Tek katlı bir soğutmasız kızılötesi dedektör pikselinin tasarım ve karakterizasyonu

Bu tezde tek katmanlı bir soğutmasız mikrobolometre dedektörünün üretimi ve karakterizasyonu anlatılmaktadır. Tek katman yapısı aynı malzemeyi ısıl direnç, yapısal malzeme ve emilim malzemesi olarak kullanmak amacıyla geliştirilmiş ve bu şekilde üretim karmaşıklığını azaltarak daha düşük maliyetli bir çözüm ortaya koymak amaçlanmıştır. Tasarım tek katman malzemesinin atomik katman kaplama yöntemi ile kaplanmış Çinko Oksit (ZnO) olarak belirlenmesiyle başlamıştır. Tek katmanlı mikrobolometre dedektör pikselinin yapısal tasarımı, tasarım parametrelerinin optik, termal ve mekanik simülasyonları yapılarak optimize edilmesiyle tamamlanmıştır. 25, 35 ve 50 μm boyutlarındaki pikseller tasarlanmış; tasarlanan piksellerin ZnO katman kalınlığı ve katmanın tabandan yüksekliği değerleri, 8-12 μm dalga boyu aralığındaki emilim değeri %85'den yüksek olacak şekilde optimize edilmiştir. Tasarlanan piksellerin ısıl iletkenliklerinin 0.5x10-6 ile 7.7x10-6 W/K arasında ve ısıl zaman sabitlerinin de 0.2 ile 2.8 ms arasında değiştiği simüle edilmiştir. Tek katmanlı mikrobolometre dedektörleri için dört adımlı bir fabrikasyon süreci tasarlanmıştır. Bu adımlar ayna katmanı, feda katmanı ve ısıl direnç katmanının serilip şekillendirilmesi ile feda katmanının kaldırılmasından oluşmaktadır. Tüm adımlar ayrı ayrı optimize edilmiş ve bunun sonucunca ZnO katmanın kalınlığının ve katmanın tabandan yüksekliğinin sırasıyla 25 nm ve 2.2 μm olarak revize edilmesi gerekmiştir. Tasarımın revize edilmesinin ardından dedektörlerin üretimi yapılmıştır. Tek katmanlı piksellerin fabrikasyon süreci tamamlandıktan sonra bazı testler yapılmıştır. Testlerin sonucunda TCR değeri 20 °C'de -10.5 %/K olarak, 1/f gürültüsünün köşe frekansı da 5 μA akım uygulanarak 302.5 Hz olarak elde edilmiştir. 8-12 μm dalgaboyundaki ortalama kızılötesi emilim %30 ile %39 arasında ölçülmüştür. Çalışmanın sonuçları, ZnO malzemesinin aktif, emilim ve yapısal katmanlar yerine kullanılmasıyla, tek katmanlı mikrobolometre yapısının fabrikasyon sürecini basitleştirmek amacıyla uygulanabilir olduğunu göstermiştir. Fabrikasyon adımlarının daha kalın bir ZnO katman elde edebilmek için geliştirilmesiyle, tek katmanlı mikrobolometre dedektör piksellerinin performansı artırılacak ve düşük maliyetli ticari uygulamalar için kullanıma uygun hale getirilmiş olacaktır.