对探测器缺陷进行测试表征,同时研究了不同工艺对器件性能的影响。EBIC研究结果得到样品A(在台面刻蚀之后快速热退火)和样品B(在台面刻蚀之前快速热退火)的缺陷比例、缺陷个数、缺陷密度分别为13.09%、96、23.3×106cm~(-2)和7.33%、34、8.14×106cm~(-2)。采用DLTS方法测试了叁个延伸波长探测器样品:1#(Cl2/N2刻蚀)和2#(Cl2/CH4刻蚀)器件为常规SiNx钝化器件,3#(Cl2/CH4刻蚀)器件为优化SiNx钝化器件。测试结果表明:样品1的DLTS谱线显示的是一个少子(空穴)缺陷,位置为124meV,俘获截面为5.77×10-19cm2,浓度为1.34×1014cm-3;样品2和样品3显示的是一个多子(电子)缺陷,位置分别为431meV和5meV,俘获截面分别为9.31×10-15cm2和4.65×10-20cm2,浓度分别为1.61×1014cm-3和2.91×1014cm-3。DLTS测试的是样品的深能级缺陷,而EBIC测试的是样品表面的电活性缺陷,所以测试结果显示的缺陷密度有很大差别。研究了在台面刻蚀前和台面刻蚀后快速热退火两种工艺对器件性能的影响,研究表明在台面刻蚀之前进行快速热退火的光电二极管有较低的暗电流密度,而且具有较低的面积相关的暗电流成分。研究了分别采用Cl2/N2和Cl2/CH4气体的刻蚀工艺,实验通过采用PL谱、传输线(TLM)模型、器件IV特性以及器件探测率来表征两种刻蚀气体工艺的优劣。结果表明,Cl2/CH4刻蚀样品的PL谱信号强度较弱,TLM模型测试的方块电阻Rsh较大,制备的光电二极管的暗电流密度较低、信号较大、探测率较高,从而说明Cl2/CH4刻蚀气体的工艺比Cl2/N2的效果好一些。采用了上述的退火优化工艺与刻蚀优化工艺进行了器件的集成验证。通过制备相应的光电二极管,测试了不同温度和偏压下两种器件的暗电流,分析了器件的热激活能。结果表明采用优化工艺制备的器件暗电流密度(387nA/cm2)低于常规工艺制备的器件暗电流密度(1.2μA/cm2),所以退火刻蚀工艺相比常规的工艺具有一定的优势。基于InGaAs探测器航天应用的背景,开展了高密度延伸波长In0.83Ga0.17As器件的探索研究。实现了高密度亚10μm像元的In0.83Ga0.17As探测器的制备:器件规模为10×10,像元面积大小为9μm×9μm,像元中心距为10μm,占空比为81%。测试结果表明:器件的室温暗电流密度为1.47×10-4A/cm2,200K的暗电流密度为10.5nA/cm2,同时通过光谱响应测试获得了器件在室温下的截止波长为2.57μm。
任洋[4]2016年在《低暗电流锑化物Ⅱ类超晶格红外探测材料的制备及相关基础研究》文中提出本文系统地研究了GaSb(001)衬底上InAs/InAsSb超晶格材料的分子束外延生长,在此之前,首先研究了低温GaSb薄膜缓冲层和InAsSb薄膜的生长。初步探索了InAsSb和InAs/InAsSb超晶格单元红外探测器器件工艺,系统地研究了材料的结构、光学、电学等物理特性,对相关器件物理问题进行了分析,主要内容包括:1、通过优化GaSb衬底上低温生长GaSb薄膜的生长温度、Sb/Ga束流比等参数,解决了低温生长GaSb外延层时表面容易出现“金字塔包”的难题,使低温生长的GaSb外延层质量得到了提高。当Sb2源炉裂解前端温度和基底温度分别为900°C和580°C,生长温度为Tc+60°C,V/III值为7.07时,得到的GaSb外延层的质量最好。2、优化了叁种结构的InAsSb红外探测器件(PIN型、NBP型、NBN型)的材料制备工艺,探索了单元器件的器件工艺,并对单元器件的电学和光学性能进行了测试分析。