БОЛОМЕТРИЧЕСКИЙ ПРИЕМНИК ИЗЛУЧЕНИЯ

Предлагаемая полезная модель относится к области фотоэлектрических приборов и предназначена для работы в качестве приемника оптического излучения в широком диапазоне длин волн в устройствах для формирования изображения, определения координат исследуемых объектов, теплопеленгации, автоматического управления, контроля и измерения параметров излучения, экологического мониторинга, медицинской диагностики и неразрушающего контроля.
-8
-7
-1
Известные высокочувствительные микроболометрические приемники (в частности, работающие в системах формирования изображения - тепловизорах) имеют достаточно малые площади чувствительных элементов (до нескольких сотен мкм), низкую теплоемкость чувствительного элемента ~10 Дж/К и высокую степень теплоизоляции -теплопроводность ~10 Вт/К (используются, как правило, конструкции типа «мембрана» либо «мостик» (см., например, М. Clement, Е. Iborra, J. Sangrador, and I. Barberan, "Amorphous GeSi О sputtered thin films for integrated sensor applications", J. Vac. Sci. Technol. B, vol. 19, No. 1, pp. 294-298, 2001). Чувствительный элемент болометрических матриц включает термочувствительную пленку, которая имеет высокую степень зависимости одного или нескольких электрических параметров от температуры и низкие флуктуации этих параметров. Для достижения необходимого уровня чувствительности неохлаждаемых болометрических приемников термочувствительный слой, например, терморезистор должен иметь температурный коэффициент сопротивления (ТКС) не менее 2% К. В качестве термочувствительного слоя используют терморезистивные пленки полупроводниковых материалов, в частности аморфного гидрогенизированного кремния или поликристаллических твердых растворов SiGe. Недостатком этих материалов является их высокое сопротивление и высокое значение шумов 1/f. Высокое электрическое сопротивление пленок этих материалов требует сложных конструктивных решений при создании болометрических элементов (например, использование структур типа «сэндвич», «гребенка»), что приводит к нежелательному повышению теплоемкости чувствительного элемента.
В частных случаях чувствительные элементы могут располагаться над углублениями, выполненными в кремниевой подложке, а подложка может быть выполнена из кремния с кристаллографической ориентацией <100> с углублениями пирамидальной формы. Приемник излучения может быть как одноэлементным, так и многоэлементным.
Новым в предложенной конструкции является то, что термочувствительный слой, содержащий один или несколько р-n-переходов, выполнен из кремния, или германия, или твердых растворов кремний-германий в аморфном или поликристаллическом состоянии. При нанесении аморфных или поликристаллических материалов на поверхность диэлектрика не возникает технологических трудностей, как при выращивании монокристаллического слоя. Кроме того, эти процессы проводят при более низкой температуре, что уменьшает ее влияние на уже сформированную структуру схемы считывания (мультиплексора) в кремниевой подложке и повышает выход годных приборов.
В ряде случаев целесообразно выполнять теплоизоляцию термочувствительных элементов с использованием углублений, расположенных под чувствительными элементами. При этом углубления под чувствительными элементами формируются непосредственно в кремниевой подложке без использования «жертвенного» слоя, что уменьшает количество операций при изготовлении приемника.
Целесообразным является выполнение подложки из кремния с кристаллографической ориентацией <100>. Это позволяет сформировать под чувствительными элементами углубления пирамидальной формы, оптимальные для ограничения передачи тепла в подложку и отражения регистрируемого излучения от граней пирамиды, что улучшает чувствительность и другие технические характеристики приемника в целом.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежом, на котором схематически изображен чувствительный элемент болометрического приемника излучения на подложке.
Болометрический приемник излучения содержит расположенные на кремниевой подложке 1 чувствительные элементы, состоящие из слоев жесткости 2 и 3, отражающего слоя 4, термочувствительного слоя 5, поглощающего 6 и защитного 7 слоев. В качестве термочувствительного слоя 5 использованы аморфные или поликристаллические слои кремния, или германия, или твердых растворов кремний-германий, содержащие один или несколько р-n-переходов. В подложке 1 под чувствительными элементами выполнены углубления 8, причем целесообразно в качестве материала подложки использовать
В частных случаях чувствительные элементы могут располагаться над углублениями, выполненными в кремниевой подложке, а подложка может быть выполнена из кремния с кристаллографической ориентацией <100> с углублениями пирамидальной формы. Приемник излучения может быть как одноэлементным, так и многоэлементным.
