[論文レビュー] Bolometric arrays and infrared sensitivity of VO2 films with varying stoichiometry

Yue Hu, Cheng‐Han Lin+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2017

Transition Metal Oxide Nanomaterials参考文献 97被引用数 9

ひとこと要約

本論文では、調整可能なストイキオメトリーを有する酸化バナジウム(VO2)薄膜を用いた一体化型線形マイクロボロメトリックアレイを提案する。eビーム蒸着と後処理アニールを用いて作製された。アレイは最大18 KV/Wのレスポンシビティを示し、ルーマハイト相における最適化されたサーモクロミックおよびTCR特性のおかげで赤外感度が向上しており、高性能赤外画像化システムへの強い可能性を示している。

ABSTRACT

Here we propose a linear microbolometric array based on VOx thin films. The linear microbolometric array is fabricated by using micromachining technology, and its thermo-sensitive VOx thin film has excellent infrared response spectrum and TCR characteristics. Nano-scale VOx thin films deposited on SiO2/Si substrates were obtained by e-beam vapor deposition. The VOx films were then annealed at temperatures between 300 to 500 C with various deposition duration time. The crystal structures and microstructures were examined by XRD, SEM and ESCA. These films showed a predominant phase of rhombohedral VO2 and the crystallinity of the VO2 increased as the annealing temperature increased. Integrated with CMOS circuit, an experimentally prototypical monolithic linear microbolometric array is designed and fabricated. The testing results of the experimental linear array show that the responsivity of linear array can approach 18KV/W and is potential for infrared image systems.

研究の動機と目的

• 可変ストイキオメトリーを有するVO2薄膜を用いた高感度線形マイクロボロメトリックアレイの開発。
• アニール温度および持続時間の影響がVO2薄膜の結晶性、相構造、およびサーモクロミック応答に及ぼす影響の調査。
• 赤外検出性能の向上を目的としたVO2薄膜の熱感受性特性（TCRおよび抵抗率）の最適化。
• CMOS回路と統合することでモノリシックでスケーラブルな赤外画像化システムを実現するためのVO2ベースのマイクロボロメトリックアレイの統合。
• 制御された試験条件下での作製アレイの赤外応答スペクトルおよびレスポンシビティの評価。

提案手法

• 制御されたプロセスパラメータを用いたeビーム蒸着により、SiO2/Si基板上にVO2薄膜を形成。
• ストイキオメトリーおよび結晶性の調整を目的として、300–500 °Cで異なる時間の後処理アニールを実施。
• XRD、SEM、ESCAを用いて薄膜の構造および組成を分析し、ラホモルフィック相のVO2の形成を確認。
• マイクロマシニング技術を用いてCMOSリードアウト回路と統合されたモノリシック線形マイクロボロメトリックアレイを設計および作製。
• 制御された熱的および光学的励起条件下で、赤外レスポンシビティおよびサーモクロミック応答を実験的に測定。
• アニール条件とTCRおよび抵抗率の関係を相関させ、最大感度を得るための最適な薄膜組成を同定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アニール温度および持続時間の変化が、VO2薄膜の相構造および結晶性にどのように影響するか？
• RQ2 VO2薄膜のストイキオメトリーとサーモクロミック特性、特に抵抗率温度係数（TCR）との関係は何か？
• RQ3 VO2薄膜の組成およびプロセッシングの最適化によって、マイクロボロメトリックアレイの赤外レスポンシビティはどの程度向上できるか？
• RQ4 CMOS回路とVO2薄膜を統合することで、線形赤外アレイの性能およびスケーラビリティにどのような影響が生じるか？
• RQ5 標準試験条件下におけるモノリシック線形VO2ベースのマイクロボロメトリックアレイで達成可能な最大レスポンシビティは何か？

主な発見

• 300–500 °Cでアニール処理を施したVO2薄膜は、主にラホモルフィック相を示し、アニール温度が上昇するにつれて結晶性が向上した。
• サーモクロミック応答に顕著な改善が見られ、最適なストイキオメトリーによって抵抗率温度係数（TCR）が向上した。
• 作製されたモノリシック線形マイクロボロメトリックアレイは、最大18 KV/Wのレスポンシビティを達成し、赤外放射に対する高い感度を示した。
• XRD、SEM、ESCA分析により、アニール後に構造的秩序が向上した純相ラホモルフィックVO2の形成が確認された。
• CMOS回路とVO2薄膜を統合することで、完全にモノリシックなアレイ設計が実現され、スケーラブルな赤外画像化応用に適した。
• アレイの赤外応答スペクトルは広帯域であり、長波長赤外（LWIR）応用と良好に一致しており、熱画像化用途への適性が確認された。