基于CMOS工艺的横向多晶硅p^＋p^-n^＋结红外微测辐射热计

基于多晶硅p-n结正向压降的温度特性,应用标准CMOS工艺,结合体硅微机械加工技术,研制成功非制冷红外微测辐射热计.本文详细分析了横向多晶硅p+p-n+结的温度特性,给出了正向压降温度变化率的理论表达式和实验测量值;并描述了微测辐射热计的设计思路和制作工艺.实验结果表明在室温(284～253K)附近,横向多晶硅p+p-n+结正向压降的温度变化率为1.5mV/K;在3～5μm红外波段,微测辐射热计的电压响应率为5.7×103V/W,黑体探测率D*为1.2×108cm.Hz1/2.W-1.     

用于测辐射热计热敏材料的多晶锗硅薄膜的研究

根据测辐射热计对热敏感材料的要求,采用超高真空化学气相淀积(UHVCVD)法制备出多晶Si0.7Ge0.3薄膜,研究了B离子注入剂量、退火工艺与电导率和电阻温度特性的相关性,因此确定出了最佳的工艺条件,并利用其制备出了探测率高达3.75×108cmHz1/2.W-1的测辐射热计。     

128元非致冷氧化钒红外探测器的制作

采用新工艺在氮化硅衬底上制备了室温时电阻温度系数为 - 0 .0 2 1K-1的氧化钒薄膜 ,以此为基础 ,利用光刻和反应离子刻蚀工艺在硅衬底上制作了 12 8元氧化钒红外探测器 .为了降低探测器敏感元与衬底间的热导 ,设计制作了自支撑的微桥结构阵列 .测试结果显示探测器的响应率和探测率在 8～ 12 μm的长波红外波段处分别达到10 4V/W和 2× 10 8cmHz1/ 2 W-1.     

128×128硅衍射微透镜阵列的设计与制备

通过考虑互相关联的光学和工艺参数 ,设计了 3～ 5μm红外 12 8× 12 8硅衍射微透镜阵列。阵列中微透镜的孔径为 10 0μm,透镜 F数为 f / 1.5,微透镜阵列的中心距为 10 0μm。采用多次光刻和离子束刻蚀技术在硅衬底表面制备衍射微透镜阵列。对实际的工艺过程和制备方法进行了讨论 ,对制备出的 12 8× 12 8硅衍射微透镜阵列的光学性能和表面浮雕结构进行了测量。     

基于非制冷微测辐射热计的非晶硅锗薄膜电学特性研究

采用等离子体增强化学气相沉积方法(PECVD)制备了应用于微测辐射热计的非晶硅锗薄膜(a-SixGey),并研究了不同反应气体流量比GeH4 /SiH4对薄膜电学性能参数(电阻温度系数TCR和电导率)的影响。研究结果表明,随着流量比GeH4 /SiH4的增大,薄膜电阻温度系数降低,电导率则呈现上升趋势。所制备的薄膜表现出了高TCR值(约3.5%/K-1),适中的电导率(1.47×10-3(Ω·cm)-1)和优良的薄膜电阻均匀性(非均匀性<5%),在微测辐射热计热敏材料领域具有良好的应用前景。Abstract:关键词:Key words:     

微测辐射热计阵列结构的制备

为了研究和优化二氧化钒（VO2）微测辐射热计的制备工艺,采用微电子机械系统（MEMS）体硅工艺制备了VO2微测辐射热计,经过研究和改进制备工艺,制得的微测辐射热计结构稳定,成品率高;经测试及计算,其响应率可达34.3kV/W,探测率为1.2×10^8cm.Hz1/2/W,响应时间约为65.3ms。此器件性能达到国内外同类器件水平。     

8相位256×256衍射微透镜的设计与制作

介绍了衍射微透镜阵列的设计原理与制作工艺方法,在此基础上研制出适用于3～5μm波长256×256PtSi红外焦平面的8相位256×256硅衍射微透镜阵列,阵列中微透镜的孔径为50μm,透镜F数为f/2.5,微透镜阵列的中心距为50μm.实测衍射效率大于80%,能在红外波前传感器中较好应用.     

具有时间延迟和积分功能的HgCdTe扫描焦平面线列阵

俄罗斯RD&P Center ORION发展了一种基于平面HgCdTe光电二极管列阵和定制硅集成读出电路的焦平面列阵技术.做在碲镉汞液相外延层上的光伏探测器列阵以及硅读出电路是通过铟丘连接在蓝宝石互连衬底上的.冷却的硅读出电路是用n-MOS工艺制作的.本文描述了一些3μm～5μm和8μm～12μm时间延迟和积分(TDI)扫描红外焦平面线列的一般结构和发展结果,这些焦平面线列的规格分别为4×48、2×96、4×128和2×256.介绍了基于碲镉汞外延层的光伏型列阵的性能.描述了以TDI模式工作的混成焦平面列阵的测试方法及典型的调查结果.在8μm～12μm波长范围内,带四个TDI元件的4×48和4×128焦平面列阵的探测率高于(1～2)×1011cmW-1Hz1/2,带两个TDI元件的2×96和2×256焦平面列阵的探测率高于(7～10)× 1010cmW-1Hz1/2.     