PIN型InAsSb单元探测器的R0A为224Ω·cm2(100K),峰值探测率为3.6×1010 cmHz1/2/W(77K)。NBN型和NBP型InAsSb单元探测器的R0A都达到了105Ω·cm2(100K)的量级,但NBN型的R0A值比NBP型更大一些,暗电流密度相对低,温度为77K时峰值探测率分别为8.5×1012cmHz1/2/W和2.4×108 cmHz1/2/W。最后,得到了50%截止波长分别为3.8μm(PIN型)、3.4μm(NBP型)、2.6μm(NBN型)的InAsSb单元探测器。3、研究了InAs/InAsSb超晶格材料的外延生长,优化了InAs/InAsSb超晶格材料结构生长参数,获得了高质量的长周期厚度InAs/InAs0.73Sb0.27(75 periods)超晶格材料,扫描区域为20μm×20μm时的RMS约为1.8?,超晶格零级峰与GaSb衬底之间的晶格失配度约为100arcsec,零级峰的半峰宽低于120arcsec,周期厚度为93.3?。制备了PIN型InAs/InAsSb超晶格单元器件,并对器件进行了电学和光学性能测试分析。温度为77K时PIN型InAs/InAsSb超晶格单元探测器的R0A为448Ω·cm2,50%响应截止波长为5.1μm。
刘人华[5]2016年在《一种无排气嘴型非制冷红外焦平面探测器的封装设计与研究》文中指出非制冷红外焦平面探测器的封装设计在提高器件真空寿命和满足器件的光学、力学、热学等需求中有重要的应用价值。本文以无排气嘴型非制冷探测器为例,分析封装设计涉及的各个方面,给出设计一般流程,系统说明此类型紧密电子器件系列设计工作和总结具体生产的文本文件,为器件实际生产提供有力的保证和依据。首先,本文介绍了现常用的器件级非制冷红外探测器,叙述芯片热辐射吸收的工作环境要求和封装工作的不足,说明探测器真空封装和设计工作必要性。同时分析了现用探测器的不足,提出探测器的一种无排气嘴陶瓷封装样式。介绍了电子器件一般性的封装设计,给出设计流程和依据。系统介绍红外探测器封装设计整体流程,从无排气嘴型非制冷红外探测器封装设计总体要求,结合力、热、光、电等方面,结果确定目标探测器的原材料或零部件。在满足总体装配设计原则要求下,运用SolidWorks软件进行合理结构设计和COMSOL Multiphysics软件进行模拟仿真,给出具体目标探测器装配样式。通过分析集成的红外窗口强度,给出窗口厚度范围值和粘接强度;通过分析内部零部件的耐冲击强度,给出零部件焊接或粘接强度要求。简化目标探测器热传递模式,选用合适半导体制冷器为芯片提供稳定工作温度点。描述目标探测器正常工作对真空环境的需求,提出安置微型真空规以实时监测器件内真空值变化,说明非蒸散型吸气剂的选用必要性和使用要求。对上述目标探测器进行详细的封装工艺设计,包括贴片工艺设计和一体化排气、激活和封装工艺实施设计。本文选用3500贴片机实现目标探测器高精密度贴片工艺要求,并给出详细实施过程说明。本文采用专用的排气台,可同时实现检漏、烘烤排气和隔断,简化工艺。本文选用的液态吸气剂,可以与红外窗口集成一体,缩小占用体积、扩大吸气表面积;该吸气剂在隔离环境下激活,激活的温度和时间需严格把控。本文选用含铟熔合金的钱焊料,可满足本目标探测器对低温工艺特殊要求。总结完整的探测器封装设计和工艺设计流程,为今后同种类型器件或其他微电子器件设计和生产提供系统参照。
