고감도 적외선 이미지 센서 적용을 위한 금속-유전체 복합 박막의 광전자 특성 Optoelectronic properties of the Metal-dielectric complex thin films for applying high sensitivity IR image sensors원문보기
고감도 적외선 이미지 센서에 적용이 가능한 우수한 TCR(temperature coefficient of resistance) 값을 갖고 적외선 파장영역에서 흡수 특성을 갖는 막 형성을 위해, 본 연구에서는 Silica와 Titanium 분말을 혼합비율을 달리하여 준비한 후 열 기상 증착기를 이용하여 상온에서 게르마늄과 유리 기판 위에 각각 $(SiO_2)_x-(Ti)_y$ 막을 제작하였다. 챔버 내에 위치한 혼합분말이 담겨진 텅스텐 보트와 기판 간의 거리는 15.5 cm이며, 사용된 $SiO_2$와 Ti 분말의 혼합비율 x : y는 각각 90 : 10,80 : 20, 70 : 30, 60 : 40이다. $(SiO_2)_x-(Ti)_y$ 막의 전기적 저항은 273~333 K 영역에서 온도 변화에 따라 측정하였으며, TCR 값은 측정된 막의 저항 값으로부터 계산되었다. 다양한 혼합비율 조건 하에서 형성된 $(SiO_2)_x-(Ti)_y$ 막은 수 $k{\Omega}$~수백 의 $k{\Omega}$ 저항특성을 보였으며, 이러한 막의 TCR은 $-1.4{\sim}-2.6%K^{-1}$의 다양한 값을 나타내었다.
고감도 적외선 이미지 센서에 적용이 가능한 우수한 TCR(temperature coefficient of resistance) 값을 갖고 적외선 파장영역에서 흡수 특성을 갖는 막 형성을 위해, 본 연구에서는 Silica와 Titanium 분말을 혼합비율을 달리하여 준비한 후 열 기상 증착기를 이용하여 상온에서 게르마늄과 유리 기판 위에 각각 $(SiO_2)_x-(Ti)_y$ 막을 제작하였다. 챔버 내에 위치한 혼합분말이 담겨진 텅스텐 보트와 기판 간의 거리는 15.5 cm이며, 사용된 $SiO_2$와 Ti 분말의 혼합비율 x : y는 각각 90 : 10,80 : 20, 70 : 30, 60 : 40이다. $(SiO_2)_x-(Ti)_y$ 막의 전기적 저항은 273~333 K 영역에서 온도 변화에 따라 측정하였으며, TCR 값은 측정된 막의 저항 값으로부터 계산되었다. 다양한 혼합비율 조건 하에서 형성된 $(SiO_2)_x-(Ti)_y$ 막은 수 $k{\Omega}$~수백 의 $k{\Omega}$ 저항특성을 보였으며, 이러한 막의 TCR은 $-1.4{\sim}-2.6%K^{-1}$의 다양한 값을 나타내었다.
High sensitivity IR image sensors require materials characteristics with temperature coefficient of resistance (TCR) and IR range absorption. In this study, the metal-dielectric thermo sensitive films (MDTF) based on $(SiO_2)_x-(Ti)_y$ composition were deposited on substrates of germanium...
High sensitivity IR image sensors require materials characteristics with temperature coefficient of resistance (TCR) and IR range absorption. In this study, the metal-dielectric thermo sensitive films (MDTF) based on $(SiO_2)_x-(Ti)_y$ composition were deposited on substrates of germanium and glass by thermal evaporator. The $SiO_2$ : Ti mixture was made from the ratio of 9 : 1, 8 : 2, 7 : 3, 6 : 4, respectively. $(SiO_2)_x-(Ti)_y$ mixture powder was loaded on tungsten boat in evaporator and was 15.5 cm from the substrate. Resistance of $(SiO_2)_x-(Ti)_y$ in the range of 273~333K were measured as a function of temperature. Temperature coefficient of resistance (TCR) was calculated by the resistance variation. Under the various mixture ratios condition, it is possible to obtain $SiO_2$-Ti layers with resistance from units kilo-ohm to hundreds kilo-ohm. Finally, our results showed that Temperature coefficient of resistance (TCR) of these films varies from -1.4 to $-2.6%K^{-1}$.