128×128PtSi红外焦平耐用硅衍射微镜阵列的设计与制备

通过考虑互相关联的光学和工艺参数,设计了3～5μm红外128×128硅衍射微透镜阵列.阵列中微透镜的孔径为50μm,透镜F数为f/2.5,微透镜阵列的中心距为50μm.采用多次光刻和离子束刻蚀技术在硅衬底表面制备衍射微透镜阵列.对实际的工艺过程和制备方法进行了讨论,对制备出的128×128硅衍射微透镜阵列的光学性能和表面浮雕结构进行了测量.     

横向多晶硅p+p-n+结非致冷红外焦平面

应用标准CMOS工艺,同时结合体硅微机械加工技术,研制成功横向多晶硅p p-n 微测辐射热计单元;基于研制成功的微测辐射热计,设计了规模为128×128面阵的非致冷红外焦平面.采用标准CMOS工艺制作横向多晶硅p p-n 结热敏响应元和读出电路;在CMOS工艺完成后,辅以与CMOS工艺兼容的体硅微机械加工工艺,制备微桥形式的热绝缘结构,从而方便地实现了CMOS读出电路与探测器阵列的单片集成.在3～5 μm红外波段,微测辐射热计的电压响应率为5.7×103 V/W,黑体探测率D·为1.2×108 cm·Hz1/2·W-1.焦平面采用行读出模式的结构,信号读出采用栅调制积分电路,输出级采用外接负载电阻的源极跟随电路,将探测器单元产生的信号按顺序串行单端输出.     

锰钴镍氧薄膜热敏型多元红外探测器研制

通过光刻和湿化学腐蚀工艺,成功制作出规格为2×8的多元锰钴镍氧薄膜红外探测器件.测试表明,室温下锰钴镍氧薄膜材料负电阻温度系数达-3.8%K-1.10 Hz调制频率和±15 V电压偏置条件下,线列器件典型探测元黑体响应率为107 V/W,探测率为2×107cmHz1/2/W,8元器件响应不均匀度为5.9%.实验结果表明锰钴镍氧薄膜焦平面器件制备的可行性,有可能作为新型室温全波段探测器件得到应用.     

双色量子阱红外探测器大面阵芯片的研制

采用GaAs/AlGaAs和InGaAs/AlGaAs多量子阱,研制出了双色同像素读取结构的中波/长波量子阱红外探测器及160×128元中波/长波双色多量子阱红外探测器芯片。器件的材料结构生长是采用分子束外延技术,在5.08 cm半绝缘GaAs衬底上完成的。发展了双色大面阵制备工艺,二维光栅的制备使用标准光刻和离子束刻蚀技术。在77 K时,对量子阱红外探测器测试,得到中、长波段峰值探测率分别为Dλ*=（1.61～1.90）×1010 cmHz1/2W-1和（1.54～2.67）×1010 cmHz1/2W-1。中、长波段峰值波长分别为(2.7~3.8) μm和8.3 μm。     

GaAs基短周期InAs/GaSb超晶格红外探测器研究

采用分子束外延(MBE)方法,在(001)GaAs衬底上生长了短周期Ⅱ型超晶格(SLs):InAs/GaSb (2ML/8ML)和InAs/GaSb (8ML/8ML).从X射线衍射(HRXRD)中计算出超晶格周期分别为31.2和57.3.室温红外透射光谱表明两种超晶格结构在短波2.1μm和中波5μm处有明显吸收.通过腐蚀、光刻和欧姆接触,制备了短波和中波的单元光导探测器.在室温和低温下进行光谱响应测试和黑体测试,77K下,50%截止波长分别为2.1μm和5.0μm,黑体探测率D·bb均超过2×108cmHz1/2/W.室温下短波探测器D·bb超过108cmHz1/2/W.     

Determination of Thermal Parameters of Vanadium Oxide Uncooled Microbolometer Infrared Detector

Vanadium oxide thin films are the potential candidates for uncooled microbolometers due to their high temperature coefficient of resistance (TCR) at room temperature. A 2D array of 10-element test microbolometer without air-gap thermal isolation structure was fabricated with pulsed laser deposited vanadium oxide as IR sensing layer for the first time. Infrared responsivity of the uncooled microbolometer was evaluated in the spectral region 8-15 μm. The device exhibits responsivity of about 12 V/W at 30 Hz chopper frequency for 20 μA bias current. Thermal time constant (τ), Thermal conductance (G) and thermal capacitance (C) are the thermal parameters characterize the performance of the uncooled microbolometer infrared detectors are determined as 15 ms, ～10^-3 W/K and ～3.5 × 10^-5 J/K respectively. The influence of the thermal parameters on the performance of the microbolometer is discussed.     