姚鹏飞[6]2018年在《基于纳米天线结构的短波红外增强效应机理研究》文中进行了进一步梳理短波红外InGaAs器件因为其稳定性高、暗电流低以及在较高工作温度下依然有较高探测率等优点,在航空航天以及成像探测等领域有着越来越大的应用价值。随着探测要求的不断提高,InGaAs器件也在朝着减小光敏元面积,扩大焦平面规模等方向发展,但是探测器光敏面积的不断减小会减弱能有效收集到的入射光能量,降低信噪比,增大探测难度,引入新的结构来增强对入射光的吸收显得非常迫切。纳米光天线通过光散射与表面局域场增强效应,可以提升探测器的光吸收性能。本文针对短波红外探测器探索性地提出集成纳米天线结构来充分收集入射光,设计了纳米球与纳米块两种纳米天线结构,对纳米天线的结构性能进行了模拟仿真,探究了纳米天线的表面等离激元增强透射、极化特性,初步探索了纳米球结构的制备工艺,验证了纳米天线对器件结构的透过率增强效果。进行了亚波长金属光栅的制备方法研究,使用电子束光刻方法在SiO_2/InP衬底以及背照射器件上进行了光栅制备,对集成金属光栅的InGaAs探测器进行了性能测试。使用FDTD Solutions软件,对设计的两种金属纳米天线在1.0-1.7μm波段的透过性能做了系统的理论研究。首先研究在SiO_2/Metal balls/InP结构中,不同的金属材料、金属球半径及周期对透过性能的影响规律,并且发现在金属球阵列上增加一层SiO_2可以同时激发SPP模式以及LSP模式,增加透过率,同时通过对SiO_2厚度的调控使其产生增透效果,从而可以显着增强1μm波长附近的透过率。之后研究了Metal block/SiO_2/InP结构的纳米天线中,不同的金属材料、金属块底边边长、金属块高度、排列周期以及SiO_2厚度对透过性能的影响规律。综合考虑每种纳米天线材料以及纳米天线形貌参数的工艺窗口,从最终的实际制备工艺方面考虑,最终确定了两种纳米天线结构参数为:1,SiO_2/Metal balls/InP结构中,纳米天线材料Ag,金属球半径190-200 nm,周期700-900 nm,SiO_2介质层厚度500 nm;2,Metal block/SiO_2/InP结构中,纳米天线材料Au,金属块底面边长140-180 nm,金属块高度80-100 nm,排列周期360-400 nm,SiO_2介质层厚度90-110 nm。根据理论模拟分析结果设计了纳米天线的制备工艺方案,初步探索了制备SiO_2/Metal balls/InP结构纳米天线的关键工艺参数,采用超声分散沉积法制备了SiO_2/Metal balls/InP结构纳米天线样品,研究了沉积时间对纳米Ag颗粒沉积效果的影响,发现沉积时间在2 h至3 h之间较为合适。对制备的分散较为均匀的样品在生长SiO_2薄膜前后进行了测试,发现Metal balls/InP结构纳米天线透过率随着入射光波长的增加而增大,但在1μm附近波段的透过率基本没有增强效果;在生长SiO_2薄膜之后,1μm附近波段的透过率得到了显着的提高,并且在1-1.7μm波段的透过率都相对得到了增强,与理论模拟结果定性吻合。摸索了亚波长金属光栅与背照射30μm中心距InGaAs线列器件的集成工艺。经过匀胶、电子束光刻、金属蒸发、剥离等工艺,在SiO_2/InP衬底上制备得到了金属材料为Al的亚波长光栅,实测的样品栅条宽度约205 nm,周期约409nm,占空比约为50%,与设计预期的结构相一致。在背照射InGaAs器件上进行了光栅制备,为了解决背照射器件的光刻对准问题,引入了金套刻标记;所制备的光栅按照2×2的阵列模式,分别取0°、45°、90°,135°四个设计角度,获得了栅条清晰的四方向线栅结构。对集成金属光栅的InGaAs探测器进行了性能测试,由测试结果可见,器件具有明显的偏振探测特性,在1310nm波长的偏振消光比为11,高于国外文献报道的同类型器件性能。
