鐵電薄膜熱敏電容器的研制劉世建徐重陽曾祥斌趙伯芳（華中理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系））鐵電薄膜熱敏電容器。介紹了熱敏電容器上下電極的選材和制備及鐵電薄膜的制備工藝。根據(jù)熱敏電容器的電容溫度曲線，分析了熱敏電容器的工作原理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明BST鐵電薄膜熱敏電容器可以工作在室溫附近，約26℃處。

　　紅外探測器是紅外系統(tǒng)中的核心器件。為了紅外系統(tǒng)的微型化、智能化，薄膜型非致冷紅外焦平面陣列是21世紀(jì)紅外探測器的發(fā)展方向。其中，鐵電焦平面因其響應(yīng)時(shí)間快，敏感波段寬等優(yōu)點(diǎn)，成為比較有竟?fàn)幜Φ谋∧ば头侵吕浼t外焦平面陣列[ 1 ，2].鐵電焦平面分為熱釋電模式和介質(zhì)測輻熱模式，其中介質(zhì)測輻熱模式主要采用鈦酸鍶鋇（BS T）或鉭酸鈧鉛（PS T）。鐵電焦平面的核心探測元件即為鐵電薄膜熱敏電容器。本研究采用射頻磁控濺射法制備了工作溫度在室溫附近（約26℃）的BST鐵電薄膜熱敏電容器。

　　1器件制備的結(jié)構(gòu)示意。

　　制備BST鐵電薄膜熱敏電容器的目的是為了研制薄膜型非致冷紅外焦平面陣列，而在薄膜型非致冷紅外焦平面陣列中， BST鐵電薄膜熱敏電容器組成的傳感陣列與信號處理電路是做在同一Si基襯底上，因此選用Si（1 0 0）為襯底。

　　結(jié)構(gòu)。SiO由普通半導(dǎo)體工藝???干氧/濕氧/干氧，在Si（1 0 0）基片上氧化而成，厚約350 nm .SiO既是擴(kuò)散阻擋層也是熱絕緣層， Ti和Pt膜均由直流濺射方法制備，Ti膜起著緩沖并增強(qiáng)Pt膜附著力的作用。

　　上電極是用直流濺射方法制備的Pt膜。

　　BST鐵電薄膜的制備是制備熱敏電容器的關(guān)鍵技術(shù)，本研究采用射頻磁控濺射法制備BST鐵電薄膜。采用的靶材為直徑100 mm、厚度為混合陶瓷燒結(jié)靶。

　　典型工藝條件如表1 .

　　工藝名稱條件靶材陶瓷靶靶直徑基片?靶間距基片溫度Ar氣流氣流射頻功率濺射氣壓淀積速率本底真空濺射時(shí)間BST薄膜膜厚約為1μm .

　　由于基片溫度太低（BST的原位淀積溫度≤300℃），因此在濺射工序完后，還需后退火晶化，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)分析表明比較好的退火條件是在氣氛中750℃保溫10 min ，升溫速率為實(shí)踐分析表明， BS T薄膜的主要缺陷是氧缺位。氧缺位的存在是電容器擊穿的主要原因，而且也會(huì)影響B(tài)ST鐵電薄膜熱敏電容器的疲勞特性和電容溫度特性。因此在BST薄膜形成中應(yīng)盡量減少氧缺位。為此有兩種途徑：一是在濺射氣體中混入適量的O二是在后退火過程中通入少量2，以彌補(bǔ)BST成膜過程中氧的不足。

　　2器件性能測量與分析BST鐵電薄膜熱敏電容器的工作原理是：當(dāng)BST鐵電薄膜因吸收紅外線而溫度升高時(shí)，熱敏電容器的電容隨之變化，從而引起電壓的變化，電壓的變化值作為信號傳遞給圖像處理電路。

　　容隨溫度變化的實(shí)驗(yàn)曲線。測量儀器用的是HP低頻阻抗測試儀，測量頻率為100 kHz的固定頻率。低頻電容的定義式為由于面積A和極間距離d及頻率是固定的，因此BST薄膜的相對介電常數(shù)ε正比于樣品電容。鐵電體物理學(xué)認(rèn)為在鐵電相變溫度（居里溫度）附近，低頻相對介電常數(shù)ε也即低頻電容率呈現(xiàn)極大值。圖2中，從26℃開始，樣品的電容值隨溫度上升急劇增大，在30℃附近，樣品的電容值出現(xiàn)極大值，也即BST鐵電薄膜的相對介電常數(shù)呈現(xiàn)極大值，表明樣品中BST鐵電薄膜的居里溫度約為30℃，樣品（熱敏電容器）的工作溫度在室溫附近，約26℃處。

　　nF/K ，相對變化率為28 / K 用BST鐵電薄膜的相對介電常數(shù)ε的變化率表示則約為78/K ，相對變化率同上。與文獻(xiàn)的結(jié)果比較，雖然相對介電常數(shù)ε的絕對變化率要小一點(diǎn)，但是相對變化率約為文獻(xiàn)中結(jié)果的三倍。這表明本研究所制備的BS T鐵電薄膜熱敏電容器更有利于制備薄膜型非致冷紅外焦平面陣列。

　　感謝本系史濟(jì)群教授、王長安教授、周雪梅副教授在實(shí)驗(yàn)中的指導(dǎo)和幫助。

　　參考文獻(xiàn)鐘維烈。鐵電體物理學(xué)。北京：科學(xué)出版社， 1996.

　　鐵電薄膜熱敏電容器的研制