(57)【要約】【解決手段】少なくとも２００マイクロメートルの厚さの単一結晶ＳｉＣ（６）が、音響的吸収機構を介して、約１０マイクロメートルより小さい波長を有する電磁放射（４）を検出するため用いられる。その用途には、ＩＲ放射検出、無接触温度検出及びＩＲコントラーラのバリスター等が含まれる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁放射検出システムであって、
ＳｉＣのボディ（６）と、
約１０マイクロメートルより小さい波長を有する電磁放射（４）の源（２）と、
前記源からの放射に対する前記ＳｉＣボディの応答を検出するため配置された検出器（１２）と、
を備える、電磁放射検出システム。
【請求項２】
前記検出器は、前記ＳｉＣボディによる前記源からの放射の音響的吸収を検出するように配置されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記検出器は、前記源からの放射を受け取った前記ボディに応答した該ＳｉＣボディの抵抗の増加を検出するように配置されている、請求項１又は２に記載のシステム。
【請求項４】
前記ＳｉＣボディは、少なくとも２００マイクロメートルの厚さを有する、請求項１又は２に記載のシステム。
【請求項５】
前記ＳｉＣボディは、単一結晶のＳｉＣである、請求項１又は２に記載のシステム。
【請求項６】
前記ＳｉＣボディによる前記源からの放射の受け取りを狭い波長帯に制限するように配置されたフィルター（８）を更に備える、請求項１又は２に記載のシステム。
【請求項７】
電磁放射検出方法であって、
少なくとも２００マイクロメートル厚のＳｉＣのボディ（６）に、約１０マイクロメートルより小さい波長を有する電磁放射（４）を照射し、
前記放射に対する前記ＳｉＣボディの応答を検出する、各工程を備える電磁放射検出方法。
【請求項８】
前記応答は、前記ＳｉＣボディによる前記放射の音響的吸収を検出することにより検出される、請求項７に記載の電磁放射検出方法。
【請求項９】
電磁放射検出方法であって、
ＳｉＣのボディ（６）に、約１０マイクロメートルより小さい波長を有する放射を照射し、
前記ボディによる前記放射の音響的吸収を検出する、各工程を備える電磁放射検出方法。
【請求項１０】
前記音響的吸収は、幅広い帯域の波長に亘って検出される、請求項９に記載の電磁放射検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁放射検出及び抵抗制御のためＳｉＣを使用する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
音響的吸収、バンドギャップ吸収及び不純物吸収は、夫々３つの異なる放射吸収機構として言及されている。音響的吸収は、放射にさらされた状態下で格子振動が増大することに起因している。これは、幅広い範囲の波長に亘って検出が実行されるとき、望ましい吸収機構となる。それは、認知可能な波長範囲に亘って、照射エネルギーに関してＳｉＣチップの抵抗を略線形に増加させるからである。ＳｉＣは、その表面に沿ってではなく、その体積を通して熱を吸収し、このため、高い投与量のレーザーを吸収するため及び他の用途のため、高い熱容量を持っている。赤外線放射（ＩＲ）及び他のより低い波長放射を検出するためにはＳｉＣを用いることが望ましいであろうが、音響的吸収は、約１０マイクロメートルより小さい波長、かくしてより短い波長が伴われるＩＲ帯域の消滅部分に対してＳｉＣでは観察されなった。
【０００３】
バンドギャップ吸収は、材料のバンドギャップエネルギー（その伝導帯及び価電子帯の間のエネルギー差）に対応する特定の波長で発生する。ＳｉＣは、７０以上もの異なるプロトタイプで現れることができ、該プロトタイプの各々は、単一結晶のｃ軸に平行に測定されたときそれ自身の特徴付けられたバンドギャップエネルギーを有する。ＳｉＣの立方結晶形態（３Ｃ−ＳｉＣ又はβ−ＳｉＣと称される）は、全てのＳｉＣ結晶構造及びプロトタイプのうち最も長い対応する波長（約０．５５ミクロン）の最低エネルギーバンドギャップ（約２．３ｅＶ）を有するが、これは、ＩＲ範囲の完全に外側にある黄色／緑光である。他の全てのＳｉＣ結晶構造及びプロトタイプのバンドギャップは、より短い波長のエネルギーにおいてより高くなり、ＩＲのバンドギャップ吸収検出には適さなくなる。
