非晶硅微测辐射热探测器的现状与发展
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
[ 2]
。 热释电型探
测器的热敏电阻材料主要使用钛酸锶钡 ( BS T ) 、锆 钛酸铅( PZ T) ; 温差热电堆型探测器的热敏电阻材 料主要有多晶硅( poly-Si) 和铝( A l) ; 微测辐射热计 的热 敏 电 阻 材 料 主 要 有 非 晶 硅 ( a-Si) 、氧 化 钒 ( VO x ) 、 钛( T i) 及钇钡铜氧( YBaCuO) 等
120 ～ 640 ×480 元的 VO x 非致冷红外探测器 , 其噪 声等效温差 ( N ET D) 为 20 ～ 100 m K 。 目前 , 美国 BAE 公司和 DRS 公司都 正在 研究 1 024 ×1 024 元、 像 元 尺寸 15 μ m 、N ET D 为 50 mK 的 大规 模 VO x 非致冷红外探测器 。 VO x 非致冷红外探测 器的最大难点是与标准硅集成电路工艺兼容性差 、 制备工艺流程相对复杂 。 非晶硅( a-Si) 的 T CR 与氧化钒相当 , 是一种极 具发展前途的微测辐射热探测器热敏电阻材料 。 这 种薄 膜材料常采 用等离子 增强化学 气相沉积 ( P ECVD) 制备 , 可实现大面积 、低温( 小于 350 ℃ ) 和均匀成膜 , 与标准硅集成电路工艺完全兼容 。 此 外 , 还具有其他许多优点 : 具有良好的机械性能 , 可 制造有自支撑结构的悬空薄膜结构 , 减少了光刻层 数 , 使制备工艺简单 ; 由于无需额外支撑层 , 可制成 很薄( 100 nm 左右) 的悬浮膜片 , 使像元的热时间常 数很小 ; 由于具有较小的热导率 , 桥腿可以制成简单 的 I 型( 如图 2( b) 所示) , 能保证有效的热绝缘 , 从 而使微桥结构具有较高的占空比和机械强度 , 能够
· 173 ·
氧化钒( VO x ) 对室温电阻温度变化很敏感 , 可 得到较大的 T CR( 一般为 -2 % / K ～ -3 % /K) 、电 阻值可控制在几 千欧至几万欧 、 1/ f 噪声较低 、薄 膜沉积技术成熟等优点 , 是目前非致冷红外焦平面 ( IRF PA) 首选的热敏电阻材料 。 美国 Ray theon 公 司、 BAE 公 司 、DRS 公 司 、Indigo 系 统 公 司 、日 本 NEC 公司以及以色列 SCD 公司等都能生产 160 ×
SEMICONDUCTOR OPTOELECTRONICS Vol . 30 No . 2
Apr. 2009
外探测器研制起步较晚 , 而且主要集中在部分高等 院校和研究院所 , 目前未见具有自主知识产权的产 品面市 。 2. 1 国外非晶硅微测辐射热探测器的发展现状 法国的 CEA-L ET I/ LIR 机构早从 1986 年就开 始研发非致冷红外技术 , 1993 年初步制定了微测辐 射热探测器像元微桥结构 , 并选择 a-Si 作为热敏电 阻材料 , 如今取得了很大的进展[ 9] , 打破了美国在这 一领域的垄断地位 。 1998 年 , L ET I/ LIR 研究出第一个 a-Si 微测辐 射热探测器原型[ 10] , 其性能参数见表 1 。 这种原型 的探测器热敏感膜采用高掺杂的 a-Si 薄膜 , 通过控 制沉积参数 , 在 4 英寸圆硅片上沉积的薄膜不均匀 性小于 7 %, 且具有较低的低频噪声 , 比低掺杂的 aSi 薄 膜 更 容 易 控 制 电 阻 , 室 温 下 其 T C R 为 2 . 5% / K 。 在 a-Si 热敏感膜上用 PECVD 方法沉 积一层 8 nm 的 TiN 薄膜作为红外吸收层 , 增大对 红外 光 的吸 收 。 a-Si 热 敏 感 膜 与 读 出 集 成 电 路 ( ROIC) 上 Al 反射层之间距离为 2 . 5μ m , 形成 1/ 4 波长共振腔 , 对 8 ～ 12 μ m 波长的平均光吸收提高大 约 60 %。 从 2000 年始 , LET I/ LI R 与 Sof radi 公司 合作 开发基于 a-Si 薄膜 材料的 微测辐射 热探测 器 , 由 L ET I/ L IR 提供技术 , Sof radi r 下属 U LIS 公司负责 产品开发 , 生产出像元间距为 45 μ m 的第一代 aSi 微测辐射热探测器产品 : UL 01011 型和 U L01021E 型
的 a-Si 非致 冷 红外 探 测器 研 发机 构 , 经 其授 权 , Sof radir 下属的 UL IS ( 非致冷低成本红外传感 器) 公司将 L ET I/ L IR 的最新 成果转换为工业规模产 品 , 其各系列产品现已成为市场上的主流产品 。 美 国 Ray theon 商用红外公司 、 德州 L-3 通讯红外线产 品公司 、澳大利亚国防科学技术署[ 7] 和奥地利研究 中心[ 8] 等 , 也都在研究基于 a-Si 薄膜材料的非致冷 红外探测器 。 国内基于 a-Si 薄膜材料 的非致冷红
