Magnetron sputter grown metal doped vanadium oxide thin films for terahertz bolometers

Abstract

Terahertz (THz) studies and hence technological improvements have increased and that caused expansion of application of THz waves. Applications of THz region have been expanded in many areas such as security, medical imaging, detection of explosives, nondestructive tests and wireless communication recently. THz radiation passes through many plastic materials, clothing but it reflects from metals and it is used in the detection of a lot of well known explosive materials. In spite of mentioned advantages and a wide range of application area, constructing a detector which is low cost, compact and uncooled is difficult and this causes the industry to improve slowly. Now, detectors which are widely used in THz region are pyroelectric, Schottky barrier diodes, field effect transistors and they have disadvantages such as low sensitivity, hard to construct an array and low speed. Instead of these detectors, superconducting bolometers are presented but they require liquid helium cooling. It is thought that VOx will be a premium technology for THz region due to its success in the infrared region. In this thesis, VOx:Au thin films were produced by DC magnetron sputtering and properties of these films were optimized for uncooled bolometer that operates at THz region. Polycrystalline VOx:Au thin films which have -1.7 % K-1 temperature coefficient resistance (TCR) and 0.07 Ωcm resistivity values were obtained. Increasing TCR values mostly depend on sputtering parameters such as gas and Au dope rates. These parameters were changed until the best TCR value was achieved and with Au doping, high resistance values of the films decreased to acceptable levels hence it decreased Johnson noise of the bolometer. Originally, these thin films which were sputtered on high resistivity silicon wafers and doped with Au, provided the bolometer to operate in THz region efficiently. The antenna design on the device was made by CST Microwave Studio, the antenna resonance was arranged to 0.6 THz which is related to our THz source operating frequency.

Terahertz (THz) bölgesindeki çalışmalar ve bunun sonucu olan teknolojik gelişmeler son dönemde artmıştır ve bunun sonucu olarak THz bölgesinin uygulama alanlarının genişlemesine neden olmuştur. Günümüzde terahertz bölgesinin uygulama alanları güvenlikten medikal görüntülemeye, patlayıcı tespitinden, örneklere zarar vermeden yapılabilen testlere ve geniş bant kablosuz iletişime kadar birçok alana yayılmıştır. Terahertz ışıması birçok plastikten, kıyafetlerden geçer, metallerden yansır ve bilinen birçok patlayıcı malzemesinin tespitinde kullanılabilir. Bahsedilen tüm bu avantajları ve uygulama alanlarının çokluğuna rağmen, ucuz, küçük boyutlu ve soğutmasız THz dedektör yapmanın zorluğu sektörün yavaş ilerlemesine neden olmaktadır. Şu anda yaygın olarak THz alanında kullanılan dedektörler, piroelekrik, Schottky bariyer diyotları, alan etkili transistörler, golay hücreleridir ve bunların düşük duyarlılık, bir dizi haline getirme zorluğu, düşük hızda çalışmaları gibi dezavantajları vardır. Bu dedektörler dışında, süperiletken bolometreler yapılmıştır ancak bu hassas bolometrelerin sıvı helyum ile soğutulmaları gerekmektedir. Kızılötesi alanındaki başarısı nedeniyle VOx in, terahertz bölgesi için de gelecek vaat edeceği düşünülmektedir. Bu tezin kapsamında VOx:Au filmler DC manyetik saçtırma ile üretilmiş ve filmin özellikleri THz bölgesinde çalışacak soğutmasız bir detektöre uygun hale getirilmiştir. Çoklu kristal yapıda -%1.7 K-1 sıcaklık direnç katsayılı (TCR) ve 0.07 Ωcm özdirenç değerine sahip filmler üretilmiştir. TCR değerini iyileştirmek, gaz oranları veya Au katkılama oranları gibi kaplama parametrelerine bağlıdır. Bu parametreler en iyi TCR değeri elde edilinceye kadar değiştirilmiş ve aynı zamanda yüksek direnç değerlerini kabul edilebilir düzeylere indirerek bolometrenin Johnson gürültüsü düşürülmüştür. Özgün olarak, yüksek özdirenç silikon yongalar üzerine büyütülmüş ve altın katkılandırılmış bu filmler, bolometrenin THz bölgesinde verimli bir şekilde çalışmasını sağlayacaktır. Anten tasarımı CST Microwave Studio ile yapılmış ve resonansı, grubumuzun elinde bulunan kaynağın çalışma frekansına uyacak şekilde 0.6THz'e tepki vermesi için tasarlanmıştır.