基于非晶硅薄膜的微测辐射热计光学仿真和优化
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摘要:基于非晶硅薄膜的非制冷微测辐射热计具有结构简单、易于大规模集成、工艺兼容以及良好 探测性能等特点,在红外探测领域等受到关注。引入氮化钛薄膜作为新型红外吸收材料,通过光学 导纳矩阵法,对基于非晶硅薄膜的微测辐射热计的红外吸收特性,进行了仿真和优化研究。结果表 明,非晶硅微测辐射热计中,氮化钛/非晶硅复合薄膜具有良好的红外吸收性能。当非晶硅薄膜厚度 为 120 nm时,由氮化钛/非晶硅组成的膜系在 8~14 μm范围内具有 96%左右的红外吸收率,其中氮 化钛薄膜的最佳吸收厚度为 32 nm。 关键词:非晶硅;氮化钛;微测辐射热计;光学仿真 中图分类号:TN215 文献标识码:A 文章编号:1001-8891(2012)06-0319-07
收稿日期:2012-04-06;修订日期:2012-05-21.
作者简介:何敏(1986-),男,四川人,电子科技大学在读研究生。主要从事红外焦平面器件结4 卷 第 6 期 2012 年 6 月
红 外 技 术 Infrared Technology
Vol.34 No.6 June 2012
模非制冷红外探测器[2],采用氧化钒薄膜。同为热 阻型热敏薄膜的非晶硅, 具有较高的电阻温度系数、 良好的自支撑特性、较佳的热隔离性能及与良好的 与硅半导体工艺兼容性, 同样受到业界关注。 目前, 从事非晶硅非制冷红外探测器研究的主要机构包 括: 法国原子能委员会与信息技术实验室/红外实验 室(CEA-LETI/LIR) 、美国Raytheon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[3]和奥地利研究中心[4]等。CEA-LETI/LIR授 权的ULIS公司已经研制出像元间距为 17 μm、阵列 大小为 1024×768 元、低热时间常数的非晶硅微测 最佳性能系数 (FOM) 辐射热计, NETD小于 40 mK、 小于 280 mK·ms[5]。 微测辐射热计的光学性能是其光、热、电、力 学等基本性能中最重要的性能,在器件的设计过程 中必须重点进行研究。光学性能的提高不仅可以通 过象元结构的改进、薄膜制备及其性能优化得到, 还可以进一步通过采用红外吸收材料以增强红外吸 收来实现[6]。目前,基于非晶硅薄膜的非制冷微测 辐射热计,红外吸收材料常采用氮化硅、氧化硅、 氧化钛、非晶碳、多孔硅及黑硅等[7]。无红外吸收 层而仅由单层非晶硅薄膜构成的微测辐射热计,红 外吸收率仅能达到 70%左右[8]。可见,红外吸收效 率亟待提高,以获得更高的探测效率。 氮化硅、多孔硅、氧化钛等材料在红外领域已 有不少的研究,被广泛使用在一些光学器件和镜头 之中,通过周期复合的方式,以提升器件的光学性 在大规模阵列器件设计和制造成本的制约下, 能[9]。 寻求简单高效的器件结构及材料也成为一种趋势。 氮化钛薄膜具有熔点高、硬度大、导电导热性能优 良的特点,不仅作为耐磨硬质涂层广泛应用于各种 切削工具、机械部件,也作为装饰薄膜应用于各种 装饰行业[10]。氮化钛薄膜可以通过在化学气相沉积 (CVD)条件下由四氯化钛辉光放电裂解实现薄膜 沉积,或通过磁控溅射的方法进行薄膜沉积。相关 研究表明,氮化钛薄膜在可见光区表现为半透光状 态。在近红外波段,当氮化钛薄膜厚度为 90 nm左 右时,其反射超过 75%[11]。但是,当氮化钛薄膜厚 ,表现出一定的红外吸收特 度较薄时(小于 70 nm) 性。本文将磁控溅射工艺制备得到的氮化钛薄膜应 用于非晶硅微测辐射热计,采用带微腔的多层膜模 型,对其在中远红外波段的吸收特性进行了初步研 究,对比分析和优化。
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引言
微测辐射热计非制冷红外探测器具有常温工 作、低功耗、易集成以及良好稳定性等特点,在军 民领域已经显示出了巨大的市场潜力。自从美国霍 尼韦尔公司在上个世纪 90 年代率先开发出微测辐 射热计非制冷红外探测器原型以来, 经过 20 多年的 发展,目前已成为非制冷红外探测领域重要的研究 对象[1]。
Abstract:Uncooled micro-bolometer based on hydrogenated amorphous silicon(α-Si:H) thin film has attracted many attentions in the infrared (IR) field of civilian and military applications due to its simple cell-structure, good compatibility for large scale integration and effective detection. In this paper, we bring in titanium nitride as a novel infrared absorption material and carry out some optical simulation and optimization on the infrared absorbing performance of micro-bolometers based on α-Si:H thin film. The results show that when the a-Si:H thin film is taken as 120 nm thick, the combined thin film layer consisting of TiN and α-Si:H has a high infrared absorption as high as 96% in the wavelength from 8 μm to 14 μm, in which the best thickness of TiN thin film is 32 nm. Key words:α-Si:H,micro-bolometer,TiN,optical simulation 微测辐射热计的工作原理是,目标温度变化引 起探测器敏感薄膜电学性质变化,通过读出电路对 电学性质变化进行检测,最终实现对目标的探测。 微测辐射热计常用的敏感薄膜材料主要有金属与半 导体, 其中金属薄膜材料主要有钛和镍钴锰合金等, 半导体薄膜主要采用氧化钒与非晶硅。氧化钒薄膜 材料的沉积技术成熟, 噪声也较低。 目前, 美国BAE 公司和DRS公司正在研究的 1024×1024 元、 像元尺 噪声等效温差NETD为 50 mK左右的大规 寸 15 μm、
第 34 卷 第 6 期 2012 年 6 月
红 外 技 术 Infrared Technology
Vol.34 No.6 June 2012
〈材料与器件〉
基于非晶硅薄膜的微测辐射热计光学仿真和优化
何 敏1,李 伟2,李雨励1,孙 言1,蒋亚东2
(1. 电子科技大学光电信息学院, 四川 成都 610054; 2. 电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室, 四川 成都 610054)
Optical Optimization and Simulation of Micro-bolometers Based on α-Si:H Thin Film
HE Min1,LI Wei2,LI Yu-li1,SUN Yan1,JIANG Ya-dong2
(1. School of Optoelectronic Information, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China; 2. State Key Laboratory of Electronic Thin Films & Integrated Devices, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China)