【摘要】：熱釋電探測(cè)器與其他探測(cè)器相比具有光譜響應(yīng)寬、價(jià)格低、體積小、重量輕、室溫探測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。近年來在軍事、民用、環(huán)保、醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。因此,制備高性能的熱釋電探測(cè)器對(duì)我國(guó)國(guó)家安全及國(guó)民經(jīng)濟(jì)都具有重要意義。本論文結(jié)合室溫?zé)後岆娞綔y(cè)器的發(fā)展前沿,以熱釋電單元探測(cè)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、探測(cè)器敏感單元制備、探測(cè)器制備以及吸收材料等為重點(diǎn)研究目標(biāo),研究并制備了基于超薄鉭酸鋰晶片的熱釋電單元器件,探測(cè)器在黑體的激勵(lì)下實(shí)現(xiàn)紅外波段的室溫探測(cè),在太赫茲源的激勵(lì)下實(shí)現(xiàn)太赫茲波段的室溫探測(cè)。本文的主要研究?jī)?nèi)容和成果分為以下幾個(gè)方面:1.熱釋電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真設(shè)計(jì)了熱釋電探測(cè)器敏感元熱力學(xué)結(jié)構(gòu),構(gòu)建了基于鉭酸鋰晶片熱釋電探測(cè)器光學(xué)吸收膜系,提高了吸收膜系的輻射吸收率。相對(duì)于傳統(tǒng)的熱釋電探測(cè)器,采用熱絕緣性能更好的支撐立柱結(jié)構(gòu),一層金屬薄膜用作輻射吸收層增加在敏感元結(jié)構(gòu)頂層,利用金屬薄膜的電阻損耗吸收輻射能量,同時(shí),增加探測(cè)單元表面積,利用高表體比金屬薄膜提高輻射的吸收量。設(shè)計(jì)了四根支撐立柱的探測(cè)單元支撐結(jié)構(gòu),建立了基于此結(jié)構(gòu)的有限元分析模型,對(duì)其進(jìn)行熱學(xué)仿真與力學(xué)仿真,研究此支撐結(jié)構(gòu)情況下敏感元溫升變化和形變變化情況。仿真結(jié)果表明:敏感元大小尺寸1.2×1.2mm~2,橋腿寬度150×150μm~2,采用七層結(jié)構(gòu)的敏感元吸收層結(jié)構(gòu)在紅外及太赫茲波段都有良好的溫升曲線。在鉭酸鋰晶片殘余應(yīng)力值為+50MPa時(shí)敏感元中心形變量最小,器件的力學(xué)性能達(dá)到最佳。在敏感元光學(xué)仿真分析中,通過對(duì)薄膜電導(dǎo)率和厚度的控制來優(yōu)化敏感元結(jié)構(gòu)的吸收率。2.熱釋電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)制備制定并實(shí)現(xiàn)了七層結(jié)構(gòu)的制備工藝路線,采用IntelliSuite軟件完成各層的設(shè)計(jì),然后采用微機(jī)械加工技術(shù)進(jìn)行敏感元結(jié)構(gòu)的制備,得到基于鉭酸鋰晶片的七層敏感單元結(jié)構(gòu)。采用的支撐立柱絕緣性能更好,有利于提高器件的探測(cè)響應(yīng)率。用硅片最為襯底,襯底第一面濺射Au,第二面噴涂合成樹脂,采用飛秒激光器加工出支撐立柱,在立柱的表面濺射Au層,用有機(jī)立柱作為主要的導(dǎo)熱途徑,通過控制立柱的Au層電阻來控制立柱的熱導(dǎo)。3、熱釋電敏感材料的制備提出了機(jī)械研磨拋光加化學(xué)腐蝕的晶片減薄方法。利用基于H_2O_2和KOH的腐蝕溶液對(duì)鉭酸鋰晶片進(jìn)行腐蝕減薄,得到厚度為10μm,表面平整,粗糙度較低的鉭酸鋰晶體薄片。對(duì)10μm的晶體薄片進(jìn)行了熱釋電系數(shù)測(cè)試,得到25℃時(shí)熱釋電系數(shù)p=1.81×10~(-4)C/Km~2。4.寬光譜吸收薄膜研究采用鎳鉻納米金屬薄膜作為熱釋電探測(cè)器的吸收層薄膜。通過對(duì)鎳鉻薄膜的優(yōu)化處理實(shí)現(xiàn)了其在紅外及太赫茲波段的寬光譜吸收最大化�；瘜W(xué)腐蝕工藝方法處理后的鎳鉻薄膜表面粗糙化,增大了薄膜的有效吸收面積,形成一種增強(qiáng)吸收的吸收膜結(jié)構(gòu)�；瘜W(xué)腐蝕方法可以制備較小厚度、高表體比的鎳鉻薄膜,有效的增強(qiáng)了鎳鉻納米金屬薄膜輻射吸收性能。5.熱釋電探測(cè)器性能測(cè)試對(duì)制備的寬光譜電流型熱釋電探測(cè)器進(jìn)行封裝,完成單元器件測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)與搭建,最后利用此平臺(tái)測(cè)試器件各項(xiàng)性能。采用黑體輻射源作為器件在紅外波段輻射源,采用高功率太赫茲激光器作為器件在太赫茲波段的輻射源,測(cè)試了熱釋電單元探測(cè)器的噪聲與響應(yīng)特性,得到器件的電壓響應(yīng)率、噪聲、等效噪聲功率NEP及探測(cè)率。測(cè)試結(jié)果表明,在10Hz調(diào)制頻率下,紅外波段噪聲等效功率(NEP)達(dá)到0.776×10~(-10)W/Hz~(1/2),探測(cè)率達(dá)到1.55×10~9cmHz~(1/2)/W,熱釋電單元探測(cè)器在2.56 THz輻射下,10Hz調(diào)制頻率時(shí)其噪聲等效功率(NEP)達(dá)到1.34×10~(-10)W/Hz~(1/2),探測(cè)率達(dá)到8.97×10~8cmHz~(1/2)/W,其電響應(yīng)時(shí)間為1.16ms。
【圖文】：