【０００４】
不純物吸収の場合、ドーパントがホスト材料へと導入され、（ｎ型ドーパントに対して）ホスト及びドーパントの伝導帯エネルギーレベルの間のエネルギー差、又は、（ｐ型ドーパントに対して）価電子帯エネルギーレベルの間の差で、放射が検出される。ホスト材料のチップ抵抗は、不純物吸収エネルギーに対応する特定の波長で放射エネルギーに関して指数関数的に降下するが、他の波長では、そうならず、離散的な検出可能な波長のみを生じさせる。不純物吸収は、ＩＲ範囲においてＳｉＣに対して観察された（フックス航空会社電子特性情報センター、空気力材料研究所、「シリコンカーバイド吸収」の９〜１６頁）。しかし、特定の不純物に対応する特定の波長においてのみ、当該不純物吸収が観察された。幅広い帯域に亘る、ＩＲ吸収機構が発見された。
【非特許文献１】
Air Force Materials Laboratory, "Silicon Carbide Absorption", Hughes Aircraft Company Electronic Properties Information Center, pages 9-16（フックス航空会社電子特性情報センター、空気力材料研究所、「シリコンカーバイド吸収」の９〜１６頁）
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、ＳｉＣに関する前述の知られていなかった音響的吸収機構を利用することによって、高い熱容量と、放射エネルギーに関して略線形に変化する出力との両方を有する検出器を用いて、約１０マイクロメートルより短い波長における電磁放射検出を達成する。少なくとも２００マイクロメートルの厚さを備えた単一結晶のＳｉＣを使用することにより、１０マイクロメートルより小さい波長の放射を検出するため使用可能となる音響的吸収機構が存在することが発見された。本発明は、ＩＲ放射にとって特に有用であり、適切なスペクトルフィルターの使用により狭い帯域の検出に適合させることができる。
【０００６】
本発明の上記及び他の特徴並びに利点は、添付図面を参照した、好ましい実施例の次の詳細な説明から当業者には明らかであろう。
【実施例】
【０００７】
本発明は、約１０マイクロメートルより小さい波長の電磁放射センサーとしてＳｉＣを用い、特に、この範囲内で検出するＩＲに有用である。これらの用途には、例えばレーザー等の放射源から放射された放射パワー即ちエネルギーの検出、ＩＲ放射により加熱された他のボディの温度の無接触検出、及び、電子回路のための制御されたバリスターが含まれている。
【０００８】
約１０マイクロメートルより小さい波長ではＳｉＣに対しては音響的吸収が観察されなかったが、出願人は、それが単一の結晶構造を持ち、その厚さが少なくとも約２００マイクロメートルである場合には、ＳｉＣから有用な音響的吸収機構を得ることができることを発見した。より薄いサンプルに関しては何らかの音響的吸収が存在し得るが、その量は、非常に小さく、以前には観察されなかった。音響的吸収を介して吸収されたＩＲ放射は、熱エネルギーへと直接変換され、ＳｉＣ抵抗を低下させる不純物吸収とは反対に、ＩＲエネルギーに関してＳｉＣの抵抗を略線形に増加させる。
【０００９】
