BST熱釋電薄膜材料及在紅外探測器中的應(yīng)用基礎(chǔ)研究.pdf

1、熱釋電紅外探測器具有響應(yīng)光譜寬、功耗低、使用溫度寬和靈敏度高等特點(diǎn)，能在室溫實(shí)現(xiàn)紅外探測和熱成像，是國內(nèi)外爭相研究的高新技術(shù)。以熱釋電薄膜代替熱釋電陶瓷作為探測器的敏感材料既能降低成本又能大幅提升器件性能，可以獲得更廣泛的軍、民應(yīng)用，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)之一。因此，開展熱釋電薄膜材料及在紅外探測器中的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，具有重要的價值。
　　 本論文針對上述背景，以BST熱釋電薄膜為研究對象，利用倒筒靶射頻濺射技術(shù)和低溫自緩沖層技術(shù)

2、制備BST薄膜材料，根據(jù)漏電流隨偏置電壓、測試溫度和測試時間的變化規(guī)律，研究BST薄膜的經(jīng)時擊穿機(jī)理和調(diào)控方法，采用微細(xì)加工工藝制備BST薄膜紅外探測器，實(shí)現(xiàn)了以下研究目標(biāo)：在和讀出電路溫度兼容的條件下，制備出高性能的BST薄膜材料；消除了經(jīng)時擊穿，使BST薄膜材料能長期、穩(wěn)定的工作；測試了BST薄膜紅外探測器的光電響應(yīng)特性，驗(yàn)證了材料的熱釋電性能，為研制大陣列焦平面陣列器件提供了基礎(chǔ)。主要包含如下內(nèi)容：
　　 1.扼要介紹了倒

3、筒靶射頻濺射的原理，針對傳統(tǒng)倒筒靶濺射槍存在二次濺射和沉積速度低的缺點(diǎn)，發(fā)明了新型倒筒靶濺射槍。采用雙端口和埋入式多區(qū)域磁場設(shè)計，濺射槍能在500-700℃高溫環(huán)境長期、穩(wěn)定的工作，使射頻濺射的自偏壓提高了3-5倍，沉積速度高了4-5倍，為實(shí)現(xiàn)和讀出電路的溫度兼容奠定了基礎(chǔ)。
　　 2.通過分析BST熱釋電機(jī)理和紅外探測器的工作原理，發(fā)現(xiàn)了提高BST薄膜性能的關(guān)鍵是降低Pt/BST界面粗糙度和提高BST薄膜c軸取向度，以降低漏電

4、流和提高熱釋電系數(shù)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上發(fā)明了低溫自緩沖層技術(shù)，使Pt/BST界面RMS由10nm降為5.6nm，漏電流降低了1-2個數(shù)量級，BST薄膜由隨機(jī)取向變?yōu)閱我?001)擇優(yōu)取向，熱釋電系數(shù)增加到7.57×10-7Ccm-2.K-1，材料優(yōu)值因子達(dá)到了2.18×10-4 Pa-1/2，比其他熱釋電材料高了近1個數(shù)量級。
　　 3.通過對Pt/BST/NiCr導(dǎo)電機(jī)理的分析，計算出費(fèi)米能級、氧空位陷阱能級及

5、其隨能級的分布規(guī)律等微觀特征量。通過漏電流隨偏置電壓、測試溫度和測試時間變化規(guī)律的研究，發(fā)現(xiàn)BST薄膜的氧空位俘獲注入電子而形成空間電荷區(qū)是發(fā)生經(jīng)時擊穿的根本原因，發(fā)現(xiàn)在軟擊穿狀態(tài)時，加反向偏置電壓可以使已經(jīng)增大的漏電流恢復(fù)到初始狀態(tài)。研究表明，雙電容結(jié)構(gòu)和動態(tài)偏置電壓法能調(diào)控氧空位俘獲/脫俘電子的過程，使漏電流幾乎不隨時間發(fā)生變化，這是消除經(jīng)時擊穿的可靠方法，從根本上提高了BST熱釋電薄膜工作的可靠性。
　　 4.研究了雙電容

6、結(jié)構(gòu)的BST薄膜紅外探測器微細(xì)加工工藝，包括用剝離法進(jìn)行Pt/Ti下電極和NiCr上電極的圖形化，用化學(xué)蝕刻法進(jìn)行BST薄膜的圖形化。通過研究獲得了BST薄膜圖形化刻蝕劑的優(yōu)化配比為HF∶HCl∶H2O=1∶2∶20，蝕刻溫度為30℃，在此條件下蝕刻速率為21.2nm/s，側(cè)蝕比接近1∶1，圖形誤差0.6um，最大蝕刻容量為150mm2/ml(BST厚度500nm)。通過實(shí)驗(yàn)制備出以500nmSiO2薄膜為熱絕緣層、敏感元面積為0.13