PZT厚膜热释电材料及非制冷红外器件技术研究
Pb(Zr0.3Ti0.7)O3(PZT)热释电厚膜材料的制备技术成熟、工艺重复性好、性能稳定、成本低廉,兼具块材和薄膜的优点,是制备红外探测器的优选材料,是国内外研究的热点与重点。在此背景下,本文利用电泳沉积法制备了图形化的PZT厚膜材料,并对低温烧结、Si/Pb互扩散阻挡层和冷等静压技术三种材料性能提升方法进行了系统研究。发展了一种新结构的厚膜红外探测器,并进行了器件微细加工工艺和高频响应特性测试等研究。最后,开展了PZT单晶纳米棒在红外探测器中的应用研究,获得了高探测率的多孔PZT纳米棒/纳米粉厚膜器件。 首先,在水热法制备PZT纳米粉的基础上,研究了电泳沉积法工艺参数,如悬浮液参数(PH值、分散剂含量和陈化时间)和电泳参数(电压、电流和时间),对制备图形化PZT厚膜质量的影响。研制出了能够满足电泳沉积应用要求的PZT无水乙醇悬浮液:PZT含量为20 gL-1,聚乙烯吡咯烷酮(PVP)含量为4 gL-1,PH值为5。根据电泳过程中电流随电压、时间的变化规律,建立了厚膜生长速度与时间的线性模型。在30 V的最佳电泳电压下,PZT厚膜最小线宽小于100μm,表面粗糙度约为213 nm,能满足制备热释电红外探测器的应用要求。 其次,对Si衬底上制备的PZT厚膜材料,进行了Pb5Ge11O3(PGO)助烧剂、冷等静压和TiOx扩散阻挡层对降低烧结温度、阻止Si/Pb互扩散和提高热释电性能等的影响研究。在PZT厚膜中掺入固相合成法合成的PGO助烧剂,再用冷等静压技术提高PZT厚膜生胚的致密度,增强PGO助烧剂与PZT粉体的接触界面,可将最低结晶温度从750°C降低至710°C。通过优化实验确定PGO含量为3wt％。采用热氧化的方法制备了TiOx硅扩散阻挡层,对750°C、1 h烧结的PZT厚膜断面进行电子能谱仪(EDS)测试,发现400 nm TiOx阻挡层能有效减少基片中Si元素向厚膜的扩散。通过系列实验,得到优化的工艺条件为:PGO助烧剂为3wt％,冷等静压为280 MPa,TiOx扩散阻挡层厚度为400 nm。在750°C烧结温度下,制备的PZT厚膜热释电系数(Pc)为1.71×10-8 Ccm2K-1,介电常数(εr)为330,介电损耗(tanδ)为0.015,电压响应率优值因子(FV)为0.023 m2C-1,探测率优值因子(FD)为1.0×10-5 Pa-1/2。材料性能与制备工艺能够满足在Si衬底上制作高性能的PZT厚膜热释电红外探测器的要求。 设计了一种新型的“双硅杯”-微桥单元探测器结构,通过Ansys热仿真确定了优化的器件结构、微桥长度、微桥宽度和硅杯底部硅支撑层厚度等参数。通过TMAH湿法腐蚀、电感耦合等离子(ICP)干法刻蚀、光刻和剥离等工艺制作了微桥长度为1 mm、宽度为500μm、PZT厚膜悬空的红外单元探测器,在163 Hz下的探测率D*为7.5×108 cmHz1/2W-1,时间常数51 ms,能满足中高频红外探测应用要求。 提出了一种采用PZT单晶纳米棒和纳米粉体材料制备多孔PZT热释电厚膜的新方法。通过添加表面活性剂控制PZT晶核表面能实现定向生长的方法,用水热法制备了(001)取向的PZT单晶纳米棒。用电泳沉积制备PZT单晶纳米棒/纳米粉多孔低介厚膜材料,并阐述了电泳沉积制备多孔PZT纳米棒/纳米粉厚膜的成膜机制。多孔PZT纳米棒/纳米粉厚膜红外探测器的探测率D*在纳米粉厚膜基础上提升了33％,达到1.0×109 cmHz-1/2W-1。 最后,在Ti箔、掺铌钛酸锶(NSTO)、TiO2和Al2O3等衬底上,探索了用水热法制备(001)PZT单晶纳米棒阵列的生长机理研究。实验发现:当衬底表面含有Ti原子时,(001)取向的PZT单晶纳米棒阵列的成核密度明显提高,生成产物与衬底附着力好,表明表面Ti原子诱导了PZT单晶纳米棒的成核。通过优化工艺,在NSTO衬底上生长出高致密度的PZT单晶纳米棒阵列,并首次测得未极化PZT纳米棒阵列的热释电系数为1.5×10-9 Ccm2K-1。对PZT单晶纳米棒阵列的系列研究工作为将来开展热释电微纳阵列器件提供了实验基础。
PZT厚膜热释电材料;非制冷红外器件;水热法;工艺参数;烧结温度
电子科技大学
博士
微电子学与固体电子学
李言荣
2014
中文
TN21
128
2014-09-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）