[논문 리뷰] Bolometric arrays and infrared sensitivity of VO2 films with varying stoichiometry

Yue Hu, Cheng‐Han Lin외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 17.

Transition Metal Oxide Nanomaterials참고 문헌 97인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 전자빔 증착 및 후처리 열처리를 통해 제작된 조절 가능한 화학 스토이히오메트리성을 가진 바나듐다이옥사이드(VO2) 박막을 기반으로 하는 단일체 선형 마이크로볼로메트릭 어레이를 제시한다. 이 어레이는 라인골형 VO2 상에서 최적화된 열색변화 및 TCR 특성 덕분에 최대 18 KV/W의 반응도를 나타내며 적외선 감도가 향상되어 고성능 적외선 영상 시스템의 강력한 잠재력을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 조절 가능한 화학 스토이히오메트리를 가진 VO2 박막을 사용하여 고감도 선형 마이크로볼로메트릭 어레이를 개발하기 위해.
• 열처리 온도와 지속 시간이 VO2 박막의 결정성, 상 구조 및 열색변화 반응에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• VO2 박막의 열민감성 특성(비저항 온도 계수 및 저항률)을 최적화하여 적외선 탐지 성능을 향상시키기 위해.
• VO2 기반 마이크로볼로메트릭 어레이를 CMOS 회로와 통합하여 단일체적이고 확장 가능한 적외선 영상 시스템을 만들기 위해.
• 통제된 시험 조건 하에서 제작된 어레인지의 적외선 반응 스펙트럼과 반응도를 평가하기 위해.

제안 방법

• 제어된 증착 조건을 사용하여 SiO2/Si 기판에 전자빔 증착을 통해 VO2 박막을 제작하였다.
• 화학 스토이히오메트리와 결정성을 조절하기 위해 300–500 °C 범위에서 다양한 시간 동안 후처리 열처리를 수행하였다.
• XRD, SEM 및 ESCA를 사용하여 박막의 구조 및 조성을 분석하여 라인골형 VO2 상의 형성을 확인하였다.
• 마이크로기계 가공 기술을 통해 CMOS 읽기 회로와 통합된 단일체 선형 마이크로볼로메트릭 어레이를 설계 및 제작하였다.
• 통제된 열 및 광학 자극 하에서 실험적 시험을 통해 적외선 반응도 및 열색변화 반응을 측정하였다.
• 열처리 조건과 TCR 및 저항률 간의 상관관계를 분석하여 최대 감도를 위한 최적의 박막 조성을 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 열처리 온도와 지속 시간을 변화시킬 경우 VO2 박막의 상 구조와 결정성이 어떻게 영향을 받는가?
• RQ2 VO2 박막의 화학 스토이히오메트리와 열색변화 특성, 특히 저항 온도 계수(TCR) 사이의 관계는 무엇인가?
• RQ3 VO2 박막의 조성과 가공 조건을 최적화함으로써 마이크로볼로메트릭 어레인지의 적외선 반응도를 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 VO2 박막을 CMOS 회로와 통합함으로써 선형 적외선 어레인지의 성능과 확장성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 기본 시험 조건 하에서 단일체 선형 VO2 기반 마이크로볼로메트릭 어레인지에서 도달할 수 있는 최대 반응도는 얼마인가?

주요 결과

• 300–500 °C 범위에서 열처리한 VO2 박막은 주로 라인골형 상을 나타내었으며, 높은 열처리 온도에서 결정성이 증가하였다.
• 박막은 열색변화 반응에서 뚜렷한 향상이 있었으며, 최적의 화학 스토이히오메트리로 인해 저항 온도 계수(TCR)가 향상되었다.
• 제작된 단일체 선형 마이크로볼로메트릭 어레지는 최대 18 KV/W의 반응도를 달성하여 적외선 복사에 대한 높은 감도를 나타내었다.
• XRD, SEM 및 ESCA 분석을 통해 열처리 후 구조적 질서가 향상된 순수한 라인골형 VO2 상의 형성을 확인하였다.
• VO2 박막을 CMOS 회로와 통합함으로써 완전한 단일체 어레인지 설계가 가능해져 확장 가능한 적외선 영상 응용 분야에 적합하였다.
• 어레인지의 적외선 반응 스펙트럼은 넓고 장파장 적외선(LWIR) 응용과 잘 맞아떨어져 열영상에 적합함을 확인하였다.