Tezin Türü: Yüksek Lisans
Tezin Yürütüldüğü Kurum: Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2002
Tezin Dili: İngilizce
Öğrenci: Mahmud Yusuf Tanrıkulu
Danışman: TAYFUN AKIN
Özet:oz YÜKSEK ETKİN ALANLI CMOS SOGUTMASIZ KIZILÖTESİ MİKROBOLOMETRE DEDEKTÖRÜ Tarınkulu, Mahmud Yusuf Yüksek Lisans, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü Tez Yöneticisi: Doç. Dr. Tayfun Akın Eylül 2002, 99 sayfa Bu tezde düşük maliyetli büyük odak düzlem matrislerinde kullanılabilecek CMOS sürecinde üretilen yüksek etkin alanlı bir soğutmasız kızılötesi mikrobolometre dedektörü sunulmuştur. Direnç ve diyot tipi olmak üzere iki çeşit mikrobolometre ele alınmıştır. Direnç tipi mikrobolometrelerde, emilen kızılötesi ışınım dolayısıyla direnç değeri değişen n-kuyu direnci algılayıcı eleman olarak kullanılmıştır. Diyot tipi mikrobolometrelerde ise, açılma voltajı değişen n-kuyu/p+ diyotu algılayıcı eleman olarak kullanılmıştır. Bu iki tip mikrobolometrede de, algılayıcı elemanlar öncelikle 0.35 um CMOS sürecinde ürettirilmiş ve daha sonra CMOS sonrası üretim basamakları kullanılarak silisyum tabandan ısıl olarak izole edilmiştir. Bu ısıl izolasyon dedektörün hassasiyetini ve performansım arttırmaktadır. Bu çalışma çerçevesinde geliştirilen CMOS sonrası üretim basamakları piksel alanım azaltırken etkin alam artırmayı sağlamaktadır. Mikrobolometrelerin CMOS sonrası üretim basamakları kolay olduğundan ve kritik vıbir basamak içermediğinden, bu yaklaşım düşük maliyetli yüksek performanslı odak düzlem matrislerinin üretiminde kullanılabilir. Bu çalışma içerisinde çeşitli piksel yapılan ve birkaç tane test yapısı geliştirildi. Piksel yapıları MATLAB ve CoventorWare yazılımlarında yapılan çeşitli simulasyonlar ile optimize edildi. Detaylı simulasyonlar en uygun piksel yapısının 40um x 40um alana sahip olduğunu ve 20 uA sabit akımda hassasiyetinin -2 mV/K, ortalama gürültü yoğunluğunun ise 8.1 nV/VHz olduğunu göstermektedir. Bu pikselin ısıl iletkenliği 1.3x1 0"7 W/K ve ısıl zaman sabitininde 25 msec olduğu bulunmuştur. Tasarımdan sonra yapılar 0.35 um CMOS üretim sürecinde ürettirilmiş ve daha sonra da CMOS sonrası üretim adımları ile ısıl izolasyonu sağlanmış yapılar tamamlanmıştır. CMOS sonrası üretim basamaklarının iki aşaması vardır: reaktif iyonla aşındırma (RIE) ve yönlü silisyum aşındırması. RIE basamağı yapılardaki dar aralıkların açılmasını, dolayısıyla aşındırılacak olan silisyum tabakaya ulaşılmasını sağlamaktadır. Yönlü silisyum aşındırması ise, TMAH çözeltisinde, n-kuyu tabakanın aşınmasını engelleyecek olan elektrokimyasal aşırdırma-durdurma yöntemi ile beraber yapılmaktadır. Bu iki basamakta kapsamlı çalışmalar sonucunda optimize edilmiştir. Üretilen yapıların performansının belirlenebilmesi için bir takım ölçümler yapılmıştır. En uygun mikrobolometre pikseli 20 uA sabit akımda -1.98 mV/K hassasiyete ve 8.3 nV/VHz ortalama gürültü yoğunluğuna sahiptir. Bu değerler simulasyon sonuçlarına çok yalandır. Bu pikselin dedektivitesinin 2.5xl09cnWHz/W civarında ve gürültüye eş sıcaklık farkının f/l optik ve 4 kHz elektriksel bant aralığında 200 mK'den düşük olacağı tahmin edilmektedir. Üretilen kırmıkta, mikrobolometrelerin performansını etkileyen CMOS katmalarım karakterize etmekte kullanılacak bir takım test yapılan bulunmaktadır. Bu yapılar kullanılarak yapılan testler sonucunda oksit, polisilisyum ve metal katmanlarının ısıl iletkenlikleri ve ısı sığaları bulunmuştur. Isıl iletkenlik, oksit katmanları için vu0.78 W/mK ile 1.78 W/mK arasında, polislisyum katmanı için 14.6 W/mK ve metal katmam için ise 37.5 W/mK bulunmuştur. Isı sığaları ise oksit katmaman için 0.9 J/cm3K ile 1.24 J/cm3K arasında, polisilisyum katmam için 1.78 J/cm3K ve metal katmam için ise 10.9 J/cm3K bulunmuştur. Ölçülen bu değerler literatürde verilen değerler ile uyumludur. Bu çalışma, küçük piksel alanına sahip yüksek performanslı mikrobolometrelerin yeni bir CMOS sonrası üretim yaklaşımı ile gerçeklenebileceğini göstermektedir. Bu yüzden, bu çalışma, askeri ve sivil uygulamalar için düşük maliyetli gelişmiş kızılötesi görüntüleme sistemlerinin geliştirilmesi için önemli bir adımdır. Anahtar Kelimeler: Soğutmasız kızılötesi dedektörler, yüksek etkin alana sahip mikrobolometreler, düşük maliyetli kızılötesi dedektörler, CMOS sürecinde üretilen kızılötesi dedektörler, CMOS katmanlarının ısıl karakterizasyonu. vııı