High sensitivity IR image sensors require materials characteristics with temperature coefficient of resistance (TCR) and IR range absorption. In this study, the metal-dielectric thermo sensitive films (MDTF) based on $(SiO_2)_x-(Ti)_y$ composition were deposited on substrates of germanium and glass by thermal evaporator. The $SiO_2$ : Ti mixture was made from the ratio of 9 : 1, 8 : 2, 7 : 3, 6 : 4, respectively. $(SiO_2)_x-(Ti)_y$ mixture powder was loaded on tungsten boat in evaporator and was 15.5 cm from the substrate. Resistance of $(SiO_2)_x-(Ti)_y$ in the range of 273~333K were measured as a function of temperature. Temperature coefficient of resistance (TCR) was calculated by the resistance variation. Under the various mixture ratios condition, it is possible to obtain $SiO_2$-Ti layers with resistance from units kilo-ohm to hundreds kilo-ohm. Finally, our results showed that Temperature coefficient of resistance (TCR) of these films varies from -1.4 to $-2.6%K^{-1}$.
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문제 정의
기존의 마이크로 볼로메터에 적용하고 있는 감응층과 흡수층으로 이루어진 복층 구조의 센서물질을 두 가지 특성을 모두 가지고 있는 단일 구조 박막으로의 구현을 위해 8~12 µm 영역에서 적외선 흡수 특성을 가지고 있는 (SiO2)x-(Ti)y 막의 TCR 특성에 관한 연구를 수행하였다.
따라서, 본 연구에서는 Silica와 Titanium 분말을 이용하여 혼합비율에 따른 (SiO2)x-(Ti)y 막을 제조하였으며, 다양한 조건 하에서 형성된 막의 광학 및 전기적 특성을 분석하여 고감도 적외선 이미지 센서로의 적용가능성을 검토하였다.
제안 방법
면 저항(Rs)의 경우는 4 point probe를 이용하여 측정하였다. 또한 (SiO2)x-(Ti)y 막의 x와 y의 혼합무게 비에 따른 막의 표면형상 변화를 SEM(Scanning Electron Microscopy)를 이용하여 관찰하였다.
마이크로 볼로메터 적용이 가능한 적외선 영역에서의 흡수 및 온도변화에 따른 높은 저항변화 특성을 모두 갖는 단일층 형성을 위해 열 기상 증착법을 이용하여 다양한 혼합비율을 갖는 (SiO2)x-(Ti)y 막을 형성하였다. 형성된 막의 표면 특성 및 온도변화에 따른 저항변화를 측정하였으며, 이 저항 값을 이용하여 상온에서의 TCR값을 계산하였다.
저항과 TCR(temperature coefficient of resistance) 등의 (SiO2)x-(Ti)y 막의 열 감지 특성은 glass 기판 위에 형성된 막을 이용하였다. 막 위에 금 막을 약 100 nm의 두께로 증착 후 5 mm2 면적을 갖는 2D 형태의 monopixels을 photo-lithography 및 식각 공정을 통하여 제작한 후 probe station과 SCS-4200를 이용하여 273부터 333 K까지 5℃ 간격으로 온도를 변화시키면서 각각의 온도구간에서의 I-V curve를 측정하고 특정한 bias에서의 저항 값을 추출한 결과로부터 TCR 값을 도출하였다. 면 저항(Rs)의 경우는 4 point probe를 이용하여 측정하였다.
적외선 투과특성은 7~15 µm 파장 영역에서 Thermo Electron사의 FT-IT(Fourier Transform Infrared Spectroscopy, NICOLET 2700)을 이용하여 게르마늄 기판 위에 형성된 (SiO2)x-(Ti)y 막을 측정하였다.