梁志清[7]2017年在《宽光谱热释电探测器制备与性能研究》文中进行了进一步梳理热释电探测器与其他探测器相比具有光谱响应宽、价格低、体积小、重量轻、室温探测等优点。近年来在军事、民用、环保、医疗等领域有着广阔的应用前景。因此,制备高性能的热释电探测器对我国国家安全及国民经济都具有重要意义。本论文结合室温热释电探测器的发展前沿,以热释电单元探测器结构设计、探测器敏感单元制备、探测器制备以及吸收材料等为重点研究目标,研究并制备了基于超薄钽酸锂晶片的热释电单元器件,探测器在黑体的激励下实现红外波段的室温探测,在太赫兹源的激励下实现太赫兹波段的室温探测。本文的主要研究内容和成果分为以下几个方面:1.热释电探测器的结构设计与仿真设计了热释电探测器敏感元热力学结构,构建了基于钽酸锂晶片热释电探测器光学吸收膜系,提高了吸收膜系的辐射吸收率。相对于传统的热释电探测器,采用热绝缘性能更好的支撑立柱结构,一层金属薄膜用作辐射吸收层增加在敏感元结构顶层,利用金属薄膜的电阻损耗吸收辐射能量,同时,增加探测单元表面积,利用高表体比金属薄膜提高辐射的吸收量。设计了四根支撑立柱的探测单元支撑结构,建立了基于此结构的有限元分析模型,对其进行热学仿真与力学仿真,研究此支撑结构情况下敏感元温升变化和形变变化情况。仿真结果表明:敏感元大小尺寸1.2×1.2mm~2,桥腿宽度150×150μm~2,采用七层结构的敏感元吸收层结构在红外及太赫兹波段都有良好的温升曲线。在钽酸锂晶片残余应力值为+50MPa时敏感元中心形变量最小,器件的力学性能达到最佳。在敏感元光学仿真分析中,通过对薄膜电导率和厚度的控制来优化敏感元结构的吸收率。2.热释电探测器的结构制备制定并实现了七层结构的制备工艺路线,采用IntelliSuite软件完成各层的设计,然后采用微机械加工技术进行敏感元结构的制备,得到基于钽酸锂晶片的七层敏感单元结构。采用的支撑立柱绝缘性能更好,有利于提高器件的探测响应率。用硅片最为衬底,衬底第一面溅射Au,第二面喷涂合成树脂,采用飞秒激光器加工出支撑立柱,在立柱的表面溅射Au层,用有机立柱作为主要的导热途径,通过控制立柱的Au层电阻来控制立柱的热导。3、热释电敏感材料的制备提出了机械研磨抛光加化学腐蚀的晶片减薄方法。利用基于H_2O_2和KOH的腐蚀溶液对钽酸锂晶片进行腐蚀减薄,得到厚度为10μm,表面平整,粗糙度较低的钽酸锂晶体薄片。对10μm的晶体薄片进行了热释电系数测试,得到25℃时热释电系数p=1.81×10~(-4)C/Km~2。4.宽光谱吸收薄膜研究采用镍铬纳米金属薄膜作为热释电探测器的吸收层薄膜。通过对镍铬薄膜的优化处理实现了其在红外及太赫兹波段的宽光谱吸收最大化。化学腐蚀工艺方法处理后的镍铬薄膜表面粗糙化,增大了薄膜的有效吸收面积,形成一种增强吸收的吸收膜结构。化学腐蚀方法可以制备较小厚度、高表体比的镍铬薄膜,有效的增强了镍铬纳米金属薄膜辐射吸收性能。5.热释电探测器性能测试对制备的宽光谱电流型热释电探测器进行封装,完成单元器件测试平台的设计与搭建,最后利用此平台测试器件各项性能。采用黑体辐射源作为器件在红外波段辐射源,采用高功率太赫兹激光器作为器件在太赫兹波段的辐射源,测试了热释电单元探测器的噪声与响应特性,得到器件的电压响应率、噪声、等效噪声功率NEP及探测率。测试结果表明,在10Hz调制频率下,红外波段噪声等效功率(NEP)达到0.776×10~(-10)W/Hz~(1/2),探测率达到1.55×10~9cmHz~(1/2)/W,热释电单元探测器在2.56 THz辐射下,10Hz调制频率时其噪声等效功率(NEP)达到1.34×10~(-10)W/Hz~(1/2),探测率达到8.97×10~8cmHz~(1/2)/W,其电响应时间为1.16ms。
