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微纳VO_2薄膜特性及其应用研究

何少伟  
【摘要】: 高灵敏度的非致冷红外焦平面的出现被认为是近二十多年来红外工程的最了不起的成就。相比于致冷型光子探测器,非致冷型探测器具有成本低、体积小、重量轻、功耗小、可靠性高等方面的优点,引起了红外成像应用方面的广泛的关注。 氧化钒微测辐射热计是一种非致冷红外热探测器,它采用与标准的互补型金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor-CMOS)工艺兼容的表面微机械加工工艺,将阵列探测器与读出电路单片集成。目前已有像元面积25μm×25μm、阵列规模640×480的氧化钒微测辐射热计,其噪声等效温差接近12mk。但是微测辐射热计的性能改善还有很大的空间,特别是改善热敏材料的性能。 本文围绕微测辐射热计通常使用的材料二氧化钒(Vanadium Dioxide-VO2)进行研究,制备了微米及纳米结构VO2薄膜,研究了两种材料的性能,重点对两种材料在红外探测方面的应用进行了研究。主要的研究成果如下: (1)进行了微米结构VO2薄膜研制工作。通过磁控溅射方法制备的该薄膜具有1~2μm平均晶粒度,相变温度为68℃,在半导体区的电阻温度系数(Temperature coefficient of Resistance-TCR)为-2.2%/K。 (2)开展了纳米结构VO2薄膜研究工作。该薄膜通过离子束溅射和后退火工艺制备,对薄膜的特性研究表明:薄膜晶粒度为8nm,35℃发生相变,在材料的半导体相区TCR为-7%/K,较微米结构热敏VO2的TCR高3倍多。 (3)制作了微米及纳米VO2线列128元红外探测器,并对两者的红外探测性能进行了对比测试。测试结果表明:纳米VO2线列探测器的红外响应性能较微米VO2线列探测器的红外响应性能得到了很大的提高,前者为后者的2~3倍。 (4)研制了以微米VO2薄膜为传感材料,聚合物苯并环丁烯(Benzocyclobutene- BCB)为柔性衬底的柔性微测辐射热计。对器件的测试表明:在800K的黑体辐照、3Hz斩波频率下,器件的响应率和探测率分别为7.4×103V/W和6.9×107cmHz1/2/W。 (5)完成了微米VO2阵列(32×32)微测辐射热计的研制工作,器件的制作工艺与CMOS工艺完全兼容。测试表明:在1V的偏压下,器件的像元响应率和噪声等效功率的典型值分别为1.47×104 W/K、4.14×10-10W。 (6)研究了低温相变纳米VO2薄膜智能窗在可见光区低透过率的改善方法。通过在纳米VO2智能窗上镀SiO2减反膜的方法取得了较好的试验效果,使智能窗在VO2薄膜半导体相和金属相的可见光区透过率都有不同程度的改善。


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