In the dissertation, a new uncooled IR detector using silicon diode has been studied. The new IR detector uses a silicon diode for temperature sensing and electrochemical etching for thermal isolation. The detector has been names as micromachined isolated silicon diode for IR detection (MISIR), which represents its structure and operation mechanism.
Infrared (IR) detector can extend human vision beyond the red into far IR by making the patterns of thermal radiation visible. Among IR detectors, thermal detectors can be operated at room temperature without an expensive cryogenic cooler, which makes them suitable for many applications. Two major issues of thermal IR detectors are thermal isolation and temperature sensing mechanism. To enhance responsivity, highly sensitive temperature mechanism and low thermal conductance of the detector structure are required.
In the respect of temperature sensing mechanism, MISIR utilizes the thermal characteristics of a silicon diode. Forward current of a silicon diode shows a exponential dependence on temperature. Temperature coefficient of current (TCC) of a silicon diode amount to about 10%K, which is higher by a few tens times than temperature coefficient of resistance (TCR) in metal resistance of bolometers.
A good thermal isolation between the detector structure and substrate us desirable to prevent the heat of the detector from dissipating away to the substrate. Many thermal IR detectors have been fabricated using micromachining techniques. In the surface micromachining structure, thermal isolation is limited by the thickness of a sacrificial layer. The other approach for the thermal isolation is bulk micromachining technique using anisotropic silicon etching. But the anisotropic etching needs a special equipment and specific substrate for accomplishing a fine dimensional control of the silicon etch. Electrochemical etching can overcome the limit of the surface micromachined structure because it can etch the whole substrate below the detectors. Also, due to the self-aligning property, the thermal isolation between pixels can be easily accomplished.
MISIR utilizes a silicon diode for temperature sensing and electrochemical etching for thermal isolation. With high temperature sensitivity of diode current and low thermal conductance of the detector structure by electrochemical etching, it can show a high performance. The fabrication processes are fully compatible with conventional CMOS technology. The fabricated MISIRs have shown a very high detectivity of 5.2×$10^9$($cm\cdot Hz^{\frac{1}{2}}/W$) at air ambient, which is the highest under the room temperature condition and a response time of 45.8ms. Moreover, the vacuum packaging that is essential in the conventional thermal IR detector, is not needed because the substrate under the detector is wholly etched away.
But the lack of the substrate under the detectors causes nonuniformity of the thermal conductance and problem of thermal spreading between adjacent pixels. To overcome these problems, the structure of MISIR has been modified to give an equal thermal conductance and a heat sink to every pixel. The modified MISIR has silicon grids between pixels, which can provides a same thermal conductance to every pixel and common heat sinks between the adjacent pixels. The modified MISIR has shown a detectivity of 1.3×$10^9$(cm$Hz^$\frac{1}{2}$$/W) at air ambient and a response time of 22.1ms. Uniformity over the pixel position has improved from ±47% in the first fabricated MISIR to ±7% in the modified MISIR.
A new uncooled IR detector, MISIR has been proposed and developed. MISIR shows a highest performance among the thermal detector operated in room temperature. Moreover, without vacuum packaging, MISIR can be operated with a high performance, which results in reduction of cost and solution for reliability problem. MISIR can find a very wide application field, from commercial fields such as medical imaging and night vision to military fields such as intrusion alarm and missile seeker.
기존의 열 적외선 검출 소자는 광 적외선 검출 소자(photon IR detector)에 비하여 저가이며 상온 동작이 가능하다는 장점이 있으나 감지도가 낮고 동작 속도가 느린 단점으로 인하여 그 사용이 제한 되고 있다. 특히 낮은 감지도는 저가·고성능의 열 영상 시스템을 구현하기 위해서는 반드시 극복되어야 할 문제이다. 이에 기존의 열 적외선 검출 소자와는 다른 온도 검출 방식과 구조·제조 공정을 지닌 MISIR (Micromachined Isolated Silicon Diode for IR Detection)을 제안하고 이를 제작하여 특성을 분석하였다.