막을 형성하였다. 형성된 막의 표면 특성 및 온도변화에 따른 저항변화를 측정하였으며, 이 저항 값을 이용하여 상온에서의 TCR값을 계산하였다. 결과적으로 형성된 (SiO2)x-(Ti)y 막은 8~12 µm의 적외선 영역에서 넓은 흡수 특성을 가졌으며, 수 kΩ~수백 kΩ의 저항특성을 보였다.
대상 데이터
막 형성을 위해 이용된 기판은 두 가지 종류이며, 적외선 영역에서 막의 투과율 측정을 위해서는 7~15 µm 적외선 영역에서 흡수가 없는 anti-refraction 층이 코팅된 게르마늄 기판, TCR과 면 저항(Rs) 측정을 위해서는 Glass 기판을 이용하였다. 기판은 NH4OH(25 %), H2O2(30 %), H2O (distillated)으로 구성된 수소 암모늄 혼합물 내에 위치시킨 후 약 60℃의 온도에서 1시간 동안 초음파로 세척 후 증착을 수행하였다. 적외선 투과특성은 7~15 µm 파장 영역에서 Thermo Electron사의 FT-IT(Fourier Transform Infrared Spectroscopy, NICOLET 2700)을 이용하여 게르마늄 기판 위에 형성된 (SiO2)x-(Ti)y 막을 측정하였다.
따라서 측정을 위해 이용된 막의 SiO2와 Ti의 무게 비는 80 : 20과 70 : 30이며, 형성된 막의 두께는 모두 0.86 µm이다.
5 cm이다. 막 증착을 위해 사용된 원료는 순도 99.99 %와 99.95 %의 SiO2와 Ti 파우더를 혼합 분쇄하여 이용하였으며, 혼합된 원료의 무게 비 x:y는 각각 90 : 10, 80 : 20, 70 : 30, 60 : 40이다. 준비된 시료는 약 0.
막 형성을 위해 이용된 기판은 두 가지 종류이며, 적외선 영역에서 막의 투과율 측정을 위해서는 7~15 µm 적외선 영역에서 흡수가 없는 anti-refraction 층이 코팅된 게르마늄 기판, TCR과 면 저항(Rs) 측정을 위해서는 Glass 기판을 이용하였다.
적외선 투과특성은 7~15 µm 파장 영역에서 Thermo Electron사의 FT-IT(Fourier Transform Infrared Spectroscopy, NICOLET 2700)을 이용하여 게르마늄 기판 위에 형성된 (SiO2)x-(Ti)y 막을 측정하였다. 저항과 TCR(temperature coefficient of resistance) 등의 (SiO2)x-(Ti)y 막의 열 감지 특성은 glass 기판 위에 형성된 막을 이용하였다. 막 위에 금 막을 약 100 nm의 두께로 증착 후 5 mm2 면적을 갖는 2D 형태의 monopixels을 photo-lithography 및 식각 공정을 통하여 제작한 후 probe station과 SCS-4200를 이용하여 273부터 333 K까지 5℃ 간격으로 온도를 변화시키면서 각각의 온도구간에서의 I-V curve를 측정하고 특정한 bias에서의 저항 값을 추출한 결과로부터 TCR 값을 도출하였다.
성능/효과
1에 SiO2와 Ti의 혼합비율에 따라 상온에서 실리콘 기판 위에 열 기상 증착기를 이용하여 형성된 막의 전자현미경 사진을 나타내었다. (SiO2)x-(Ti)y 막의 표면은 cluster 형태를 갖추고 있었으며, 이는 Ti의 혼합비율이 증가할수록 그 크기가 감소하는 경향을 관찰할 수 있었다.
막의 경우(Fig. 3) 온도의 증가에 따른 저항의 변화는 지수함수적으로 감소하는 경향을 나타내었다. 이러한 값을 통해 계산된 TCR은 음의 값을 나타내었으며, 그 값은 상온에서 약 −2.