ＳｉＣのためのＩＲ用途の中には、例えば、ＩＲレーザービームのエネルギー若しくはパワー、又は、ＩＲ電灯からの合焦された放射を検出する、ビームエネルギー及びパワーの検出がある。ＳｉＣは、これらの用途にとって特に有益な効果がある。それは、非常に短い時間に亘って、損傷無しに、非常に高い投与量のエネルギーを吸収することができるからである。かくして、それは、中間パワー（１０ワット〜３００ワットの範囲のパワー）から非常に高いパワー（３００ワットを超えるパワー）のＩＲで放出されたエネルギーのエネルギー／パワー検出のため使用することができる。このとき、ファン及び水冷設備無しに全出力エネルギーにさらされたＳｉＣの検出表面は、１３００℃を超える温度に耐えている。ＳｉＣの優れた高いパワー密度の取り扱い能力は、与えられたパワーレベルに対して、今日用いられているものに比べて、より小さい体積のＳｉＣセンサー素子の使用を可能にする。更には、ＳｉＣセンサー素子のより小さいサイズによって、レーザーパルスを吸収した後に、ＩＲ放射を検出するため使用される他の材料よりも急速に自己冷却が促進される。ＳｉＣの高い熱伝導率は、全センサー体積に亘って、吸収エネルギーの急速な分配を提供する。これによって、センサー素子の小さい面積が高いエネルギーレーザービームにさらされているときに惹起され得る、側面方向の大きい温度勾配からの損傷及び熱的衝撃に対するセンサー素子の感受性が実質的に減少される。ＳｉＣの（ピロ電気材料に比べて）低い圧電係数は、その高い熱伝導率（室温でＣｕより高い）と結合されて、合焦されたレーザービームからのセンサー内の大きな圧電信号の発生を抑制する。一般に、ＳｉＣの有利な熱的衝撃に対する耐性は、ＳＩＣが高いエネルギーを含むレーザーパルスを吸収することを可能にし、比較的長い期間、小さい体積及び面積のセンサー内で高いエネルギー／パワー強度のＩＲ放射にさらされる状況に対して使用することを可能にする。
【００１０】
ＩＲ放射エネルギーセンサーとしてのＳｉＣの使用形態が図１に示されている。レーザー２等のＩＲ放射源は、特定の波長帯（単一の波長を備えるものとして本明細書では定義されている）の範囲内でＩＲビーム４を放射する。ＳｉＣセンサーボディ６は、ビーム経路内に配置され、好ましくは、ビーム全体を受け取るように配置される。センサーに到達する放射を単一の波長又は他の狭い波長帯に制限することが望まれる場合には、標準構成の光学スペクトルフィルター８が、センサーボディ６の前段のビーム経路内に配置されていてもよい。例えば、特定の波長でのみ放射を検出することが望まれている場合には、フィルター８は、その波長へと調整され、他の波長の放射を遮蔽するように設定される。
【００１１】
一定電圧源１０は、ＳｉＣボディに亘って一定電圧を印加し、電流センサー１２が、その結果生成された、ＳｉＣを通って流れる電流を検出する。ＳｉＣの温度は、受け取ったＩＲ放射に応じて変化する。このとき、これに対応する抵抗が、放射波長、強度及び露光時間に応じて変化している。与えられたサンプルに対して、ＳｉＣ温度及びその抵抗の間に、一定の関係が存在しているので、電流計１２によって検出されたＳｉＣを通って流れる電流の関数として、ＳｉＣ温度を決定することができる。ＳｉＣにより吸収されたＩＲ放射エネルギーと、その温度との間にも直接的な対応関係が存在している。従って、ＳｉＣの電流応答は、ＩＲビームエネルギーに関して１対１の関係で変化する。電流計１２をＳｉＣの抵抗温度係数に校正することは、任意の電流誘起加熱の効果も相殺し、かくして、ＩＲビームエネルギーの直接的な読み取りを可能にする。
【００１２】
図１に示されるように、一定電圧を印加してその結果生じたＳｉＣ電流を検出するのではなく、一定電流を出力回路に印加し、その結果生じたＳｉＣ電圧応答を検出するようにしてもよい。ＳｉＣの抵抗及びかくしてその温度が変化する瞬間的な比率を微分することによって、ＩＲビームの瞬間的なパワーの直接的な示度を提供することができる。
【００１３】
ＳｉＣボディをドーピングすることもできるが、最も純度の高い音響的吸収応答は、それが本来の性質を表すときに得られる。本発明の主要な直接的な用途は、ＩＲ範囲内にあると考えられるが、本発明は、可視光から紫外線（ＵＶ）の領域で、より低い波長にも適用可能である。
【００１４】
