一、研究背景

钛（Ti）广泛应用于硅（Si）集成电路中，作为硅与金属、电介质与金属之间的粘合层。例如，片上可控氧化可能会带来新型光催化剂、染料敏化太阳能电池、电池等。钛还具有很高的电阻和热阻，这使它成为微测辐射计（一种热辐射探测器）的热敏电阻/加热器材料，对红外线和太赫兹（THz）波具有吸引力。从 300 千兆赫（GHz）到 3 太赫兹（THz）的频率区域在安检、医疗成像和工业质量控制等多个领域有着广泛的应用。太赫兹辐射显示出 1.2 至 12 meV 的光子能量，这可能与 ~10 K 左右的黑体辐射峰值能量范围有关，因此，任何温度高于 10 K 的物体都会发出太赫兹辐射 。这一辐射范围的独特之处在于，由于其光子能量较低，它是非电离的，因此不会对生物组织或 DNA 造成危害。与微波和毫米波相比，太赫兹辐射还能产生分辨率更高的图像，并具有很强的穿透能力，因此可用于医疗筛查、诊断和成像、材料识别、非法药物检测、食品检测、安全检查等。由于太赫兹辐射具有许多有趣的特性，因此有可能实现许多室温灵敏探测器的商业化。然而，虽然许多用于微波和红外线范围的设备已经商业化，但用于太赫兹波的设备还很缺乏。开发室温、高灵敏度的太赫兹探测器迫在眉睫。目前，太赫兹探测器主要分为光子探测器、热探测器和电子接收器。光子探测器灵敏度高，已广泛商业化用于实验室，但其工作频率低（光子能量小），需要低温冷却以降低噪音。基于肖特基势垒二极管、场效应晶体管（FET）和异质双极晶体管（HBT）的电子接收器在较高频率范围内的灵敏度较低。不过，随着材料工程和微加工技术的进步，这一问题已逐步得到解决。另一方面，如今的热敏探测器性能可靠、成本低廉，并能在室温下工作，因此适用于广泛的应用领域。热探测器具有中等灵敏度和视频速度，内部热导率约为 10-8 W/K，热容量小于 10-9 J/K。热探测器依靠与输入辐射信号引起的温升相一致的材料特性变化 。这样，以温度计为代表的热探测器就能够进行太赫兹传感和成像 。辐射热计通常由一个吸收器/加热器和一个温度感应电阻器（热敏电阻）组成，吸收器的尺寸应足够大于受衍射限制的入射光的最小光斑尺寸。因此，在波长为 λ 和有效折射率为 ne 时，吸收器的尺寸必须大于 λ/ne 。然而，对于波长较长的太赫兹波，吸收器的尺寸会变得过大，无法维持热绝缘结构和实现低热容量，因此天线耦合微波辐射计的设计更为可行。天线耦合微测辐射热计采用 MEMS 技术制造，在过去三十年中得到了广泛的研究 ，辐射被天线吸收并通过负载电阻（加热器）转化为热量，然后相应的输入辐射改变热敏电阻材料的特性。我们的研究小组还对带有独立加热器和热敏电阻的天线耦合微测辐射热计进行了广泛研究，为本研究奠定了基础。在当前材料工程微细加工技术进步的帮助下，设计和开发高效室温微测辐射热计具有片上制造的前景，这为太赫兹光谱研究和成像的主流应用带来了巨大的可能性。太赫兹波长（100 微米至 1 毫米）可产生极高分辨率的成像；可快速传输大量数据；与 X 射线不同，太赫兹波长长时间照射人体组织不会产生电离（不会引发有害的化学反应）。通过检测微弱的分子间耦合和分子网络，还可以诊断材料和食品中的缺陷，调查化学成分。此外，在过去十年中，太赫兹室温探测器、高功率源和实时成像技术的发展取得了一些系统性突破。

本文利用焦耳加热设备改变了钛热敏电阻的电学和热学特性。通过透射电子显微镜和能量色散 X 射线（TEM/EDX）分析，对焦耳加热前后的钛热敏电阻进行了微结构分析，从而将电气和器件结果联系起来。继我们关于芯片集成的非制冷太赫兹微测辐射热计阵列的报告之后，当前的研究通过退火最大限度地减少薄钛热敏电阻的窄宽效应来提高其性能。

二、摘要

这项研究证明，只需在真空中通过钛薄膜传导电流并利用升温，就能将金属钛（Ti）转化为氧化钛。这改善了微测辐射热计的电气和热性能。在本次研究中，我们制作了一个集成钛热敏电阻的微测辐射热计，其加热器宽度为 2.7 微米，长度为 50 微米。对热敏电阻线施加恒压应力，以观察焦耳热对其特性的影响。由于加热，热敏电阻的电阻为初始电阻的 14 倍。由于进行了处理，还观察到负的大电阻温度系数（TCR）为-0.32%/K，从而使响应率比未经处理的钛热敏电阻器件提高了约 4.5 倍。但是，由于闪烁噪声增加，噪声等效功率 (NEP) 并没有提高。利用透射电子显微镜 (TEM)、透射电子衍射 (TED) 和能量色散 X 射线 (EDX) 进行的微观结构分析证实，在最初沉积的钛相（纯度约为 85%）上形成了钛氧化物 (TiOx) 半导体相，并进一步加热。退火过程中形成的 TiOx 可以最大限度地减少窄幅效应（我们以前曾报道过金属薄导线中的窄幅效应），从而提高响应率。

三、结论

利用焦耳加热设备对钛薄膜特性的片上修正得到了证实。考虑到高电阻和热电阻系数对改善波长计特性的重要性，我们研究了焦耳加热对 2.7 微米宽和 50 微米长钛波长计的影响。有趣的是，焦耳加热后，热敏电阻电阻急剧增加，TCR 也呈负增长。热敏电阻的电阻比初始值增加了近 14 倍。焦耳加热后电阻减小，从而显示出较大的负 TCR。虽然 NEP 略有下降，但 Rv 却增加了 4.5 倍。系数 dR/dI2/R02 表示钛材料的 TCR 增加，热导率（k）降低，从而获得更好的 Rv。TEM/EDX 分析表明退火后形成了 TiOx 半导体相。焦耳加热处理有助于提高辐射热计的输出，并降低读出电路所需的输入参考噪声。

图2.微测辐射热计平面图。天线应与加热器相连，以接收电磁波并提高热敏电阻的温度。