Recent Development and Status of Amorphous Silicon Microbolometers
GONG Yu-g uang , LI Wei , JIANG Ya-dong , CH EN Chao , CAI H ai-ho ng , LI Z hi
University of Electronic Science and Technology of China , Chengdu 610054 , CHN)
摘 要: 基于非晶硅薄膜材料的微测辐射热探测器凭借其成本低 、 结构简单 、 可大规模生产 等优势 , 在过去十几年间发展迅速 , 其焦平面阵列由最初的 160 × 120 小规模发展到目前的 1 024 × 768 大规模 , 像元间距也由 50 μ m 减少到 17 μ m 。 简要介绍了作为微测辐射热探测器的热敏电阻材 料的优缺点 , 重点评述了具有代表性的非晶硅微测辐射热探测器的研究现状及发展趋势 。 关键词 : 非晶硅 ; 微测辐射热探测器 ; 阵列结构 ; 性能特点 ; 发展趋势 中图分类号 :T N214 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 5868( 2009) 02 -0172 06
[ 6]
1 微测辐射热探测器的结构及其热敏 电阻材料
微测辐射热探测器的基本工作原理是目标物温 度变化引起探测器热敏感膜材料电阻变化 , 由读出 电路检测电阻变化值 。 普遍采用的像元微桥结构如 图 1 所示 , 主要由读出集成电路( ROIC) 、金属 Al 反 射层 、 桥柱 、 桥腿和热敏感膜组成 , Al 反射层与热敏 感膜之间形成 1/ 4 波长共振腔 。
图 1 微测辐射热探测器像元的微桥结构
承受高速率振动和高强度冲击 ; 由于采用与标准硅 集成电路兼容的工艺 , 所制像元成功率和可操作性 强 , 从而降低生产成本 , 易实现大批量生产 。 但是 , a-Si 薄膜也存在一定的不足 : 由于结构无定形 , 1/ f 噪声比 VO x 高 ; 由于室温电阻偏高 , 需要掺杂和改 变成膜工艺来降低薄膜电阻 ; 由于存在光子衰退现 象( SW 效应) , 需要经过特殊热处理等后处理方法 来提高薄膜的稳定性 。
收稿日期 : 2008 -10 -21 . · 172 ·
用[ 1] 。 目前 , 热敏红外探测器主要有三种 : 热释电( 铁 电) 型 、温差热电堆型和微测辐射热计型 , 其核心元 件是热敏电阻 。 微测辐射热计型的响应速度比热电 堆型高 , 制作工艺比热释电型简单 , 且无需斩波器 , 在市场中所占生产量份额逐年上升
[ 3]
, 目前市
场上主要产品采用的是 VO x 和 a-Si 。 本文简介微测 辐射热探测器像元微桥结构 , 比较作为微测辐射热
《 半导体光电》 2009 年 4 月第 30 卷第 2 期
龚宇光 等 : 非晶硅微测辐射热探测器 的现状与发展
探测器热敏电阻材料的 VO x 和 a-Si 各自特点 , 重点 评述基于 a-Si 微测辐射热探测器的国内外发展现 状及趋势 。
2 非晶硅微测辐射热探测器的发展现 状
目前 , 相对于 VO x 非致冷红外探测器而言 , 研 究和开发基于 aSi 非致冷红外探测器的研究机构 和公司相对较少 。 C EA-L ET I/ LIR( 法国原子能委 员会与信息技术实验室/ 红外实验室) 是全球最著名
图 2 微测辐射热探测器微桥结构( 部分) SEM 照片
0 引言
红外探测器是把不可见的红外辐射转换成可测 量的其他物理量 , 用以觉察它的存在和测量它的强 弱 , 可分为光子型和热敏型两类 。 目前市场上比较 成熟的是光子型探测器 , 虽然其性能高 , 但必须在低 温下工作 , 需要庞大的制冷设备 , 整个系统体积大 、 结构复杂 、 成本高 , 无法实现大规模推广应用 。 热敏 型红外探测器属于非致冷型 , 具有成本低 、体积小 、 重量轻 、 功耗小 、 响应波段宽且可大规模批量生产等 特点 , 在夜视 、 精确制导 、红外跟瞄等军事领域以及 消防 、公安 、工业 控 制等 民 用领 域有 着 广泛 的 应
在选 择 热 敏 电 阻 材 料 时 , 除 电 阻 温 度 系 数 ( T C R) 外 , 还需考虑薄膜电阻 、薄膜噪声及制 备工 艺等因素 。 常用微测辐射热探测器的热敏电阻材料 主要有金属和半导体薄膜 , 目前用的比较多的材料 为 VO x 和 a-Si 。 由于 VO x 和 a-Si 材料的本 身性质 不同 , 微测辐射热探测器微桥结构的桥腿和桥柱也 有所不同 , 如图 2 所示[ 4-5] 。
1 2 2 1 1 1
