專利名稱：一種鐵電隧道結(jié)室溫紅外探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利涉及一種非制冷紅外探測器技術(shù)，具體指一種鐵電隧道結(jié)室溫紅外探測器。
背景技術(shù)：
紅外探測技術(shù)是對紅外輻射感知輸出的技術(shù)， 可廣泛應(yīng)用于國防、航天、醫(yī)學、生產(chǎn)監(jiān)控等眾多領(lǐng)域?；阼F電材料的熱釋電紅外探測器在上世紀90年代就已經(jīng)商業(yè)化。但在近10年，鐵電紅外焦平面探測器受到基于氧化釩材料的微測輻射熱紅外焦平面探測器的嚴峻挑戰(zhàn)一是鐵電探測器最小靈敏元只能做到50微米，而氧化釩、非晶硅等微測輻射熱計靈敏元目前已經(jīng)做到15微米，這就使得后者的焦平面分辨率大大優(yōu)于前者；二是鐵電探測器工作是交流模式，需要使用光學斬波器對入射紅外輻射進行調(diào)制，而微測輻射熱計不需要，使得后者的成本和可靠性高于前者。這樣的結(jié)果源自于兩種器件探測原理不同鐵電探測器靈敏元采用的是電容器結(jié)構(gòu)，對于紅外輻射響應(yīng)輸出的可測物理量是有光照時參比無光照時電容器電荷量的變化，因此需要對入射光進行調(diào)制。電荷密度是由鐵電極化性質(zhì)決定的，因此總的電荷量變化正比于面積，隨著靈敏元面積變小，可測的電荷量變小，因此需要在探測器的靈敏度與分辨率之間折中，因此限制了探測器的分辨率；而氧化釩等輻射熱計的靈敏元單元為純電阻，電阻值大小直接反應(yīng)輻射溫度高低，不需要信號調(diào)制。信號大小也與面積之間無直接關(guān)聯(lián)。因此，與微測輻射熱計相比，鐵電紅外焦平面探測器的發(fā)展所面臨的困難在現(xiàn)有的工作模式下是無法逾越的。隨著鐵電物理學的發(fā)展和薄膜制備技術(shù)的進步，制備鐵電隧道結(jié)(Ferroelectrictunnel junctions,簡稱 FTJs)成為可能[Science 304,1650 (2004), Appl. Phys. Lett. 95,32903(2009).]. FTJs概念最早由IBM公司的Esaki等人在1971年提出，當時稱為極性開關(guān)(polar switch) [IBM Tech. Disci. Bull. 13，2161 (1971)]。相對于傳統(tǒng)的隧道結(jié)，F(xiàn)TJs具有一個特殊的效應(yīng)，就是當鐵電極化方向和大小不同時，由于極化引起靜電場在勢壘區(qū)的分布不同，而導致隧道結(jié)電導不同，這個現(xiàn)象現(xiàn)在被稱為隧道電致電阻(tunnelelectroresistance,簡稱TER)效應(yīng)。利用鐵電極化方向不同隧道結(jié)電導不同，可以制備鐵電存儲器[Nature 460,81 (2009)]。除了 TER效應(yīng)以外，由于鐵電極化隨溫度的變化將導致隧道結(jié)勢壘的變化，進而引起隧穿電流隨溫度變化，根據(jù)這一性質(zhì)，我們提出一種新型的鐵電隧道結(jié)室溫紅外探測器。
發(fā)明內(nèi)容本專利提出一種基于鐵電隧道結(jié)的采用新型紅外探測模式的鐵電紅外探測器，實現(xiàn)了鐵電隧道結(jié)結(jié)構(gòu)在紅外探測領(lǐng)域的應(yīng)用。鐵電隧道結(jié)微測輻射熱計探測原理如下根據(jù)文獻[Phys. Rev. Lett. 94，246802 (2005)]，對應(yīng)于鐵電薄膜土兩個極化狀態(tài)，隧道結(jié)勢壘高度為U = U0±BP，(I)[0009]其中，正負號對應(yīng)兩個極化狀態(tài)，U0為鐵電材料極化為零時的隧道結(jié)絕緣層能帶勢壘高度，P為鐵電薄膜剩余極化，B( e，6 , d)為兩個電極材料Thomas-Fermi屏蔽長度SiQ為I或2，代表兩個電極)和鐵電絕緣層介電常數(shù)e和厚度d決定的常數(shù)，表示為
權(quán)利要求1.一種鐵電隧道結(jié)室溫紅外探測器，其特征在于，在襯底(I)上依次為底電極(2)、鐵電功能層⑶和上電極(4)，其中 所述的襯底(I)為，聚酯薄膜或聚酰亞胺薄膜柔性薄膜，厚度為1-5微米； 所述的底電極(2)為鋁，金，銀，鉬，鎳，鎳鎘，鎳鐵金屬或合金，電極為長條形狀，厚度不小于100內(nèi)米； 所述的鐵電功能層(3)為1-6納米厚度的PVDF基鐵電聚合物薄膜； 所述的上電極⑷為鋁，金，銀，鉬，鎳，鎳鎘，鎳鐵金屬或合金，電極厚度約為20-50納米的半透膜，上電極⑷與底電極⑵呈十字交叉。
專利摘要本實用新型公開一種鐵電隧道結(jié)室溫紅外探測器。其特征在于，器件結(jié)構(gòu)自下而上依次為是襯底、金屬底電極、鐵電功能層和半透金屬上電極。器件制備步驟是在柔性薄膜襯底表面蒸發(fā)或濺射金屬作為底電極，然后在底電極表面運用LB法生長厚度1-6納米PVDF基聚合物薄膜作為鐵電功能層，隨后在鐵電功能層上運用蒸發(fā)或濺射方法制備金屬上電極形成鐵電隧道結(jié)，最后減薄襯底。器件是通過通入微小恒定電流，光照下測量電極兩端電壓實現(xiàn)紅外探測。該探測器具有根據(jù)應(yīng)用環(huán)境和探測目標的需求溫度系數(shù)大小與極性可調(diào)，無需對入射輻射調(diào)制等特性。
文檔編號H01L51/42GK202534698SQ20122010494
公開日2012年11月14日 申請日期2012年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月19日
發(fā)明者孫璟蘭, 孟祥建, 林鐵, 沈宏, 王建祿, 褚君浩, 韓莉 申請人:中國科學院上海技術(shù)物理研究所