cmos兼容之微机械热电堆探测器设计

《cmos兼容之微机械热电堆探测器设计》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、CMOS兼容之微机械热电堆探测器设计第一章绪论1.1红外技术及红外探测器技术1.1.1红外技术红外技术主要是研究红外辐射的产生、传播、转化、测量以及应用[2]，红外光是波长范围为0.75μm~1000μm的电磁波。在光谱学中，大体上将红外光划分为三个波段：波长范围为0.75μm至3.0μm的近红外光、波长范围为3.0μm至20μm的中红外光、波长范围为20μm至1000μm的远红外光[3]。发展至今，红外技术不管是在军事领域（如红外成像、红外制导、红外预警

2、等）还是在民用领域（如红外报警、遥感测温、气体检测等），都有着举足轻重的地位[4]。1.1.2红外探测器红外探测器的发展是红外技术发展的先导。红外探测技术是一门深远的技术科学，实际上，它就是把产生出来的看不见的红外光转化成可以测量的各种信号。当物体表面的温度高于绝对零度（-273℃）时，就会产生热辐射，而此热辐射产生的光谱主要位于红外波段，所以自然界中任何物体都可以看作为一个红外辐射源；红外探测器的主要任务就是检测该红外辐射的存在，测定它的强度并将其转变为其他形式的能量以便应用[5]。按照工作原理，可将

3、红外探测器区分为热红外探测器和光子红外探测器两大类[6]，详细说明见图1.1。本质上，热红外探测器是一种核心探测元件比较敏感的器件，当探测元件接收到入射红外辐射后，器件本身产生热量，进而温度升高，而后利用各种特殊的物理效应把该温升转化为可测量的电量；光子红外探测器的探测元件的材料主要属于半导体范畴，和热探测器一样，光子探测器接收到入射辐射后最终都转换为可测量的信号；不同的是，它是利用半导体材料直接把入射的光子转化成电载流子来进行工作。最古老的热敏型红外探测器就是前面提到的BE（分子束外延生长）工艺制成的

4、III-V族材料可以弥补碲镉汞方面的不足，探测的波长能够被调节、也可以进行多色探测，这是因为III-V族材料的组份相对于碲镉汞来说更加容易被控制、被调整，进而起关键作用的量子阱的阱宽和垒高等参数也较容易被改变；而且其材料生长工艺、器件制作工艺成熟，适用于制作大面阵探测器。与此同时，随着微机电系统（MEMS）的发展，微机械热电堆红外探测器因其体积小、室温环境下工作、响应频谱宽等众多光子探测器无法企及的优势，开始在红外探测器研究及应用领域崭露头角[10]。早期的红外探测器是以分立元器件的方式存在的，后来着眼

5、于分辨率和灵敏度的改善，被发展为有线列和小面阵形式，现今已发展到扫描型、凝视型焦平面阵列以及非制冷焦平面阵列，以后的发展趋势为双色或多色凝视型焦平面阵列以及价格便宜的非制冷焦平面阵列。原先的红外探测器的工作范围一般都是在近红外波段，后来随着红外探测技术的快速发展，红外探测器在中红外波段甚至远红外波段也能进行有效的工作。在大气环境中，有三个所谓的大气窗口，波长范围分别是1μm~3μm、3μm~5μm、8μm~13μm，而目标物体的红外辐射只能在这三个范围内进行传输，原始

6、的红外探测器只能在单波段内进行探测；目前，多波段的红外探测系统已经研制成功，适用于更多的应用需求[11-12]。红外探测器不仅被广泛应用于军事及民用领域，还应用于种类繁多的红外产品，概括如图1.2。第二章微机械热电堆红外探测器的设热电堆红外探测器的性能是由其结构和热偶条、吸收层的材料决定的，本章通过选择合适的器件组成材料、引入特殊功能结构，设计出了一种高响应率、低噪声、宽响应频谱的新型热电堆探测器结构。整个微机械热电堆红外探测器一般包括（硅）基体，框架，热电堆，热结区，吸收层等五部分。其中，基体同时作为

7、热电堆的冷结区，吸收层及其附近位置构成热结区。为了提高探测器的性能，通常需要热结区和冷结区之间具有良好的隔热，使得它们之间的热传导缓慢，增强塞贝克效应。当吸收层吸收红外辐射后，热结区的温度上升，这个温升使得温度为环境温度的冷结区与热结区之间出现了温度梯度，不需要施加任何偏置电压，热电材料的塞贝克效应就可以将这个温度梯度直接转换成电压输出[40]。通过对电压及其变化的测量就可确定探测器所吸收的红外辐射。第三章微机械热电堆红外探测器的工艺流程.......253.1微机械热电堆红外探测器的版图设计.....

8、...253.1.1整体版图....253.1.2分层版图....263.2微机械热电堆红外探测器的关键工艺....313.2.1隔离槽的刻蚀与填充........323.2.2隔离槽平坦化........363.2.3多晶硅离子注入.....393.2.4最小线条连接金属的光刻......413.3微机械热电堆红外探测器的工艺流程与制作........443.4本章小结........53第四章结论与展望....554.1本文主要研究工作