MISIR는 기존의 열 적외선 검출 소자와는 구별되는 두개의 특성을 가지고 있다. 그 중 첫번째는 단결정 실리콘 다이오드의 순방향 전류를 이용하여 온도를 검출하는 것이다. 단결정 실리콘 다이오드의 경우, 순방향 전류는 접합 온도에 따라 기하급수적인 변화를 보인다. 이러한 열적 특성은 접합 전압의 변화에 따라 달라지게 된다. 이론과 모의 실험을 통하여 실리콘 다이오드 전류의 온도 변화율은 10%/℃를 능가하는 것으로 나타났다. 이는 기존의 열 적외선 검출 소자에서 사용되던 금속 저항의 온도 변화율인 약 0.2%/℃를 훨씬 능가하는 것이다.
두번째 특징은 열 적외선 검출 소자에서 가장 중요한 열적 격리인데 MISIR는 전기화학적 식각을 사용함으로써 보다 효율적이고 간편한 열적 격리를 이룰 수 있게 되었다. 전기화학적 식각은 전류의 경로에 따라 식각이 일어나는 현상을 이용한 것으로 뒷면에서부터 식각을 시작하더라도 앞면에 형성된 식각 전극에 수렴해가는 자기 정렬 특성을 보인다. 또한 실리콘 내의 불순물 종류와 농도에 따라 선택적인 식각 특성을 가지고 있다. 이러한 두 가지 특성을 이용하면 간단한 공정과 구조로 실리콘 기판의 특정 영역을 기판과 이웃한 영역으로부터 격리시킬 수 있다.
이와 같이 MISIR는 실리콘 다이오드를 온도 감지 소자로 사용하고, 소자와 기판 사이와 소자 간의 열적 격리를 위해 전기화학적 식각 방법을 사용함으로써 간단한 구조와 제작 공정으로 뛰어난 감지도를 이룰 수 있다. 또한 실리콘 기판 위에 제작함으로써 기존의 반도체 제조 기술을 이용할 수 있고 부가 구동 회로와 감지 회로가 하나의 기판 위에 집적됨으로써 성능의 향상과 가격의 절감 등을 가져올 수 있다. 전기화학적 식각이 기존의 표면 가공 기술(surface micromachining)이나 비등방성 실리콘 식각(anisotropic silicon etching)에 비하여 공정이나 열적 격리면에서 뛰어난 특성을 가지므로 기존의 열 적외선 검출 소자에서 필요했던 진공 밀봉이 필요 없을 것으로 기대된다.
제작한 MISIR 모의 실험과 기초 실험에 일치하는 결과를 보였으며 상온과 대기압에서 5.2×$10^9$(cm·$Hz^{\frac{1}{2}}$/W)의 감지도와 45.8 ms의 시상수를 나타내었다. 이는 지금까지 보고된 상온 열 적외선 검출 소자 중에 가장 높은 감지도를 가진 것이다. 대기압에서 작동하는 열적외선 소자는 기존의 연구에서는 발표되지 않았던 것이며 이는 높은 온도감지 성능과 전기화학적 식각을 이용한 우수한 열적 격리에 의한 것이다.
그러나 MISIR는 그 구조상의 특징으로 인하여 기계적으로 취약하고 2차원적 배열로 제작할 경우, 소자의 위치에 따라 응답속도와 감지도가 달라지는 등의 문제점이 있다. 이를 해결하고자 MISIR구조를 개선하였다. Surrounded-islands 구조는 각각의 소자 주변을 실리콘 격자로 둘러싸고 이 격자들은 기판과 연결됨으로써 소자의 열을 흡수하게 하였다. 이러한 구조를 사용함으로써 소자의 위치에 따른 비균일성을 향상시켰으며 응답속도가 빨라지는 결과를 얻을 수 있었다. 또한 실리콘 격자가 기계적 취약성을 보강해 주는 등의 장점도 있다.
MISIR은 우수한 성능과 간단한 제작과정, 진공밀봉의 불필요성 등의 장점을 가지고 있는 열 적외선 감지소자로 그 응용분야는 매우 광대하다. 이를 위해서는 MISIR 소자의 최적화, 기계적 취약성의 보강이 필요하다. 또한 기존의 적외선 소자와는 달리 출력 저항이 작은 특성이 있기 때문에 이를 위한 감지 회로와 구동 회로의 연구도 필요하다.