( 1. State Key Laboratory of Electronic Thin Films & Integrated Devices ;2 .School of Optoelectronic Information ,
Abstract : Wi th the advant ages of low cost , sim ple st ructure and m ass productio n , uncoo led am orpho us si licon microbolo meters have been developed rapidly ove r t he past decades . T he scale of f ocal plane array s w as increased f rom 160 ×120 to 1 024 ×768 , w hile t he scale of pixel pit ch w as decreased f rom 50 μ m to 17 μ m .In this paper , some charact eri stics of t he sensi tive membrance m aterials o f uncooled am orpho us silico n microbolo meters we re evaluated , and the st atus and develo pment trends of some t ypical amorphous silicon mi crobolo meters bo th at home and abroad w as int ro duced and sum mari zed ex tensively . Key words : am orpho us sili con ; mircobo lomet er ; focal plane array ; charact eri st ics ; development tendency
SEMICONDUCTOR OPTOELECTRONICS Vol . 30 No . 2
Apr. 20Байду номын сангаас9
动态综述
非晶硅微测辐射热探测器的现状与发展
龚宇光1 , 李 伟2 , 蒋亚东2 , 陈 超1 , 蔡海洪1 , 李 志1
( 电子 科技大学 1 .光电信息学院 ; 2. 电子薄膜与集成器件国家重点实验室 , 成都 610054)
。 热释电型探
测器的热敏电阻材料主要使用钛酸锶钡 ( BS T ) 、锆 钛酸铅( PZ T) ; 温差热电堆型探测器的热敏电阻材 料主要有多晶硅( poly-Si) 和铝( A l) ; 微测辐射热计 的热 敏 电 阻 材 料 主 要 有 非 晶 硅 ( a-Si) 、氧 化 钒 ( VO x ) 、 钛( T i) 及钇钡铜氧( YBaCuO) 等
120 ～ 640 ×480 元的 VO x 非致冷红外探测器 , 其噪 声等效温差 ( N ET D) 为 20 ～ 100 m K 。 目前 , 美国 BAE 公司和 DRS 公司都 正在 研究 1 024 ×1 024 元、 像 元 尺寸 15 μ m 、N ET D 为 50 mK 的 大规 模 VO x 非致冷红外探测器 。 VO x 非致冷红外探测 器的最大难点是与标准硅集成电路工艺兼容性差 、 制备工艺流程相对复杂 。 非晶硅( a-Si) 的 T CR 与氧化钒相当 , 是一种极 具发展前途的微测辐射热探测器热敏电阻材料 。 这 种薄 膜材料常采 用等离子 增强化学 气相沉积 ( P ECVD) 制备 , 可实现大面积 、低温( 小于 350 ℃ ) 和均匀成膜 , 与标准硅集成电路工艺完全兼容 。 此 外 , 还具有其他许多优点 : 具有良好的机械性能 , 可 制造有自支撑结构的悬空薄膜结构 , 减少了光刻层 数 , 使制备工艺简单 ; 由于无需额外支撑层 , 可制成 很薄( 100 nm 左右) 的悬浮膜片 , 使像元的热时间常 数很小 ; 由于具有较小的热导率 , 桥腿可以制成简单 的 I 型( 如图 2( b) 所示) , 能保证有效的热绝缘 , 从 而使微桥结构具有较高的占空比和机械强度 , 能够
· 173 ·
氧化钒( VO x ) 对室温电阻温度变化很敏感 , 可 得到较大的 T CR( 一般为 -2 % / K ～ -3 % /K) 、电 阻值可控制在几 千欧至几万欧 、 1/ f 噪声较低 、薄 膜沉积技术成熟等优点 , 是目前非致冷红外焦平面 ( IRF PA) 首选的热敏电阻材料 。 美国 Ray theon 公 司、 BAE 公 司 、DRS 公 司 、Indigo 系 统 公 司 、日 本 NEC 公司以及以色列 SCD 公司等都能生产 160 ×