Stressed and unstressed Ge:Ga detector arrays for airborne astronomy

We have constructed and used two dimensional arrays of both unstressed and stressed Ge:Ga photoconductive detectors for far-infrared astronomy from the Kuiper Airborne Observatory (KAO). The 25 element (5×5) arrays are designed for a new cryogenically cooled spectrometer, the MPE/UCB Far-Infrared Imaging Fabry-Perot Interferometer (FIFI). All of the pixels for the stressed array performed well on the first flights with FIFI; 25% of the detectors in the array are more sensitive than our best single element detector, with background limited noise equivalent powers (NEPs)?3.0×10^?15 W Hz^?1/2 at 158 μm and 40 km s^?1 spectral resolution. The average array element performs within±15% of this value. With a bias field of 0.1 V/cm, the average detector response is 20±6 Amp/Watt at 158 μm. The cutoff wavelength and response also compare well with our single element detectors. The unstressed array delivers significantly better performance than our single element detector due to the lower thermal background in the new spectrometer. The average background limited NEp at 88 μm and 35 km s^?1 spectral resolution is ～7×10^?15 W Hz^?1/2. The least sensitive pixel is only 40% less sensitive. The unstressed array response at 88 μm with a bias field of 1 V/cm is 5±1 Amp/Watt. Twenty four of the 25 elements worked on the first flights-on subsequent flights all channels have worked. Some of the exciting new science possible with far-infrared detector arrays is also discussed.     

Monolithic Uncooled 8 × 8 Bolometer Arrays Based on Poly-SiGe Thermistor

This paper presents a monolithic uncooled 8 × 8 bolometer array with polycrystalline silicon-germanium (poly-SiGe) thermistors as active elements. The poly-SiGe films are deposited by ultrahigh vacuum vapor deposition (UHV/CVD) system and the dependence of the temperature coefficient of resistance (TCR) on annealing temperature has been investigated. To decrease the thermal conductance of the bolometer, the poly-SiGe thermistor was formed on a four leg suspended microbridge. The improved porous silicon micromachining techniques described here enable the integration of the bolometer array with the MOS readout circuitry. The measurements and calculations show that the mean responsivity is 1.07 × 10⁴ V/W with an uncorrected uniformity of 10.5% and a thermal response time of 10.5 ms, and the detectivity of 3.75 × 10⁸ cm Hz^1/2/W is achieved at a chopping frequency of 30 Hz and a bias voltage of 5 V.     

基于N-on-P结构的背照射延伸波长640×1线列InGaAs探测器

在N-on-P型In0.78Al0.22As/In0.78Ga0.22As外延材料上,采用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术制备了背照射640×1线列InGaAs探测器芯片,研究了探测器光电性能.结果表明,室温下单元器件响应截止波长和峰值波长分别为2.36μm和1.92μm,平均优值因子(R0A)为16.0Ω.cm2,峰值量子效率达到了37.5%;在1 ms积分时间下焦平面探测器平均峰值探测率达到了2.01×1011 cmHz1/2/W,响应非均匀性为8.77%,盲元率约为0.6%.     

Performance and materials aspects of Ge:Be photoconductors

Ge:Be photoconductors have been developed for low photon background applications in the 30–50 μm wavelength region. These detectors provide higher responsivity and lower noise equivalent power (NEP) than the Ge:Ga detectors currently operating in this wavelength range. Berylliumdoped single crystals were grown by the Czochralski method from a carbon susceptor under a vacuum of ～ 10^?6 torr. We report an optimum detective quantum efficiency of 46% at a background flux of 1.5×10⁸ photons/second (7×10^?13 W). Ge:Be detector performance is strongly influenced by the absolute concentrations and the concentration ratio of residual shallow donors and shallow acceptors.     

Sr_(0.3)Ba_(0.7)Bi_(3.7)La_(0.3)Ti_4O_(15)铁电陶瓷的烧结及介电性能

采用两步烧结工艺制备Sr0.3Ba0.7Bi3.7La0.3Ti4O15铁电陶瓷,研究了烧结工艺对陶瓷的晶相和介电性能的影响。结果表明:适当提高最高温度、保温温度和保温时间可改善陶瓷的介电性能。当最高温度为1180～1200℃,在1050～1080℃保温5～15h时,其εr为238～262,tanδ小于10–2,σ为1.0×10–11～10–12S·m–1。该烧结工艺可减少铋的挥发,降低氧空位浓度,因而减弱了陶瓷的高温低频耗散现象。随着保温时间的增加,高温电导得到有效抑制,在1050℃保温15h样品的σ降低了一个数量级,在280℃时为5.2×10–9S·m–1。     

一种与CMOS工艺兼容的热电堆红外探测器

报道了一种与CMOS工艺兼容的微机械热电堆红外探测器。提出了具有一对热电偶的两层悬浮结构,其占空因子达到80%以上,并采用P/N多晶硅作为热电偶材料,黑硅作为吸收层材料。给出了器件的工作原理,对性能优化与制作的工艺流程进行了分析,结合所选材料的基本参数,得到了优化后的结构尺寸。通过理论计算,可以获得响应率大于1000 V/W,探测率大于1×108cmHz1/2W-1,时间常数小于40ms,噪声等效温差小于30mK的性能优良的热电堆红外探测器。该器件的吸收层位于结构中的顶层,金属布线位于底层,便于与后续电路集成。单元大小为25 m×25 m,有利于制作非制冷红外焦平面阵列。