铁电薄膜热敏电容器的研制刘世建徐重阳曾祥斌赵伯芳（华中理工大学电子科学与技术系））铁电薄膜热敏电容器。介绍了热敏电容器上下电极的选材和制备及铁电薄膜的制备工艺。根据热敏电容器的电容温度曲线，分析了热敏电容器的工作原理。实验结果表明BST铁电薄膜热敏电容器可以工作在室温附近，约26℃处。

　　红外探测器是红外系统中的核心器件。为了红外系统的微型化、智能化，薄膜型非致冷红外焦平面阵列是21世纪红外探测器的发展方向。其中，铁电焦平面因其响应时间快，敏感波段宽等优点，成为*有竟争力的薄膜型非致冷红外焦平面阵列[ 1 ，2].铁电焦平面分为热释电模式和介质测辐热模式，其中介质测辐热模式主要采用钛酸锶钡（BS T）或钽酸钪铅（PS T）。铁电焦平面的核心探测元件即为铁电薄膜热敏电容器。本研究采用射频磁控溅射法制备了工作温度在室温附近（约26℃）的BST铁电薄膜热敏电容器。

　　1器件制备的结构示意。

　　制备BST铁电薄膜热敏电容器的目的是为了研制薄膜型非致冷红外焦平面阵列，而在薄膜型非致冷红外焦平面阵列中， BST铁电薄膜热敏电容器组成的传感阵列与信号处理电路是做在同一Si基衬底上，因此选用Si（1 0 0）为衬底。

　　结构。SiO由普通半导体工艺???干氧/湿氧/干氧，在Si（1 0 0）基片上氧化而成，厚约350 nm .SiO既是扩散阻挡层也是热绝缘层， Ti和Pt膜均由直流溅射方法制备，Ti膜起着缓冲并增强Pt膜附着力的作用。

　　上电极是用直流溅射方法制备的Pt膜。

　　BST铁电薄膜的制备是制备热敏电容器的关键技术，本研究采用射频磁控溅射法制备BST铁电薄膜。采用的靶材为直径100 mm、厚度为混合陶瓷烧结靶。

　　典型工艺条件如表1 .

　　工艺名称条件靶材陶瓷靶靶直径基片?靶间距基片温度Ar气流气流射频功率溅射气压淀积速率本底真空溅射时间BST薄膜膜厚约为1μm .

　　由于基片温度太低（BST的原位淀积温度≤300℃），因此在溅射工序完后，还需后退火晶化，经过多次实验分析表明比较好的退火条件是在气氛中750℃保温10 min ，升温速率为实践分析表明， BS T薄膜的主要缺陷是氧缺位。氧缺位的存在是电容器击穿的主要原因，而且也会影响BST铁电薄膜热敏电容器的疲劳特性和电容温度特性。因此在BST薄膜形成中应尽量减少氧缺位。为此有两种途径：一是在溅射气体中混入适量的O二是在后退火过程中通入少量2，以弥补BST成膜过程中氧的不足。

　　2器件性能测量与分析BST铁电薄膜热敏电容器的工作原理是：当BST铁电薄膜因吸收红外线而温度升高时，热敏电容器的电容随之变化，从而引起电压的变化，电压的变化值作为信号传递给图像处理电路。

　　容随温度变化的实验曲线。测量仪器用的是HP低频阻抗测试仪，测量频率为100 kHz的固定频率。低频电容的定义式为由于面积A和极间距离d及频率是固定的，因此BST薄膜的相对介电常数ε正比于样品电容。铁电体物理学认为在铁电相变温度（居里温度）附近，低频相对介电常数ε也即低频电容率呈现极大值。图2中，从26℃开始，样品的电容值随温度上升急剧增大，在30℃附近，样品的电容值出现极大值，也即BST铁电薄膜的相对介电常数呈现极大值，表明样品中BST铁电薄膜的居里温度约为30℃，样品（热敏电容器）的工作温度在室温附近，约26℃处。

　　nF/K ，相对变化率为28 / K 用BST铁电薄膜的相对介电常数ε的变化率表示则约为78/K ，相对变化率同上。与文献的结果比较，虽然相对介电常数ε的####变化率要小一点，但是相对变化率约为文献中结果的三倍。这表明本研究所制备的BS T铁电薄膜热敏电容器更有利于制备薄膜型非致冷红外焦平面阵列。

　　感谢本系史济群教授、王长安教授、周雪梅副教授在实验中的指导和帮助。

　　参考文献钟维烈。铁电体物理学。北京：科学出版社， 1996.

　　铁电薄膜热敏电容器的研制