微納VO-,2-薄膜特性及其應(yīng)用研究.pdf

1、高靈敏度的非致冷紅外焦平面的出現(xiàn)被認(rèn)為是近二十多年來(lái)紅外工程的最了不起的成就。相比于致冷型光子探測(cè)器，非致冷型探測(cè)器具有成本低、體積小、重量輕、功耗小、可靠性高等方面的優(yōu)點(diǎn)，引起了紅外成像應(yīng)用方面的廣泛的關(guān)注。 氧化釩微測(cè)輻射熱計(jì)是一種非致冷紅外熱探測(cè)器，它采用與標(biāo)準(zhǔn)的互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體準(zhǔn)CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor-CMOS）工藝兼容的表面微機(jī)械加工工藝，將陣列探

2、測(cè)器與讀出電路單片集成。目前已有像元面積25μm×25μm、陣列規(guī)模640×480的氧化釩微測(cè)輻射熱計(jì)，其噪聲等效溫差接近12mk。但是微測(cè)輻射熱計(jì)的性能改善還有很大的空間，特別是改善熱敏材料的性能。 本文圍繞微測(cè)輻射熱計(jì)通常使用的材料二氧化釩（Vanadium Dioxide-VO2）進(jìn)行研究，制備了微米及納米結(jié)構(gòu)VO2薄膜，研究了兩種材料的性能及其應(yīng)用，重點(diǎn)對(duì)兩種材料在紅外探測(cè)方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究。主要的研究成果如下:

3、 (1)進(jìn)行了微米結(jié)構(gòu)VO2薄膜研制工作。通過(guò)磁控濺射方法制備的該薄膜具有1～2μm平均晶粒度，相變溫度為68℃，在半導(dǎo)體區(qū)的電阻溫度系數(shù)（Temperature coefficient of Resistance-TCR）為-2.2％/K。 (2)開展了納米結(jié)構(gòu)VO2薄膜研究工作。該薄膜通過(guò)離子束濺射和后退火工藝制備，對(duì)薄膜的特性研究表明：薄膜晶粒度為8nm，35℃發(fā)生相變溫度，在材料的半導(dǎo)體相區(qū)TCR為-7％/K，較微米結(jié)

4、構(gòu)熱敏VO2的TCR高3倍多。 (3)制作了微米和及納米VO2線列128元紅外探測(cè)器，并對(duì)兩者的紅外探測(cè)性能進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：納米 VO2線列探測(cè)器的紅外響應(yīng)性能較微米VO2 線列探測(cè)器的紅外響應(yīng)性能得到了很大的提高，前者為后者的2～3倍。 (4)研制了以微米VO2薄膜為傳感材料，聚合物苯并環(huán)丁烯（Benzocyclobutene- BCB）為柔性襯底的柔性微測(cè)輻射熱計(jì)。對(duì)器件的測(cè)試表明：在800K的黑體輻照

5、、3Hz斬波頻率下，器件的響應(yīng)率和探測(cè)率分別為7.4×103V/W和6.9×107cmHz1/2/W。 (5)完成了微米VO2陣列（32×32）微測(cè)輻射熱計(jì)的研制工作，器件的制作工藝與CMOS工藝完全兼容。測(cè)試表明：在1V的偏壓下，器件的像元響應(yīng)率和噪聲等效溫差功率的典型值分別為1.47×104 W/K、4.14×10-10W。 (6)研究了低溫相變納米VO2薄膜智能窗在可見(jiàn)光區(qū)低透過(guò)率的改善方法。通過(guò)在納米VO2智能窗