4) 온도에 따른 저항의 변화를 측정한 결과 같은 두께의 (SiO2)80-(Ti)20 막과 비교하여 온도에 따른 저항 값이 약 두 배정도 감소되는 것을 확인 할 수 있었으며, TCR 값은 상온에서 약 −2.22 %K−1이었다.
결과적으로 형성된 (SiO2)x-(Ti)y 막은 8~12 µm의 적외선 영역에서 넓은 흡수 특성을 가졌으며, 수 kΩ~수백 kΩ의 저항특성을 보였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
비 냉각형 열 복사 감지기는 어떤 방식을 이용하는가?
비 냉각형 열 복사 감지기(uncooled thermal radiation detectors, TRDs)를 이용한 고감도 적외선 이미지 센서는 cryogenic 냉각이 필요 없어 센서 모듈의 무게 및 가격을 낮출 수 있으며, 소형으로 제작이 가능해 자동차 안전 시스템, 보안 및 군수용 나이트 비전 등으로의 적용을 위해 많은 연구 및 개발이 진행되고 있다[1-3]. 이러한 비 냉각형 열 복사 감지기는 thermocouple, bolometer, acousto-optic, pyro-electric 등을 이용한 방식이 있으며, 이 중 Bolometer 방식의 경우 기존의 MEMS(Micro Electrical Mechanical System)기술을 이용하여 비교적 쉽게 제작이 가능하며, 또한 초소형으로의 소자구현이 용이해 가장 연구가 활발한 분야이다[4-6].
감응층과 흡수층으로 이루어진 복층 구조로 이루어진 박막을 이용할 경우 발생하는 문제는?
온도 감응층의 경우 VO2와 같은 바나듐 산화물 박막 또는 a-Si와 같은 비정질 반도체 박막이 주로 사용되고 있으며, 흡수층의 경우 금속 박막의 단일층 또는 복층 구조로 구성하여 적외선 대역에서의 흡수율을 50~90 % 정도로 도달하는 것이 가능하다[7-10]. 그러나, 이러한 이종 물질로 이루어진 복층 박막을 이용할 경우 마이크로 볼로메터의 열 용량을 계속적으로 증가시켜 센서의 구동 성능을 저해할 수 있으며, 또한 제작 공정 중 형성된 이종물질 간 상호 확산 등의 반응 및 상이한 식각 메커니즘에 의해 소자의 수율 및 특성 저해를 유발시킬 수 있다. 따라서, 기존의 감응층과 흡수층으로 이루어진 복층 구조를 두 가지 특성을 모두 갖는 소재를 이용한 단일 구조 박막으로 대체하고, 이을 통해 제조공정의 단순화 및 이종물질 다층 박막으로 인해 일어날 수 있는 소자 성능이 저해되는 문제점 등을 해결하고자 하는 것은 초소형 고감도 적외선 이미지 센서 적용을 위한 마이크로 볼로메터 구현에 있어 매우 중요하다.
비 냉각형 열 복사 감지기를 이용한 고감도 적외선 이미지 센서의 장점은?
비 냉각형 열 복사 감지기(uncooled thermal radiation detectors, TRDs)를 이용한 고감도 적외선 이미지 센서는 cryogenic 냉각이 필요 없어 센서 모듈의 무게 및 가격을 낮출 수 있으며, 소형으로 제작이 가능해 자동차 안전 시스템, 보안 및 군수용 나이트 비전 등으로의 적용을 위해 많은 연구 및 개발이 진행되고 있다[1-3]. 이러한 비 냉각형 열 복사 감지기는 thermocouple, bolometer, acousto-optic, pyro-electric 등을 이용한 방식이 있으며, 이 중 Bolometer 방식의 경우 기존의 MEMS(Micro Electrical Mechanical System)기술을 이용하여 비교적 쉽게 제작이 가능하며, 또한 초소형으로의 소자구현이 용이해 가장 연구가 활발한 분야이다[4-6].
참고문헌 (14)
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