专利名称：一种铁电隧道结室温红外探测器的制作方法
技术领域：
本专利涉及一种非制冷红外探测器技术，具体指一种铁电隧道结室温红外探测器。
背景技术：
红外探测技术是对红外辐射感知输出的技术， 可广泛应用于国防、航天、医学、生产监控等众多领域。基于铁电材料的热释电红外探测器在上世纪90年代就已经商业化。但在近10年，铁电红外焦平面探测器受到基于氧化钒材料的微测辐射热红外焦平面探测器的严峻挑战一是铁电探测器最小灵敏元只能做到50微米，而氧化钒、非晶硅等微测辐射热计灵敏元目前已经做到15微米，这就使得后者的焦平面分辨率大大优于前者；二是铁电探测器工作是交流模式，需要使用光学斩波器对入射红外辐射进行调制，而微测辐射热计不需要，使得后者的成本和可靠性高于前者。这样的结果源自于两种器件探测原理不同铁电探测器灵敏元采用的是电容器结构，对于红外辐射响应输出的可测物理量是有光照时参比无光照时电容器电荷量的变化，因此需要对入射光进行调制。电荷密度是由铁电极化性质决定的，因此总的电荷量变化正比于面积，随着灵敏元面积变小，可测的电荷量变小，因此需要在探测器的灵敏度与分辨率之间折中，因此限制了探测器的分辨率；而氧化钒等辐射热计的灵敏元单元为纯电阻，电阻值大小直接反应辐射温度高低，不需要信号调制。信号大小也与面积之间无直接关联。因此，与微测辐射热计相比，铁电红外焦平面探测器的发展所面临的困难在现有的工作模式下是无法逾越的。随着铁电物理学的发展和薄膜制备技术的进步，制备铁电隧道结(Ferroelectrictunnel junctions,简称 FTJs)成为可能[Science 304,1650 (2004), Appl. Phys. Lett. 95,32903(2009).]. FTJs概念最早由IBM公司的Esaki等人在1971年提出，当时称为极性开关(polar switch) [IBM Tech. Disci. Bull. 13，2161 (1971)]。相对于传统的隧道结，FTJs具有一个特殊的效应，就是当铁电极化方向和大小不同时，由于极化引起静电场在势垒区的分布不同，而导致隧道结电导不同，这个现象现在被称为隧道电致电阻(tunnelelectroresistance,简称TER)效应。利用铁电极化方向不同隧道结电导不同，可以制备铁电存储器[Nature 460,81 (2009)]。除了 TER效应以外，由于铁电极化随温度的变化将导致隧道结势垒的变化，进而引起隧穿电流随温度变化，根据这一性质，我们提出一种新型的铁电隧道结室温红外探测器。
发明内容本专利提出一种基于铁电隧道结的采用新型红外探测模式的铁电红外探测器，实现了铁电隧道结结构在红外探测领域的应用。铁电隧道结微测辐射热计探测原理如下根据文献[Phys. Rev. Lett. 94，246802 (2005)]，对应于铁电薄膜土两个极化状态，隧道结势垒高度为U = U0±BP，(I)[0009]其中，正负号对应两个极化状态，U0为铁电材料极化为零时的隧道结绝缘层能带势垒高度，P为铁电薄膜剩余极化，B( e，6 , d)为两个电极材料Thomas-Fermi屏蔽长度SiQ为I或2，代表两个电极)和铁电绝缘层介电常数e和厚度d决定的常数，表示为
权利要求1.一种铁电隧道结室温红外探測器，其特征在于，在衬底(I)上依次为底电极(2)、铁电功能层⑶和上电极(4)，其中 所述的衬底(I)为，聚酯薄膜或聚酰亚胺薄膜柔性薄膜，厚度为1-5微米； 所述的底电极(2)为铝，金，银，钼，镍，镍镉，镍铁金属或合金，电极为长条形状，厚度不小于100内米； 所述的铁电功能层(3)为1-6纳米厚度的PVDF基铁电聚合物薄膜； 所述的上电极⑷为铝，金，银，钼，镍，镍镉，镍铁金属或合金，电极厚度约为20-50纳米的半透膜，上电极⑷与底电极⑵呈十字交叉。
专利摘要本实用新型公开一种铁电隧道结室温红外探测器。其特征在于，器件结构自下而上依次为是衬底、金属底电极、铁电功能层和半透金属上电极。器件制备步骤是在柔性薄膜衬底表面蒸发或溅射金属作为底电极，然后在底电极表面运用LB法生长厚度1-6纳米PVDF基聚合物薄膜作为铁电功能层，随后在铁电功能层上运用蒸发或溅射方法制备金属上电极形成铁电隧道结，最后减薄衬底。器件是通过通入微小恒定电流，光照下测量电极两端电压实现红外探测。该探测器具有根据应用环境和探测目标的需求温度系数大小与极性可调，无需对入射辐射调制等特性。
文档编号H01L51/42GK202534698SQ20122010494
公开日2012年11月14日 申请日期2012年3月19日 优先权日2012年3月19日
发明者孙璟兰, 孟祥建, 林铁, 沈宏, 王建禄, 褚君浩, 韩莉 申请人:中国科学院上海技术物理研究所