宽光谱热释电探测器制备与性能研究

发布时间：2020-04-09 11:48

【摘要】：热释电探测器与其他探测器相比具有光谱响应宽、价格低、体积小、重量轻、室温探测等优点。近年来在军事、民用、环保、医疗等领域有着广阔的应用前景。因此,制备高性能的热释电探测器对我国国家安全及国民经济都具有重要意义。本论文结合室温热释电探测器的发展前沿,以热释电单元探测器结构设计、探测器敏感单元制备、探测器制备以及吸收材料等为重点研究目标,研究并制备了基于超薄钽酸锂晶片的热释电单元器件,探测器在黑体的激励下实现红外波段的室温探测,在太赫兹源的激励下实现太赫兹波段的室温探测。本文的主要研究内容和成果分为以下几个方面:1.热释电探测器的结构设计与仿真设计了热释电探测器敏感元热力学结构,构建了基于钽酸锂晶片热释电探测器光学吸收膜系,提高了吸收膜系的辐射吸收率。相对于传统的热释电探测器,采用热绝缘性能更好的支撑立柱结构,一层金属薄膜用作辐射吸收层增加在敏感元结构顶层,利用金属薄膜的电阻损耗吸收辐射能量,同时,增加探测单元表面积,利用高表体比金属薄膜提高辐射的吸收量。设计了四根支撑立柱的探测单元支撑结构,建立了基于此结构的有限元分析模型,对其进行热学仿真与力学仿真,研究此支撑结构情况下敏感元温升变化和形变变化情况。仿真结果表明:敏感元大小尺寸1.2×1.2mm~2,桥腿宽度150×150μm~2,采用七层结构的敏感元吸收层结构在红外及太赫兹波段都有良好的温升曲线。在钽酸锂晶片残余应力值为+50MPa时敏感元中心形变量最小,器件的力学性能达到最佳。在敏感元光学仿真分析中,通过对薄膜电导率和厚度的控制来优化敏感元结构的吸收率。2.热释电探测器的结构制备制定并实现了七层结构的制备工艺路线,采用IntelliSuite软件完成各层的设计,然后采用微机械加工技术进行敏感元结构的制备,得到基于钽酸锂晶片的七层敏感单元结构。采用的支撑立柱绝缘性能更好,有利于提高器件的探测响应率。用硅片最为衬底,衬底第一面溅射Au,第二面喷涂合成树脂,采用飞秒激光器加工出支撑立柱,在立柱的表面溅射Au层,用有机立柱作为主要的导热途径,通过控制立柱的Au层电阻来控制立柱的热导。3、热释电敏感材料的制备提出了机械研磨抛光加化学腐蚀的晶片减薄方法。利用基于H_2O_2和KOH的腐蚀溶液对钽酸锂晶片进行腐蚀减薄,得到厚度为10μm,表面平整,粗糙度较低的钽酸锂晶体薄片。对10μm的晶体薄片进行了热释电系数测试,得到25℃时热释电系数p=1.81×10~(-4)C/Km~2。4.宽光谱吸收薄膜研究采用镍铬纳米金属薄膜作为热释电探测器的吸收层薄膜。通过对镍铬薄膜的优化处理实现了其在红外及太赫兹波段的宽光谱吸收最大化。化学腐蚀工艺方法处理后的镍铬薄膜表面粗糙化,增大了薄膜的有效吸收面积,形成一种增强吸收的吸收膜结构。化学腐蚀方法可以制备较小厚度、高表体比的镍铬薄膜,有效的增强了镍铬纳米金属薄膜辐射吸收性能。5.热释电探测器性能测试对制备的宽光谱电流型热释电探测器进行封装,完成单元器件测试平台的设计与搭建,最后利用此平台测试器件各项性能。采用黑体辐射源作为器件在红外波段辐射源,采用高功率太赫兹激光器作为器件在太赫兹波段的辐射源,测试了热释电单元探测器的噪声与响应特性,得到器件的电压响应率、噪声、等效噪声功率NEP及探测率。测试结果表明,在10Hz调制频率下,红外波段噪声等效功率(NEP)达到0.776×10~(-10)W/Hz~(1/2),探测率达到1.55×10~9cmHz~(1/2)/W,热释电单元探测器在2.56 THz辐射下,10Hz调制频率时其噪声等效功率(NEP)达到1.34×10~(-10)W/Hz~(1/2),探测率达到8.97×10~8cmHz~(1/2)/W,其电响应时间为1.16ms。
【图文】：

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电子科技大学博士学位论文的要求，如响应更高、响应更快、稳定性更好、功耗更小、性能更加优越。在新的应用要求的牵引下，伴随半导体工艺的快速发展，热释电探测器目前正向着更高响应、更快响应时间、更高性能以及更低成本的方向发展。总体来说，非制冷是目前红外探测器发展的主流趋势，而热探测器是非制冷探测技术发展的主体方向，热释电探测器又是热探测器中重要的一种器件。常用的热释电探测器如图 1-2 所示。在热释电探测器的研究过程中，对于热释电材料的研究尤为突出，相比于其他热释电材料，钽酸锂晶体（LiTaO3）介电损耗小，制成的器件具有较大的探测率。是目前热释电器件的的发展主流。而基于钽酸锂的热释电红外探测器大多数为薄膜型热释电探测器或复合结构型热释电探测器[100-102]，其探测率可以达到 2.21 109cmHz1/2/W。基于热释电薄膜的太赫兹探测器目前较成熟的是热释电薄膜太赫兹探测器[103]及基于石墨烯场效应晶体管的室温太赫兹探测器[104]，其噪声等效功率 NEP 达到 10-10W/Hz1/2。

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基于钽酸锂晶体的热释电探测器性能与晶体材料的性能及其晶体的结构有着密不可分的关系。钽酸锂晶体由六角晶胞结构构成，在氧八面体中心，阳离子按照-Li-Ta-空位及-Li-Ta的堆叠顺序排列且沿C轴方向延续，如图2-1所示，结构中Ta5+和Li+阳离子相对位置的偏移导致产生热自发极化现象[106]。在顺电相时，，Li和Ta分别位于氧平面和氧八面体的中心，无自发极化，在铁电相时，Li和Ta都沿着C轴发生了位移，分别偏离了氧平面和氧八面体的中心，产生了自发极化。钽酸锂晶体从顺电相到铁电相的转变居里点温度为630℃。钽酸锂晶体是畸变钙钛矿型结构，它的晶格是具有氧八面体ABO3结构。从图2-1可看出，钽酸锂是三方晶系，该晶系中每层都由氧原子组成，按六角密堆积结构排列，Li和Ta占据了氧原子层间的2/3的八面体间隙。其六角晶胞常数为：aH=5.1543埃
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH74

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