A new capacitive infrared detector which has improved infrared absorption ability and noise characteristic through the structural approaches is proposed in this work. The proposed absorber structure is designed to have lamda/4 resonant cavity structure for LWIR absorption, and an aluminum infrared mirror is attached under the absorber consists of SiO2/Ti/SiO2 layers. The mirror and the absorber are separated with lamda/4 distance and connected each other electrically, as well as mechanically, via posts. The absorber structure proposed in this work can solve the conventional structure`s disadvantages of low absorptance value and unstable absorption characteristics which are originated from the small gap of ~0.5um between the top and bottom electrodes for the capacitor construction. Specifically, the capacitor and the absorber structures can be considered separately that the distance between the top and bottom electrodes can be set freely without any concerns on the absorption efficiency. The proposed absorber structure provided 80% of LWIR absorptance regardless of the detector temperature or the distance between the substrate and the absorber.
The proposed detector`s capacitor is considerably different from the conventional top and bottom electrode structure, and is consisted of one electrically floating electrode, which also acts as the infrared absorber, and two separated bottom electrodes. By using such capacitor structure, it becomes possible to achieve the sufficiently low thermal conductance value with very small-sized and insulator-only thermal isolation leg because the necessities of biasing the top electrode and thereby the metal lines, required for electrical connection of the top electrode, in the leg are disappeared. As the result, the conventional device’s long leg length which is the cause of the low spring constant and device’s low mechanical stability can be reduced to the half of its original length, increasing the spring constant. Also, the fill-factor is increased to 0.77 from 0.61 for the leg area in the given pixel area is reduced and the abundant area can be filled with absorber structure.
A modeling work is done to anticipate the operation characteristics of the proposed device without any complicated simulation works. First, the device operation description models describing the temperature dependant leg bending which is actuated by the bimaterial effect and the capacitance change by the leg bending are presented. Also, a pull-in voltage modeling is provided that decides the maximum bias voltage applicable to the device and the model is used in anticipating the responsivity. For the prediction of the proposed device’s noise and vibration characteristics, resonant frequency modeling is done. The thermo-mechanical noise component, the unique noise source in bimaterial type infrared detectors, of the proposed device is analyzed using the model. The modeled results are compared with the FEM(Finite Element Method) simulation results from ANSYS, and it is found out that the maximum difference between the two results are smaller than 30%, revealing that the modeled result can be used for anticipating the performance of the proposed device.
An eight mask based fabrication process is setup and the proposed device is successfully fabricated using the conventional semiconductor fabrication equipments. Elementary device movements are firstly observed with optical method such as microscopes. The TCC(Temperature Coefficient of Capacitance), the capacitance change rate of the device as a result of the device temperature change, value is measured to be 14%/K, and the FTIR(Fourier Transform Infrared spectroscopy) measurement result shows that the absorp-tance of the device is about 80% and the absorption characteristic is invariant regardless of the device temperature. The pull-in voltage of the fabricated device is measured to be 0.17~0.18V which is in the expected voltage range from modeling and FEM simulation. The resonant frequency is measured using custom-made vacuum environment measurement equipment and the result tells that the device has resonant frequency of 5.1kHz and the vibration quality factor of 1020. Based on the measurement results, it is verified that the fabricated device has NETD value of 35.2mK.
구조적인 접근을 통해 적외선 흡수율과 잡음문제를 개선한 새로운 정전용량형 적외선 감지소자를 제안하였다. 제안한 소자의 흡수체 구조는 원적외선 (LWIR) 대역의 적외선 흡수에 적당한 lamda/4 공진공극을 적용한 것으로써 SiO2/Ti/SiO2로 구성된 흡수체의 하부에 lamda/4의 거리를 두고 알루미늄 재질의 적외선 미러를 장착하여 구성된다. 적외선 흡수체와 미러는 포스트(post) 구조를 통해 서로 전기적, 기계적으로 연결되어 있다. 이러한 흡수구조는, 기존의 흡수구조가 캐패시터 구성을 위해 상하부 전극의 간격을 좁게 함으로써 발생하였던 높은 흡수율 확보의 어려움 및 흡수특성이 온도에 따라 크게 달라지는 문제를 해결할 수 있다. 특히, 캐패시터 구조와 적외선 흡수체 구조를 개별적으로 다룰 수 있어, 흡수율에 대한 고려 없이도 캐패시터의 상하부 전극간의 거리를 자유롭게 조절할 수 있다는 장점을 가진다. 이러한 흡수체 구조는 적외선 감지소자의 온도 및 기판과 흡수체의 거리에 상관없이 항상 80%정도의 흡수율을 제공한다.
