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非晶硅微测辐射热计的材料、设计、制备和测试研究

马铁英  
【摘要】: 非致冷红外焦平面阵列具有重量轻,无需制冷,成本低等优点,在军民两用领域里有着广泛的应用市场。目前日臻成熟的MEMS技术使得红外探测器例如微测辐射热计的性能得到飞速的提升。 非晶硅具有较高的电阻温度系数,而且是半导体工艺中最为常用的材料,成本低廉,大面积均匀性好,还可同CMOS工艺兼容,因此非晶硅在微测辐射热计中的应用已受到广泛关注。本文将从非晶硅的材料入手,结合器件的设计、制备和测试开展研究,以制备出高性能、低成本的器件。 我们采用PECVD技术制备了不同掺杂比的掺磷非晶硅薄膜,通过对其在不同退火时间和温度下的结构和电阻温度系数的性质研究,优化了材料性能。Raman散射光谱结果表明:未退火样品主要为非晶/微晶混合相;当退火温度从500℃上升到700℃,薄膜结构呈现出先向非晶相转变,后完全晶化的趋势:红外透射光谱揭示了薄膜内部的键合模式随生长工艺条件变化的规律,测量和分析了非晶硅红外热吸收与薄膜结构之间的关系。与此同时,电阻率和电阻温度系数随掺杂浓度及退火温度的增加而单调减小。根据Lu的模型,我们认为由Si-P键构成的晶界势垒高度的变化是上述变化的根本原因。据此,我们确定了掺杂比0.025,退火温度600℃的薄膜样品作为器件的敏感层材料,它的电阻率和电阻温度系数分别为15.65Ωcm和-1.7%。 针对微桥结构的热学设计,我们利用解析法计算和分析了两个主要的热电性能参数(电压灵敏度及热时间常数)随结构参数改变的规律,得出一组能兼顾这两个性能参数的结构尺寸优化值;并用有限元分析软件加以模拟,得出了器件的参数。在结构设计方面,我们充分考虑了制备与CMOS工艺的兼容性,提出一种正面开口的微测辐射热计结构,利用体硅各向异性腐蚀的特性形成悬浮的隔热结构,制作了微测辐射热单元。在斩波频率30Hz,直流偏压5V的条件下,实验测得器件响应率为8.685×10~3V/W,探测率2.451×10~7cmHz~(1/2)/W。这些工作为进一步研究高性能、低成本得非致冷红外探测面阵奠定了基础。


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