王楷群[8]2010年在《热电堆红外探测器的设计与性能测试》文中提出在红外系统中,红外探测器是最关键的元件之一,是红外装置的心脏,利用红外探测原理将红外辐射信号转换为电信号输出。热电堆红外探测器是非制冷型探测器,具有以下特点：1)可以在室温下工作,而且制造成本低；2)对各个波长的红外辐射均有响应；3)接收到红外辐射后,是通过声子对晶格温度的影响,进而影响该探测器的电学性能；4)检测恒定的辐射量,在恒定的红外辐射量下就会有响应输出。热电堆红外探测器在军事和民用上应用也极其广泛。本论文以热电堆红外探测器为研究对象,从理论与工艺两方面进行了探索,在此基础上,对该探测器进行了性能测试。理论上,针对本文设计的热电堆红外探测器结构,建立了探测器一维热稳态热传导模型,从五个方面(吸收区尺寸、热偶条尺寸、介质支撑膜尺寸、背腔腐蚀窗口尺寸、测试条件)表述了对热电堆红外探测器性能的影响。此外,对探测器进行了热稳态有限元仿真和瞬态有限元仿真,得到了探测器的温度分布云图、热量梯度分布云图、热通量分布云图、温度分布路径分析图和响应时间仿真图,对于探测器接受红外辐射之后的热响应有了直观的表象。热电堆红外探测器的整个制备过程是在中国科学院微电子研究所加工完成的,为了能够顺利地完成整个流片过程,我们首先进行了一系列的关键工艺的单项实验：热电堆红外探测器介质支撑膜的制备单项实验；热电堆红外探测器多晶硅热偶条方阻测试单项实验；热电堆红外探测器多晶硅、氮化硅刻蚀条件单项实验；热电堆红外探测器钝化层制备的单项实验；热电堆红外探测器反射层制备的单项实验；热电堆红外探测器背腔腐蚀硅方案验证实验。在此基础上,设计了完整的工艺流片过程,成功地制备出基于单层低应力氮化硅薄膜的热电堆红外探测器。在实验设计方面,本文对热电堆红外探测器进行了以下几方面的测试：热电堆红外探测器吸收区红外透射谱测试；热电堆红外探测器不同结构尺寸性能测试对比实验；热电堆红外探测器频率响应特性实验；热电堆红外探测器黑体炉温度响应测试实验；热电堆红外探测器吸收层红外吸收特性对比实验；热电堆红外探测器反射层覆盖性能对比实验。以上测试结果表明探测器受结构尺寸变化(吸收区尺寸、热偶条长度、背腔腐蚀窗口尺寸)而表现出不同的响应；在不同调制频率作用下,探测器的响应率和探测率会随着频率的增大而减小,这与探测器本身的热容变化密不可分；在不同黑体炉温度下(范围在403K-823K),本文所设计的探测器会由于不同的等效红外吸收率而在温度较低区域显示更好的性能；在性能改进实验中,添加碳黑和金属反射层对探测器的性能有显着提高。本文研究创新点主要体现在：a)突破了传统的SiO2-Si3N4叁明治式介质支撑膜的制备方法,采用单层低应力氮化硅薄膜作用为探测器的介质支撑膜,实现了厚度可调的探测器介质支撑膜的简单工艺制备方法。b)结合APIE封蜡和CRY封蜡保护探测器正面图形的方法,方法简单易于实现,大大提高了探测器的成品率。c)本文研究了热电堆红外探测器吸收区红外透射光谱,得到了不同厚度的红外吸收薄膜的红外透射谱和添加碳黑前后的吸收区薄膜的红外透射谱,采用分段拟合的方法更为准确地定量描述了探测器实际吸收的红外光谱。d)在探测器的吸收区添加碳黑,在热偶条冷端覆盖钛金反射层,通过实验证明了二者有助于探测器性能的提高。
杨海波[9]2010年在《多孔硅基MEMS非制冷红外探测器微结构与工艺研究》文中研究表明本论文基于MEMS非制冷红外探测器,详述了非制冷红外微测辐射热计的原理、关键参数及研究现状,对器件结构及热敏材料进行了研究。提出了一套基于多孔硅(PS)技术的非制冷红外微测辐射热计工艺流程,进行了器件的工艺流程设计,研究了绝热结构对器件性能的影响,并进行热学和力学分析;对MEMS工艺中关键问题进行分析讨论,通过工艺改进、优化探测器制备工艺及测辐射热计支撑结构的设计,进行工艺流程的调整。