제안한 소자의 캐패시터는 기존의 상하부 전극구조와는 다르게 적외선 흡수체의 역할을 하는 상부전극이 전기적으로 플로팅(floating)되어 있고, 하부전극이 두 부분으로 나누어져 있다. 이러한 구조는 상부전극에 바이어스를 가해줄 필요성을 제거함으로써 열차단 다리부분에서 금속을 제거할 수 있도록 해주어, 부도체로만 구성된 작은 크기의 열차단 다리로도 충분히 작은 열전도도를 얻을 수 있다. 이 결과, 낮은 스프링상수를 가져 소자 전체의 기계적 안정성이 낮았던 기존 다리구조의 길이를 절반으로 줄여, 스프링상수를 늘릴 수 있은 장점을 확보하였으며, 픽셀사이즈에서 다리가 차지하는 비율이 줄고, 흡수체가 차지하는 부분이 늘어남으로써 집광면적의 비율을 기존 0.61에서 0.77로 증가시킬 수 있었다.
별도의 시뮬레이션의 과정 없이도 소자의 특성을 분석하기 위한 모델링 작업을 실시하였다. 먼저, 바이머티리얼 효과를 통해 동작하게 되는 다리의 온도에 대한 변화율 및 다리의 휘어짐에 따른 정전용량의 변화를 예측할 수 있는 모델을 제시하였다. 또한, 제안한 소자에 최대한 가할 수 있는 바이어스 전압의 양을 결정하기 위한 풀인전압(pull-in voltage)에 대한 모델을 제시하여, 차후 응답도(responsivity)의 예상에 활용할 수 있도록 하였다. 소자의 잡음 및 진동(vibration) 특성을 예측하기 위해 공진주파수(resonant frequency)에 대한 모델링도 진행하였으며, 이를 활용하여 바이머티리얼형의 적외선 감지소자만이 갖는 잡음인 열-기계적 잡음(thermo-mechanical noise) 성분에 대해 분석할 수 있었다. 모델링 결과는 FEM(Finite Element Method) 방식의 시뮬레이터인 ANSYS를 사용하여 비교 및 분석되었으며, 최대 30%의 오차범위 내에서 비슷한 경향성을 보임을 확인하여 소자의 성능 예측에 활용될 수 있다는 결론을 내릴 수 있었다.
제안한 소자는 총 8장의 마스크를 사용하는 제작방법을 통해 성공적으로 구현되었으며, 현미경을 이용한 광학적 방법을 통해 소자의 움직임을 일차적으로 확인하였다. 기판온도에 따른 정전용량의 변화율인 TCC(Temperature Coefficient of Capacitance) 값은 14%/K 정도를 얻을 수 있었으며, FTIR을 이용한 흡수율의 측정결과는 제작된 소자가 기판온도에 상관없이 80%정도의 흡수율을 갖는다는 것을 보여주었다. 풀인전압은 모델링과 시뮬레이션을 통해 예측한 값과 비슷한 수준인 0.17~0.18V의 범위에 있었으며, 진공환경에서의 공진주파수 측정결과는 소자가 5.1kHz의 공진주파수를 가지며, 이때의 Q-factor는 1020 정도임을 보여주었다. 이러한 결과를 통해 제안한 소자의 온도분해능(NETD)값이 약 35.2mK정도인 것을 확인할 수 있었다.
