Material response of metasurface integrated uncooled silicon germanium oxide SixGeyO1-x-y infrared microbolometers
Material response of metasurface integrated uncooled silicon germanium oxide SixGeyO1-x-y infrared microbolometers
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超表面集成非制冷硅锗氧化物 SixGeyO1-x-y 红外微测辐射热计的材料响应
DOI：
10.1117/12.2519093
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发表时间：
2019
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
Kinzel, Edward
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Koppula, Akshay Kumar;Abdullah, Amjed A.;Liu, Tao;Alkorjia, Omar;Zhu, Chen;Warder, Cameron;Wadle, Shayne;Deloach, Phyllip;Lewis, Savannah;Kinzel, Edward
本文介绍了一种超颖表面集成微测辐射热计的研究。半导体吸收体夹在金属频率选择表面（FSS）和接地层之间。当半导体吸收体通过薄电介质与接地平面电隔离时，其可以用于测量像素的温度。与FSS的集成消除了对法布里-珀罗腔的需要。FSS允许在逐像素的基础上控制由微测辐射热计吸收的辐射的属性，这提供了光谱或偏振成像的可能性。FSS还影响半导体吸收体的电性能和微测辐射热计的热性能。此外，半导体材料的复介电常数也影响着频率选择表面的优化设计。选择Si/Ge/O系统是因为其允许设计吸收体的性质（例如，较少的氧产生较低的吸收率和较高的电阻率）。本文探讨了吸收器/频率选择表面的参数空间，重点是集成系统的电气和噪声特性。模型被开发来解释结果。初步结果表明，添加FSS将微测辐射热计的TCR提高了10%，同时显著降低了其电阻率（5倍）。电阻率的降低导致噪声功率谱密度的急剧降低，增加了FSS，使测量的1/f噪声比没有FSS的相同样品提高了两个数量级。此外，本文将介绍微测辐射热计的优点，包括电压响应率，探测率和热响应时间。
This paper presents a study of metasurface integrated microbolometers. The semiconductor absorber is sandwiched between a metal Frequency-Selective Surface (FSS) and ground plane. When the semiconductor absorber is electrically isolated from the ground plane by a thin dielectric it can be used to measure the temperature of the pixel. The integration with the FSS removes the need for a Fabry-Perot cavity. The FSS allows control the attributes of radiation absorbed by the microbolometer on a pixel-by-pixel basis which provides the potential for spectral or polarimetric imaging. The FSS also affects he electrical performance of the semiconductor absorber and the thermal performance of the microbolometer. In addition, the complex permittivity of the semiconductor affects the optimal design of the FSS. The Si/Ge/O system is selected because it allows the properties of the absorber to be engineered (e.g., less oxygen gives lower absorptance and higher resistivity). This paper explores the absorber/FSS parameter space with an emphasis on the electrical and noise properties of the integrated system. Models are developed to explain results. Preliminary results show that the addition of the FSS improves TCR of the microbolometer by 10% while dramatically lowering its resistivity (factor of 5×). The resistivity reduction leads to a dramatic reduction of the noise power spectral density with the addition of FSS improving the measured 1/f noise by two orders of magnitude over an identical sample without the FSS. In addition, this paper will present the microbolometer figures of merits including voltage responsivity, detectivity, and thermal response time.
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T. Kostrzewa
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