提出多孔硅作为微测辐射热计绝热层的新思路,在微热敏系统中采用多孔硅作为绝热层可以获得快速的温度变化响应和低的热损耗,提高了系统的稳定性和可靠性。本文对多孔硅的制备方法、孔隙率、厚度、硅片类型及微观结构与性能的关系进行详细研究,并进行了相应的计算机模拟;介绍了多孔硅材料纳米力学及热学测试的一些基本方法;利用显微拉曼光谱法研究了多孔硅绝热层材料的微观结构与其绝热性能的关系;利用纳米压痕仪测量其硬度和杨氏模量,得到多孔硅力学性能与微观结构的关系。利用直流对靶反应磁控溅射法制备氧化钒薄膜(VOx),研究了基底条件对氧化钒薄膜微观结构、纳米力学性能及电阻温度性能的影响;对于VOx/PS/Si结构进行了制备和性能测试,研究了多孔硅基底的表面微结构对VOx薄膜的微观结构及生长过程的影响,同时进行了VOx/PS/Si薄膜结构的纳米力学性能测试,并对其电阻温度性能进行了研究。对于非制冷红外微测辐射热计结构进行了ANSYS结构设计及Intellisuite工艺模拟。实验通过对非制冷红外微测辐射热计结构设计中将会起主要影响作用的各种因素的理论分析,进而对各种设计思路进行实际建模分析,得到理想中的结构。同时进行了微测辐射热计的工艺流程和版图设计,并进行了工艺验证,并提出相应的工艺优化方案。利用MEMS微制造技术形成微桥结构得以实现微米量级化,进而满足制造非制冷阵列探测系统的需要,为红外成像技术的发展开拓了道路。
杨金也[10]2014年在《基于8～11μm红外窗口系统中减反射与保护膜的研制》文中认为随着现代军事空间技术的快速发展,对红外探测器的要求越来越高。同时,对红外光学元件的要求也越来越苛刻。本文主要研究硫化锌(ZnS)基底表面减反与保护膜的制备技术,采用介质膜与硬膜复合方法,通过对不同材料的对比分析,最终选取碳化锗(Ge1-xCx)材料作为介质膜与DLC类金刚石保护膜的过渡层。利用电子束与离子源辅助沉积技术制备介质膜；磁控溅射技术制备过渡层碳化锗；化学气相沉积技术制备DLC类金刚石保护膜,解决了介质膜与类金刚石保护膜应力匹配的问题,并通过对多种沉积工艺的整合,得到一套稳定的工艺制备流程。最终在硫化锌基底上制备出的减反射与保护膜平均透过率达到92%,硬度符合要求。
参考文献：
[1]. 红外探测器窗口制备与性能分析[D]. 崔海霞. 长春理工大学. 2004
[2]. 热释电钽酸锂薄膜红外探测器原理和制备研究[D]. 张德银. 电子科技大学. 2008
[3]. 高In组分InGaAs探测材料微光敏区表征方法研究[D]. 李平. 中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所). 2017
[4]. 低暗电流锑化物Ⅱ类超晶格红外探测材料的制备及相关基础研究[D]. 任洋. 云南师范大学. 2016
[5]. 一种无排气嘴型非制冷红外焦平面探测器的封装设计与研究[D]. 刘人华. 电子科技大学. 2016
[6]. 基于纳米天线结构的短波红外增强效应机理研究[D]. 姚鹏飞. 中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所). 2018
[7]. 宽光谱热释电探测器制备与性能研究[D]. 梁志清. 电子科技大学. 2017
[8]. 热电堆红外探测器的设计与性能测试[D]. 王楷群. 中北大学. 2010
[9]. 多孔硅基MEMS非制冷红外探测器微结构与工艺研究[D]. 杨海波. 天津大学. 2010
[10]. 基于8～11μm红外窗口系统中减反射与保护膜的研制[D]. 杨金也. 长春理工大学. 2014
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