In this paper, 1 at% Nb-doped titanium oxide films for application in a bolometer, a type of uncooled
infrared image sensor, have been studied. Bolometers are thermistor-based sensors that measure temperature change in a thermally-isolated membrane heated by infrared radiation absorbed on the surface. There are two major issues on bolometer. One is an infrared sensitive material issue and the other is a thermal isolation structure issue. This study is focusing on an infrared sensitive material which must have a high TCR and low noise, both are closely related to electrical resistivity, in order to maximize the sensitivity of the uncooled infrared image sensor.
Several studies focusing on TiO2-x have been conducted to find alternative possibilities as a new bolometric materials. However, titanium is very sensitive to oxygen. Therefore, large variations in the resistivity of TiO2-x films arise with even small change in the amount of pO2 in the main chamber. The oxygen flow in the chamber requires fine control to obtain uniform resistivity of the films. Ensuring high accuracy during the fabrication process of film is challenging. In an effort to control the resistivity of TiO2-x films, the study have been attempted to incorporate Nb metal into TiO2-x films, as the Nb atom, which acts as an extrinsic donor in TiO2-x film, can exist in the Nb5+ state by replacing the Ti4+ state given their similar ionic radii. Therefore, in this research a multicomponent films of Nb-doped TiO2-x thin films was deposited using a 1 at% niobium doped titanium target by RF reactive magnetron sputtering at various oxygen partial pressure and also the effect of Nb doping on TiO2-x is studied for bolometric applications.
Compared to pure TiO2-x films, the resistivity of the Nb-doped TiO2-x films did not change sensitively
with the oxygen partial pressure, indicating that the resistivity of the films can be relatively well controlled. X-ray diffraction (XRD) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis were conducted for investigating the structural and chemical properties of films. In case of bolometric properties, 1/f noise parameter of Nb-doped TiO2-x films were largely decreased while the measured temperature coefficient of resistance (TCR) of the films was still high (~3%/K) comparing with pure TiO2-x films. Therefore, in this study we confirmed that the performance of films for bolometric application can be improved by doping of Nb.
본 논문에서, 비냉각식 적외선 센서인 볼로미터의 적용을 위한 1at% 니오븀이 도핑된 티타늄 산화막에 대한 연구가 진행되었다. 볼로미터는 열에 의한 저항 변화를 기반으로 열적으로 격리된 층의 표면에서 입사된 적외선을 흡수하는 방식을 통해 온도 변화를 감지하는 센서이다. 볼로미터에는 두가지 큰 해결문제가 있다. 하나는 적외선 감지 물질에 관한 부분이며 다른 하나는 열적으로 격리된 구조의 설계과 관련된 문제이다. 본 연구는 적외선 감지 물질에 초점을 맞추어 진행된 연구로써 물질의 높은 적외선 민감도를 위해 전기적 비저항과 관계되어 있는 파라미터인 TCR의 높은 값과 낮은 1/f 잡음을 갖는 것에 초점을 맞추어 연구가 진행되었다.
기존에 새로운 대안적인 볼로미터 물질로써 티타늄 산화막에 초점을 맞춘 몇몇 연구들이 발표되었다. 하지만 티타늄 산화막이 산소에 매우 민감하게 반응하는 물질이다. 따라서 박막 증착시 챔버 내에서의 작은 산소 변화에 의해서도 큰 저항의 변화가 발생하는 문제가 있다. 일정한 비저항을 갖는 박막을 얻기 위해서는 챔버 내의 산소의 흐름이 매우 정교하게 조절되어야 하는 문제가 있으며 제작 과정에서의 높은 정확도가 하나의 해결해야하는 과제가 되었다. 티타늄 산화막의 비저항을 조절하기 위한 노력으로써 티타늄 산화막에 니오븀을 도핑하는 시도가 이루어졌으며 니오븀은 티타늄 산화막 내에서 Ti4+자리를 치환하여 Nb5+로 존재하여 외인성 도너로서 작용하는 것으로 알려져 있고 비슷한 이온 반지름 때문에 쉽게 치환하는 특성을 가지고 있다. 따라서 1 at% 니오븀이 도핑된 티타늄 타겟을 사용하여 RF magnetron reactive sputtering 방식으로 여러 산소 분압 조건에서 박막이 증착되었고 볼로미터 적용을 위한 티타늄 산화막에서의 니오븀이 도핑된 효과에 대한 연구가 진행되었다.
순수한 티타늄 산화막과 비교했을 때 니오븀이 도핑된 티타늄 산화막의 비저항은 산소 분압의 변화에 의해 크게 변하지 않았으며 이는 비저항이 상대적으로 쉽게 조절이 된다는 것을 의미한다. XRD과 XPS 분석을 통해 박막의 구조적, 화학적인 특성이 조사되었고 볼로미터 특성을 확인하기 위해서 TCR과 1/f 잡음이 측정되었다. 1/f 잡음의 경우 니오븀의 도핑에 의해 크게 감소하였지만 TCR값은 순수한 티타늄 산화막과 비교했을 때 여전히 높은 값을 유지하였다. 따라서 본 연구를 통해 니오븀의 도핑에 의한 볼로미터 특성의 향상과 함께 공정 정확도가 향상되었음을 확인하였다.