SEMICONDUCTOR OPTOELECTRONICS Vol . 30 No . 2
Apr. 2009
外探测器研制起步较晚 , 而且主要集中在部分高等 院校和研究院所 , 目前未见具有自主知识产权的产 品面市 。 2. 1 国外非晶硅微测辐射热探测器的发展现状 法国的 CEA-L ET I/ LIR 机构早从 1986 年就开 始研发非致冷红外技术 , 1993 年初步制定了微测辐 射热探测器像元微桥结构 , 并选择 a-Si 作为热敏电 阻材料 , 如今取得了很大的进展[ 9] , 打破了美国在这 一领域的垄断地位 。 1998 年 , L ET I/ LIR 研究出第一个 a-Si 微测辐 射热探测器原型[ 10] , 其性能参数见表 1 。 这种原型 的探测器热敏感膜采用高掺杂的 a-Si 薄膜 , 通过控 制沉积参数 , 在 4 英寸圆硅片上沉积的薄膜不均匀 性小于 7 %, 且具有较低的低频噪声 , 比低掺杂的 aSi 薄 膜 更 容 易 控 制 电 阻 , 室 温 下 其 T C R 为 2 . 5% / K 。 在 a-Si 热敏感膜上用 PECVD 方法沉 积一层 8 nm 的 TiN 薄膜作为红外吸收层 , 增大对 红外 光 的吸 收 。 a-Si 热 敏 感 膜 与 读 出 集 成 电 路 ( ROIC) 上 Al 反射层之间距离为 2 . 5μ m , 形成 1/ 4 波长共振腔 , 对 8 ～ 12 μ m 波长的平均光吸收提高大 约 60 %。 从 2000 年始 , LET I/ LI R 与 Sof radi 公司 合作 开发基于 a-Si 薄膜 材料的 微测辐射 热探测 器 , 由 L ET I/ L IR 提供技术 , Sof radi r 下属 U LIS 公司负责 产品开发 , 生产出像元间距为 45 μ m 的第一代 aSi 微测辐射热探测器产品 : UL 01011 型和 U L01021E 型
的 a-Si 非致 冷 红外 探 测器 研 发机 构 , 经 其授 权 , Sof radir 下属的 UL IS ( 非致冷低成本红外传感 器) 公司将 L ET I/ L IR 的最新 成果转换为工业规模产 品 , 其各系列产品现已成为市场上的主流产品 。 美 国 Ray theon 商用红外公司 、 德州 L-3 通讯红外线产 品公司 、澳大利亚国防科学技术署[ 7] 和奥地利研究 中心[ 8] 等 , 也都在研究基于 a-Si 薄膜材料的非致冷 红外探测器 。 国内基于 a-Si 薄膜材料 的非致冷红
Recent Development and Status of Amorphous Silicon Microbolometers
GONG Yu-g uang , LI Wei , JIANG Ya-dong , CH EN Chao , CAI H ai-ho ng , LI Z hi
University of Electronic Science and Technology of China , Chengdu 610054 , CHN)
摘 要: 基于非晶硅薄膜材料的微测辐射热探测器凭借其成本低 、 结构简单 、 可大规模生产 等优势 , 在过去十几年间发展迅速 , 其焦平面阵列由最初的 160 × 120 小规模发展到目前的 1 024 × 768 大规模 , 像元间距也由 50 μ m 减少到 17 μ m 。 简要介绍了作为微测辐射热探测器的热敏电阻材 料的优缺点 , 重点评述了具有代表性的非晶硅微测辐射热探测器的研究现状及发展趋势 。 关键词 : 非晶硅 ; 微测辐射热探测器 ; 阵列结构 ; 性能特点 ; 发展趋势 中图分类号 :T N214 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 5868( 2009) 02 -0172 06
[ 6]
1 微测辐射热探测器的结构及其热敏 电阻材料
微测辐射热探测器的基本工作原理是目标物温 度变化引起探测器热敏感膜材料电阻变化 , 由读出 电路检测电阻变化值 。 普遍采用的像元微桥结构如 图 1 所示 , 主要由读出集成电路( ROIC) 、金属 Al 反 射层 、 桥柱 、 桥腿和热敏感膜组成 , Al 反射层与热敏 感膜之间形成 1/ 4 波长共振腔 。
图 1 微测辐射热探测器像元的微桥结构
承受高速率振动和高强度冲击 ; 由于采用与标准硅 集成电路兼容的工艺 , 所制像元成功率和可操作性 强 , 从而降低生产成本 , 易实现大批量生产 。 但是 , a-Si 薄膜也存在一定的不足 : 由于结构无定形 , 1/ f 噪声比 VO x 高 ; 由于室温电阻偏高 , 需要掺杂和改 变成膜工艺来降低薄膜电阻 ; 由于存在光子衰退现 象( SW 效应) , 需要经过特殊热处理等后处理方法 来提高薄膜的稳定性 。
收稿日期 : 2008 -10 -21 . · 172 ·