本発明は、非常に安定した再現性の高い、抵抗対温度特性を生成し、ファンや水冷設備を要すること無しに、最低でも１４００℃の絶対温度及び非常に急激な温度勾配の両方に耐えることができる。本発明は、ロバストであり、容易に損傷を受けず、校正を良好に維持し、高いＩＲエネルギー／パワー強度、露光時間及び熱的衝撃に耐える能力において改善点を提供する。小さいＳｉＣデバイスは、それらの好ましい高出力パワー密度の処置能力の故に、他の材料では合焦されたレーザーパルスにより惹起され得る大きな圧電信号を受けること無しに、使用することができる。
【００１５】
例えば無接触温度検出及びバリスター等のＳｉＣのための他の放射吸収用途、並びに、Ｗ、ＷＣ又はＷ2Ｃ取り付け層を備えたＡｌＮ基板を有する取り付け構造にＳｉＣボディを取り付けるための好ましい技術は、本願発明者に２００１年５月２９日に付与された米国特許番号６，２３９，４３２号に記載されている。その開示内容はここで参照したことにより本明細書に組み込まれる。
【００１６】
本発明の幾つかの例示の実施例が図示され説明されたが、多数の変形及び代替の実施例が当業者には明らかであろう。添付された請求の範囲に定義された本発明の精神及び範囲から逸脱すること無しに、そのような変形及び代替の実施例が考えられ、実行することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、ＩＲレーザービームのエネルギーを検知するため使用される、本発明の簡単化した概略図である。
【図１】
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【国際公開パンフレット】
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【手続補正書】
【提出日】平成14年10月25日(2002.10.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁放射検出システムであって、
少なくとも２００マイクロメートルの厚さを有するＳｉＣのボディ（６）と、
約１０マイクロメートルより小さい波長を有する電磁放射（４）の源（２）と、
前記源からの放射に対する前記ＳｉＣボディの音響的吸収応答を検出するため配置された検出器（１２）と、
を備える、電磁放射検出システム。
【請求項２】
前記検出器は、前記源からの放射を受け取った前記ボディの応答として、該ＳｉＣボディの抵抗の増加を検出するように配置されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記ＳｉＣボディは、単一結晶のＳｉＣである、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記ＳｉＣボディによる前記源からの放射の受け取りを狭い波長帯に制限するように配置されたフィルター（８）を更に備える、請求項１又は３に記載のシステム。
【請求項５】
電磁放射検出方法であって、
少なくとも２００マイクロメートル厚のＳｉＣのボディ（６）に、約１０マイクロメートルより小さい波長を有する電磁放射（４）を照射し、
前記放射に対する前記ＳｉＣボディの応答を検出する、各工程を備える、電磁放射検出方法。
【請求項６】
前記応答は、前記ＳｉＣボディによる前記放射の音響的吸収を検出することにより検出される、請求項５に記載の電磁放射検出方法。
【請求項７】
電磁放射検出方法であって、
ＳｉＣのボディ（６）に、約１０マイクロメートルより小さい波長を有する放射を照射し、
前記ボディによる前記放射の音響的吸収を検出する、各工程を備える電磁放射検出方法。
【請求項８】
前記音響的吸収は、幅広い帯域の波長に亘って検出される、請求項７に記載の電磁放射検出方法。
【請求項９】
前記電磁放射源は、２．５マイクロメートルより小さい波長を有する、請求項１又は３のシステム。
【請求項１０】
前記ＳｉＣボディは、２．５マイクロメートルより小さい波長を有する電磁放射で照射される、請求項５又は６に記載の方法。
【請求項１１】
前記ＳｉＣボディは、２．５マイクロメートルより小さい波長を有する電磁放射で照射される、請求項７又は８に記載の方法。
【国際調査報告】
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