Development of small size uncooled infrared microbolometer pixel

Bu tez raporunda, son on yılda mikrobolometre camiasındaki trendleri takip ederek, 8-12 µm dalga boyu bölgesinde kullanım için 12 µm piksel genişliğine sahip tek katmanlı mikrobolometre yapılarının gelişimi gösterilmiştir. Bu küçük piksellerde kabul edilebilir dedektör performansı elde etmek için çeşitli piksel yapıları tasarlanmış, simülasyonu yapılmış, üretilimiş ve bu piksellerin karakterizasyonu yapılmıştır. Bu piksel yapıları, piksel termal iletkenliği azaltılarak ve aktif malzemenin VWOx (Vanadyum-Tungsten Oksit) olarak seçildiği düzlemsel tip elektrot yapıları kullanılarak iyileştirilmiştir. Elektriksel ve termal simülasyonlarla tahmine dayalı modelleme, mümkün olan en iyi piksel yapılarının elde edilmesine yardımcı olmuştur. Bunun yanı sıra, 8-12 µm spektral bölge arasındaki piksel absorpsiyonunu iyileştirmek için kademeli iletim hattı (CTL) simülasyon yöntemi kullanılarak emilim yüzdesinin optimize edilmesi sağlanmış ve bu optimizasyonlar ile emilim yüzdesinin % 85'in üzerinde bir seviyede olduğu gösterilmiştir. Tasarlanan dedektör pikselleri, CMOS üretim uyumluluğu göz önünde bulundurularak üretilmiştir. Her üretim adımı, CMOS pul yapısı ile olası bir dizi üretimi göz önünde bulundurularak optimize edilmiştir. Daha sonra pikseller elektriksel, termal ve optik olarak karakterize edilmiş ve bu karakterizasyonlar, sıcaklık direnci katsayısı (TCR), gürültü, termal iletkenlik, absorpsiyon, tepki ve termal zaman sabiti ölçümlerini içerir. VWOx aktif malzemesinin TCR'i, optimum direnç değeri üzerinden -4 %/K civarlarında ve piksellerin termal iletkenlik değerleri en düşük 20 nW/K değerine kadar ölçülmiştür. Ek olarak, gürültüsü köşe frekansı, 10 μA akımında 0.85 kHz ölçülmüştür. Çeşitli piksel yapılarından en iyi performans sergileyen pixel yapısı için 473 µV gerilimi altında piksel tepkiselliği ~37 kV/W ölçülmüş ve yine bu tarımın 2 ms'den fazla olmayan zaman sabiti yüksek hareket içeren görüntülerde iyi bir performans sağlayacaktır. Bu tez kapsamında optimizasyonu yapılmış dedektör yapısı ile 640x480 formatındaki FPA'ların üretimi gerçekleştirilmiştir. Ölçülen FPA'lar arasında, tepkiselliği ve çalışabilirliği sırasıyla 10 mV/K'e kadar yüksek ve >%99 olarak ölçülmüştür. Bu ölçüm sonuçlarını kullanarak, 640x480 FPA'nın en düşük NETD değeri 200 mK olarak ölçülmüş. Geliştirilen dedektör yapılarının başarısı, CMOS okuma devresi üzerine dedektörlerden elde edilen görüntülerle doğrulanmaktadır. Bu tezin, Türkiye'de 12 µm piksel aralıklı tek katmanlı mikrobolometre yapısı kullanılarak başarıyla üretilmiş ve görüntü alınmış ilk 640x480 FPA dizisini rapor ettiği belirtilmelidir. Bu küçük boyutlu FPA üretimindeki gelişme, gelecekte Türkiye'de geliştirilecek ve kullanılacak farklı uygulamaların yolunu açabilir.