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一、研究背景
鈦(Ti)廣泛應用于硅(Si)集成電路中,作為硅與金屬、電介質(zhì)與金屬之間的粘合層。例如,片上可控氧化可能會帶來新型光催化劑、染料敏化太陽能電池、電池等。鈦還具有很高的電阻和熱阻,這使它成為微測輻射計(一種熱輻射探測器)的熱敏電阻/加熱器材料,對紅外線和太赫茲(THz)波具有吸引力。從 300 千兆赫(GHz)到 3 太赫茲(THz)的頻率區(qū)域在安檢、醫(yī)療成像和工業(yè)質(zhì)量控制等多個領域有著廣泛的應用。太赫茲輻射顯示出 1.2 至 12 meV 的光子能量,這可能與 ~10 K 左右的黑體輻射峰值能量范圍有關,因此,任何溫度高于 10 K 的物體都會發(fā)出太赫茲輻射 。這一輻射范圍的獨特之處在于,由于其光子能量較低,它是非電離的,因此不會對生物組織或 DNA 造成危害。與微波和毫米波相比,太赫茲輻射還能產(chǎn)生分辨率更高的圖像,并具有很強的穿透能力,因此可用于醫(yī)療篩查、診斷和成像、材料識別、非法藥物檢測、食品檢測、安全檢查等。由于太赫茲輻射具有許多有趣的特性,因此有可能實現(xiàn)許多室溫靈敏探測器的商業(yè)化。然而,雖然許多用于微波和紅外線范圍的設備已經(jīng)商業(yè)化,但用于太赫茲波的設備還很缺乏。開發(fā)室溫、高靈敏度的太赫茲探測器迫在眉睫。目前,太赫茲探測器主要分為光子探測器、熱探測器和電子接收器。光子探測器靈敏度高,已廣泛商業(yè)化用于實驗室,但其工作頻率低(光子能量?。?,需要低溫冷卻以降低噪音?;谛ぬ鼗鶆輭径O管、場效應晶體管(FET)和異質(zhì)雙極晶體管(HBT)的電子接收器在較高頻率范圍內(nèi)的靈敏度較低。不過,隨著材料工程和微加工技術的進步,這一問題已逐步得到解決。另一方面,如今的熱敏探測器性能可靠、成本低廉,并能在室溫下工作,因此適用于廣泛的應用領域。熱探測器具有中等靈敏度和視頻速度,內(nèi)部熱導率約為 10-8 W/K,熱容量小于 10-9 J/K。熱探測器依靠與輸入輻射信號引起的溫升相一致的材料特性變化 。這樣,以溫度計為代表的熱探測器就能夠進行太赫茲傳感和成像 。輻射熱計通常由一個吸收器/加熱器和一個溫度感應電阻器(熱敏電阻)組成,吸收器的尺寸應足夠大于受衍射限制的入射光的最小光斑尺寸。因此,在波長為 λ 和有效折射率為 ne 時,吸收器的尺寸必須大于 λ/ne 。然而,對于波長較長的太赫茲波,吸收器的尺寸會變得過大,無法維持熱絕緣結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)低熱容量,因此天線耦合微波輻射計的設計更為可行。天線耦合微測輻射熱計采用 MEMS 技術制造,在過去三十年中得到了廣泛的研究 ,輻射被天線吸收并通過負載電阻(加熱器)轉(zhuǎn)化為熱量,然后相應的輸入輻射改變熱敏電阻材料的特性。我們的研究小組還對帶有獨立加熱器和熱敏電阻的天線耦合微測輻射熱計進行了廣泛研究,為本研究奠定了基礎。在當前材料工程微細加工技術進步的幫助下,設計和開發(fā)高效室溫微測輻射熱計具有片上制造的前景,這為太赫茲光譜研究和成像的主流應用帶來了巨大的可能性。太赫茲波長(100 微米至 1 毫米)可產(chǎn)生極高分辨率的成像;可快速傳輸大量數(shù)據(jù);與 X 射線不同,太赫茲波長長時間照射人體組織不會產(chǎn)生電離(不會引發(fā)有害的化學反應)。通過檢測微弱的分子間耦合和分子網(wǎng)絡,還可以診斷材料和食品中的缺陷,調(diào)查化學成分。此外,在過去十年中,太赫茲室溫探測器、高功率源和實時成像技術的發(fā)展取得了一些系統(tǒng)性突破。
本文利用焦耳加熱設備改變了鈦熱敏電阻的電學和熱學特性。通過透射電子顯微鏡和能量色散 X 射線(TEM/EDX)分析,對焦耳加熱前后的鈦熱敏電阻進行了微結(jié)構(gòu)分析,從而將電氣和器件結(jié)果聯(lián)系起來。繼我們關于芯片集成的非制冷太赫茲微測輻射熱計陣列的報告之后,當前的研究通過退火最大限度地減少薄鈦熱敏電阻的窄寬效應來提高其性能。
二、摘要
這項研究證明,只需在真空中通過鈦薄膜傳導電流并利用升溫,就能將金屬鈦(Ti)轉(zhuǎn)化為氧化鈦。這改善了微測輻射熱計的電氣和熱性能。在本次研究中,我們制作了一個集成鈦熱敏電阻的微測輻射熱計,其加熱器寬度為 2.7 微米,長度為 50 微米。對熱敏電阻線施加恒壓應力,以觀察焦耳熱對其特性的影響。由于加熱,熱敏電阻的電阻為初始電阻的 14 倍。由于進行了處理,還觀察到負的大電阻溫度系數(shù)(TCR)為-0.32%/K,從而使響應率比未經(jīng)處理的鈦熱敏電阻器件提高了約 4.5 倍。但是,由于閃爍噪聲增加,噪聲等效功率 (NEP) 并沒有提高。利用透射電子顯微鏡 (TEM)、透射電子衍射 (TED) 和能量色散 X 射線 (EDX) 進行的微觀結(jié)構(gòu)分析證實,在最初沉積的鈦相(純度約為 85%)上形成了鈦氧化物 (TiOx) 半導體相,并進一步加熱。退火過程中形成的 TiOx 可以最大限度地減少窄幅效應(我們以前曾報道過金屬薄導線中的窄幅效應),從而提高響應率。
三、結(jié)論
利用焦耳加熱設備對鈦薄膜特性的片上修正得到了證實。考慮到高電阻和熱電阻系數(shù)對改善波長計特性的重要性,我們研究了焦耳加熱對 2.7 微米寬和 50 微米長鈦波長計的影響。有趣的是,焦耳加熱后,熱敏電阻電阻急劇增加,TCR 也呈負增長。熱敏電阻的電阻比初始值增加了近 14 倍。焦耳加熱后電阻減小,從而顯示出較大的負 TCR。雖然 NEP 略有下降,但 Rv 卻增加了 4.5 倍。系數(shù) dR/dI2/R02 表示鈦材料的 TCR 增加,熱導率(k)降低,從而獲得更好的 Rv。TEM/EDX 分析表明退火后形成了 TiOx 半導體相。焦耳加熱處理有助于提高輻射熱計的輸出,并降低讀出電路所需的輸入?yún)⒖荚肼暋?/p>
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