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热释电钽酸锂薄膜红外探测器原理和制备研究

张德银  
【摘要】: 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。


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