用[ 1] 。 目前 , 热敏红外探测器主要有三种 : 热释电( 铁 电) 型 、温差热电堆型和微测辐射热计型 , 其核心元 件是热敏电阻 。 微测辐射热计型的响应速度比热电 堆型高 , 制作工艺比热释电型简单 , 且无需斩波器 , 在市场中所占生产量份额逐年上升
[ 3]
, 目前市
场上主要产品采用的是 VO x 和 a-Si 。 本文简介微测 辐射热探测器像元微桥结构 , 比较作为微测辐射热
《 半导体光电》 2009 年 4 月第 30 卷第 2 期
龚宇光 等 : 非晶硅微测辐射热探测器 的现状与发展
探测器热敏电阻材料的 VO x 和 a-Si 各自特点 , 重点 评述基于 a-Si 微测辐射热探测器的国内外发展现 状及趋势 。
2 非晶硅微测辐射热探测器的发展现 状
目前 , 相对于 VO x 非致冷红外探测器而言 , 研 究和开发基于 aSi 非致冷红外探测器的研究机构 和公司相对较少 。 C EA-L ET I/ LIR( 法国原子能委 员会与信息技术实验室/ 红外实验室) 是全球最著名
图 2 微测辐射热探测器微桥结构( 部分) SEM 照片
0 引言
红外探测器是把不可见的红外辐射转换成可测 量的其他物理量 , 用以觉察它的存在和测量它的强 弱 , 可分为光子型和热敏型两类 。 目前市场上比较 成熟的是光子型探测器 , 虽然其性能高 , 但必须在低 温下工作 , 需要庞大的制冷设备 , 整个系统体积大 、 结构复杂 、 成本高 , 无法实现大规模推广应用 。 热敏 型红外探测器属于非致冷型 , 具有成本低 、体积小 、 重量轻 、 功耗小 、 响应波段宽且可大规模批量生产等 特点 , 在夜视 、 精确制导 、红外跟瞄等军事领域以及 消防 、公安 、工业 控 制等 民 用领 域有 着 广泛 的 应
在选 择 热 敏 电 阻 材 料 时 , 除 电 阻 温 度 系 数 ( T C R) 外 , 还需考虑薄膜电阻 、薄膜噪声及制 备工 艺等因素 。 常用微测辐射热探测器的热敏电阻材料 主要有金属和半导体薄膜 , 目前用的比较多的材料 为 VO x 和 a-Si 。 由于 VO x 和 a-Si 材料的本 身性质 不同 , 微测辐射热探测器微桥结构的桥腿和桥柱也 有所不同 , 如图 2 所示[ 4-5] 。
1 2 2 1 1 1
( 1. State Key Laboratory of Electronic Thin Films & Integrated Devices ;2 .School of Optoelectronic Information ,
Abstract : Wi th the advant ages of low cost , sim ple st ructure and m ass productio n , uncoo led am orpho us si licon microbolo meters have been developed rapidly ove r t he past decades . T he scale of f ocal plane array s w as increased f rom 160 ×120 to 1 024 ×768 , w hile t he scale of pixel pit ch w as decreased f rom 50 μ m to 17 μ m .In this paper , some charact eri stics of t he sensi tive membrance m aterials o f uncooled am orpho us silico n microbolo meters we re evaluated , and the st atus and develo pment trends of some t ypical amorphous silicon mi crobolo meters bo th at home and abroad w as int ro duced and sum mari zed ex tensively . Key words : am orpho us sili con ; mircobo lomet er ; focal plane array ; charact eri st ics ; development tendency
SEMICONDUCTOR OPTOELECTRONICS Vol . 30 No . 2
Apr. 20Байду номын сангаас9
动态综述
非晶硅微测辐射热探测器的现状与发展
龚宇光1 , 李 伟2 , 蒋亚东2 , 陈 超1 , 蔡海洪1 , 李 志1
( 电子 科技大学 1 .光电信息学院 ; 2. 电子薄膜与集成器件国家重点实验室 , 成都 610054)