MİNYATÜR SOĞUTMASIZ KIZILÖTESİ MİKROBOLOMETRE PİKSELİ GELİŞTİRİLMESİ

This thesis reports the development of 12 µm pixel pitch single layer microbolometer structures for use in the 8-12 µm wavelength regions, following recent trends in the last decade in microbolometers. Various pixel structures are designed, simulated, fabricated, and characterized to obtain acceptable detector performance in these small pixels. The pixel structures are improved by reducing the pixel thermal conductance and by using planar type electrode structures where the active material is selected as VWOx (Vanadium-Tungsten Oxide). Predictive modeling with electro-thermal simulations has aided in attaining the best possible pixel structures. Besides that, absorptance is optimized using the cascaded transmission line (CTL) simulation method to improve the pixel absorption between 8-12 µm spectral region show that more than 85% level. Designed detector pixels are fabricated using a CMOS compatible process flow. Each fabrication step is optimized considering a possible array fabrication on CMOS wafers. Then, pixels are characterized electrically, thermally, and optically. These characterizations include temperature coefficient of resistance (TCR), noise, thermal conductance, absorption, responsivity, and thermal time constant measurements. The TCR of the active material, VWOx, is measured around -4 %/K with an optimum resistance value. The thermal conductance values of pixels are measured as low as 20 nW/K. Additionally, the corner frequency is measured 0.85 kHz at 10 μA bias current. Finally, a responsivity value of 37 kV/W at 473 µV is measured for the best-performed fabricated pixel with a low thermal time constant of less than 2 ms, suitable for applications that require high frame rates. Fabrication of 640x480 format FPAs is conducted in the framework of this thesis with the optimized detector structure. Among measured FPAs, the responsivity and operability are measured as high as 10 mV/K and >99%, respectively. Using these measurement results, the lowest NETD value of a 640x480 FPA measured minimum is 200 mK. The success of the developed detector structures is verified through the images obtained from the detectors that are monolithically built on the CMOS readout circuit. It should be noted that this thesis reports the first successfully fabricated 640x480 FPA array using a 12 µm pixel pitch single layer microbolometer in Turkey. The development in this small size FPA production may open a path to different applications to be developed and used in Turkey in the future.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.M.S. - Master of Scienc