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热释电钽酸锂薄膜红外探测器原理和制备研究

作　者: 张德银
导　师: 黄大贵；李金华
学　校: 电子科技大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 红外探测器 LiTaO3 LiTa3O8 热释电 性能测试 MEMS 溶胶-凝胶 结构设计 理论模拟 薄膜
分类号: TN215
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要


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（LiTaO3）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（LiTa3O8）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LiTaO3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 LiTaO3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+：Ta5+=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Ta2O5和Li2CO3粉体为原料用固相反应烧结法制备了LiTa3O8陶瓷，和以乙醇锂、乙醇钽为原料用溶胶-凝胶法制备了LiTaO3粉体，用LiTaO3粉体与Ta2O5粉体混合烧结获得LiTa3O8陶瓷。XRD晶向测试发现：新制备的LiTa3O8陶瓷与Pouchard在1330℃烧结的LiTa3O8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LiTa3O8薄膜并具有正交相结构。测试了新制备的LiTa3O8和LiTaO3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，LiTa3O8薄膜的剩余极化强度比LiTaO3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LiTa3O8薄膜样品进行了热释电系数测试，结果显示LiTa3O8薄膜热释电系数约为14．07μC／m2K，比LiTaO3薄膜热释电系数122．80μC／m2K小。4．采用硅衬底背腐悬空结构，分别制备得到LiTaO3薄膜和LiTa3O8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LiTaO3薄膜和LiTa3O8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LiTaO3和LiTa3O8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LiTaO3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Rv达到最大值6．30×103V／W，测量误差为5％，星探测率D*达到最大值8．86×107cmHz1／2／W，测量误差为13％；对比研究LiTa3O8薄膜、硅衬底背腐悬空结构的单元探测器件，在100Hz，Rv为4．99×103V／W，D*为1．95×105cmHz1／2／W。在调制频率为100Hz时，LiTa3O8薄膜探测器的星探测率比LiTaO3薄膜探测器的小两个数量级，分析了星探测率变小的原因。

全文目录


摘要  5-7
ABSTRACT  7-14
第一章 绪论  14-24
  1.1 研究背景  14-16
  1.2 国内外研究现状  16-22
    1.2.1 热释电材料及其红外探测器的研究历史与现状  16-18
    1.2.2 钽酸锂薄膜及其红外探测器制备技术研究现状  18-22
  1.3 主要的研究内容和取得的创新研究成果  22-24
第二章 热释电红外探测器工作原理  24-36
  2.1 钽酸锂晶体结构与热释电效应  24-26
  2.2 热释电红外探测器工作原理  26-28
  2.3 热释电红外探测器的性能  28-35
    2.3.1 简化的集总参数模型  28-30
    2.3.2 噪声和星探测率  30-31
    2.3.3 横向热传导的影响  31-34
    2.3.4 热释电材料优值  34-35
  2.4 本章小结  35-36
第三章 多层热释电薄膜红外探测器结构设计  36-58
  3.1 探测器结构设计方案选择与比较  36-39
    3.1.1 结构设计方案  36-37
    3.1.2 四种结构方案的比较  37-39
  3.2 器件结构抗干扰设计  39-41
  3.3 探测器结构参数设计与仿真研究  41-56
    3.3.1 理论依据及仿真模拟软件  41
    3.3.2 一维热扩散分析  41-45
    3.3.3 探测器的电压响应  45-47
    3.3.4 探测器参数设计仿真结果与讨论  47-56
  3.4 本章小结  56-58
第四章 钽酸锂LiTaO_3薄膜溶胶凝胶法制备及性能研究  58-78
  4.1 溶胶-凝胶法  58-59
  4.2 LiTaO_3薄膜制备与测试  59-63
    4.2.1 LiTaO_3溶胶的配制  59-61
    4.2.2 衬底及底电极的选择与制备  61-62
    4.2.3 薄膜制备  62
    4.2.4 薄膜测试  62-63
  4.3 实验结果与讨论  63-76
    4.3.1 薄膜形貌分析  63
    4.3.2 衬底效应对薄膜结晶的影响  63-64
    4.3.3 薄膜厚度效应  64-66
    4.3.4 退火温度和退火顺序对薄膜制备的影响  66-68
    4.3.5 退火气氛对薄膜性能的影响  68-70
    4.3.6 不同底电极对LiTaO_3薄膜结晶性能的影响  70-73
    4.3.7 不同底电极对薄膜介电性能的影响  73-75
    4.3.8 不同底电极对薄膜铁电和漏电性能的影响  75-76
  4.4 本章小结  76-78
第五章 新型钽酸锂LiTa_3O_8薄膜制备和电性能研究  78-97
  5.1 引言  78-79
  5.2 LiTa_3O_8薄膜的溶胶-凝胶法制备  79-80
    5.2.1 LiTa_3O_8溶胶配制  79
    5.2.2 LiTa_3O_8薄膜样品制备  79-80
    5.2.3 LiTa_3O_8薄膜性能测试  80
  5.3 LiTa_3O_8陶瓷粉体制备与测试  80-81
    5.3.1 LiTa_3O_8陶瓷样品制备  80-81
    5.3.2 LiTa_3O_8陶瓷样品测试  81
  5.4 实验结果与讨论  81-91
    5.4.1 陶瓷样品结晶晶向和烧结温度关系  81-83
    5.4.2 薄膜和陶瓷结晶晶向比较  83-85
    5.4.3 溶剂和原料对LiTa_3O_8溶胶和薄膜制备的影响  85-87
    5.4.4 薄膜表面形貌分析  87
    5.4.5 薄膜的铁电性能分析  87-89
    5.4.6 薄膜和陶瓷介电性能分析  89-90
    5.4.7 薄膜样品漏电性能和抗击穿性能分析  90-91
  5.5 钽酸锂薄膜热释电系数测试  91-96
    5.5.1 热释电系数测量方法  91-93
    5.5.2 热释电系数测量系统组建  93-95
    5.5.3 热释电系数测量结果与讨论  95-96
  5.6 本章小结  96-97
第六章 钽酸锂薄膜红外探测单元器件制备  97-109
  6.1 引言  97-98
  6.2 基于MEMS技术的单元器件制备工艺  98-108
    6.2.1 底电极制备工艺  99-100
    6.2.2 新型热释电薄膜的制备工艺  100
    6.2.3 上电极的沉积工艺  100-101
    6.2.4 图形转移的光刻工艺  101-102
    6.2.5 电极引线工艺  102-103
    6.2.6 红外吸收层的沉积工艺  103
    6.2.7 基于MEMS的SiNx支架的制备  103-104
    6.2.8 MEMS体硅刻蚀工艺  104-107
    6.2.9 单元器件样品制备  107-108
  6.3 本章小结  108-109
第七章 钽酸锂薄膜红外探测单元器件热电响应测试  109-125
  7.1 热电响应测量方法  109-111
  7.2 热电响应测试系统的建立  111-114
  7.3 测量结果与讨论  114-123
    7.3.1 LiTaO_3薄膜探测器测试结果  114-118
    7.3.2 LiTa_3O_8薄膜探测器测试结果  118-121
    7.3.3 测量误差简要分析  121-122
    7.3.4 与其他研究结果的比较  122-123
  7.4 本章小结  123-125
第八章总结与展望  125-129
  8.1 全文总结  125-128
  8.2 工作展望  128-129
致谢  129-130
参考文献  130-135
攻读博士学位期间取得的研究成果  135-137

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 光电子技术、激光技术 > 红外技术及仪器 > 红外探测、红外探测器
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