MEMS集成室温红外探测器研究

【摘要】：近年来，采用微机械室温红外探测器实现热成像是MEMS领域和光学成像领域的研究热点。本文深入系统地研究了a-Si薄膜、polySiGe薄膜和a-Si TFT等三种常规硅基材料和器件的制备方法和热电特性，开发了一套新型的基于多孔硅牺牲层技术的MEMS-IC集成工艺，利用该工艺成功地制作了a-Si和polySiGe薄膜电阻式测辐射热计，在国际上首次提出并实现了基于a-Si TFT的室温红外探测器单元与8×8阵列原型，器件初步具备了室温红外热成像的能力。 论文首先研究了采用PECVD制备高品质a-Si薄膜的工艺，通过气相掺杂有效地调整了薄膜电阻率；采用UHVCVD制备了polySiGe薄膜，优化了热处理工艺条件；制作出了具有电学特性较好的a-Si TFT。测试并分析了a-Si和polySiGe薄膜的电阻温度特性和a-Si TFT的沟道电流温度特性，为实现高性能的室温红外探测器提供了热敏感元件。 其次，系统地研究了多孔硅的生长规律，实现了在中等电阻率的硅衬底上选择性地制备多孔硅作为牺牲层，开发了一种新型的基于多孔硅牺牲层技术的MEMS-IC集成工艺，提出了采用Si3N4/SiO2复合膜保护先行多孔硅的方法，研究了MOS关键工艺对封闭多孔硅的影响。 在理论分析和结构设计的基础上，对a-Si、polySiGe测辐射热计和a-Si TFT室温红外探测器进行了版图和工艺设计，采用基于多孔硅牺牲层技术的MEMS-IC集成工艺制作了多种结构尺寸的a-Si和PolySiGe测辐射热计，并且首次实现了a-Si TFT室温红外探测器及阵列，进行了多次工艺流水，器件成品率较高。搭建了黑体辐射响应和热成像测试平台，系统地测试了单元器件的电压灵敏度、热响应时间常数、噪声功率谱密度和探测率，二维阵列的均匀性等性能参数。结果表明，斩波频率为30Hz时，a-Si和polySiGe测辐射热计的最高探测率分别达到2.23×108和3.75×108cmHz1/2W-1，TFT室温红外探测器的最高探测率可达1.02×109 cmHz1/2W-1，达到目前国际先进水平。对8×8 TFT红外探测器阵列进行了初步的热成像实验，结果表明器件具备了热成像能力。