電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文的要求，如響應(yīng)更高、響應(yīng)更快、穩(wěn)定性更好、功耗更小、性能更加優(yōu)越。在新的應(yīng)用要求的牽引下，伴隨半導(dǎo)體工藝的快速發(fā)展，熱釋電探測(cè)器目前正向著更高響應(yīng)、更快響應(yīng)時(shí)間、更高性能以及更低成本的方向發(fā)展�？傮w來說，非制冷是目前紅外探測(cè)器發(fā)展的主流趨勢(shì)，而熱探測(cè)器是非制冷探測(cè)技術(shù)發(fā)展的主體方向，熱釋電探測(cè)器又是熱探測(cè)器中重要的一種器件。常用的熱釋電探測(cè)器如圖 1-2 所示。在熱釋電探測(cè)器的研究過程中，對(duì)于熱釋電材料的研究尤為突出，相比于其他熱釋電材料，鉭酸鋰晶體（LiTaO3）介電損耗小，制成的器件具有較大的探測(cè)率。是目前熱釋電器件的的發(fā)展主流。而基于鉭酸鋰的熱釋電紅外探測(cè)器大多數(shù)為薄膜型熱釋電探測(cè)器或復(fù)合結(jié)構(gòu)型熱釋電探測(cè)器[100-102]，其探測(cè)率可以達(dá)到 2.21 109cmHz1/2/W�；跓後岆姳∧さ奶掌澨綔y(cè)器目前較成熟的是熱釋電薄膜太赫茲探測(cè)器[103]及基于石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管的室溫太赫茲探測(cè)器[104]，其噪聲等效功率 NEP 達(dá)到 10-10W/Hz1/2。

基于鉭酸鋰晶體的熱釋電探測(cè)器性能與晶體材料的性能及其晶體的結(jié)構(gòu)有著密不可分的關(guān)系。鉭酸鋰晶體由六角晶胞結(jié)構(gòu)構(gòu)成，在氧八面體中心，陽離子按照-Li-Ta-空位及-Li-Ta的堆疊順序排列且沿C軸方向延續(xù)，如圖2-1所示，結(jié)構(gòu)中Ta5+和Li+陽離子相對(duì)位置的偏移導(dǎo)致產(chǎn)生熱自發(fā)極化現(xiàn)象[106]。在順電相時(shí)，，Li和Ta分別位于氧平面和氧八面體的中心，無自發(fā)極化，在鐵電相時(shí)，Li和Ta都沿著C軸發(fā)生了位移，分別偏離了氧平面和氧八面體的中心，產(chǎn)生了自發(fā)極化。鉭酸鋰晶體從順電相到鐵電相的轉(zhuǎn)變居里點(diǎn)溫度為630℃。鉭酸鋰晶體是畸變鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)，它的晶格是具有氧八面體ABO3結(jié)構(gòu)。從圖2-1可看出，鉭酸鋰是三方晶系，該晶系中每層都由氧原子組成，按六角密堆積結(jié)構(gòu)排列，Li和Ta占據(jù)了氧原子層間的2/3的八面體間隙。其六角晶胞常數(shù)為：aH=5.1543埃
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TH74

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本文編號(hào)：2620715