Новым в предложенной конструкции является то, что термочувствительный слой, содержащий один или несколько р-n-переходов, выполнен из кремния, или германия, или твердых растворов кремний-германий в аморфном или поликристаллическом состоянии. При нанесении аморфных или поликристаллических материалов на поверхность диэлектрика не возникает технологических трудностей, как при выращивании монокристаллического слоя. Кроме того, эти процессы проводят при более низкой температуре, что уменьшает ее влияние на уже сформированную структуру схемы считывания (мультиплексора) в кремниевой подложке и повышает выход годных приборов.
В ряде случаев целесообразно выполнять теплоизоляцию термочувствительных элементов с использованием углублений, расположенных под чувствительными элементами. При этом углубления под чувствительными элементами формируются непосредственно в кремниевой подложке без использования «жертвенного» слоя, что уменьшает количество операций при изготовлении приемника.
Целесообразным является выполнение подложки из кремния с кристаллографической ориентацией <100>. Это позволяет сформировать под чувствительными элементами углубления пирамидальной формы, оптимальные для ограничения передачи тепла в подложку и отражения регистрируемого излучения от граней пирамиды, что улучшает чувствительность и другие технические характеристики приемника в целом.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежом, на котором схематически изображен чувствительный элемент болометрического приемника излучения на подложке.
Болометрический приемник излучения содержит расположенные на кремниевой подложке 1 чувствительные элементы, состоящие из слоев жесткости 2 и 3, отражающего слоя 4, термочувствительного слоя 5, поглощающего 6 и защитного 7 слоев. В качестве термочувствительного слоя 5 использованы аморфные или поликристаллические слои кремния, или германия, или твердых растворов кремний-германий, содержащие один или несколько р-n-переходов. В подложке 1 под чувствительными элементами выполнены углубления 8, причем целесообразно в качестве материала подложки использовать
кремний с кристаллографической ориентацией <100>, а углубления выполнять пирамидальной формы. Для снятия сигнала и передачи его для обработки и регистрации на сформированную в подложке 1 схему считывания (мультиплексор) чувствительный элемент снабжен токопроводящими дорожками 9.
При попадании на чувствительный элемент оптическое излучение в поглощающем слое 6 преобразуется в тепловую энергию, которая нагревает термочувствительный слой 5. При изменении температуры термочувствительного слоя изменяются вольтамперные характеристики р-n-переходов, расположенных на нем. При подаче напряжения смещения в прямом или обратном направлении возникает зависящий от температуры термочувствительного слоя электрический сигнал, который обрабатывается схемой считывания (мультиплексором). Отражающий слой 4 обеспечивает повторное прохождение излучения через поглощающий слой 6, при этом достигается максимальный разогрев термочувствительного слоя 5. Углубление 8 изолирует подложку от нагрева, причем наилучшая защита осуществляется в углублении пирамидальной формы, так как она в больней степени соответствует конфигурации теплового поля чувствительного элемента.
2
В качестве слоев жесткости 2 и 3, определяющих механическую прочность чувствительного элемента, могут использоваться, например, слои двуокиси кремния и нитрида кремния. Отражающий слой 4 может быть выполнен из алюминия, поглощающий слой 6 - из пленки NiO, защитный 7 - из нитрида кремния, токопроводящие дорожки - из алюминия.
2
3
4
При изготовлении предложенной конструкции на кремниевую подложку с предварительно сформированной схемой считывания (мультиплексором) и слоями жесткости (SiO, SiN) методом магнетронного распыления наносят отражающий слой, например, алюминия (А1)
Термочувствительный слой из материалов:
- поликристаллического кремния,
- поликристаллического германия,
- поликристаллических твердых растворов кремний-германия, -
получают нанесением пленки методом молекуляро-лучевой эпитаксии. Для создания р- и n- областей в термочувствительном слое во время эпитаксии проводят легирование в процессе роста из ячеек Кнудсена. Для создания р- областей применяют кристаллический бор, для создания n- областей применяют кристаллическую сурьму. Термочувствительный слой из материалов:
аморфного кремния,
аморфного германия,
аморфного кремний-германия,-
4
4
4
4
получают методом низкотемпературного химического газофазного осаждения (LCVD) с применением следующих газов: для аморфного кремния - газ моносилан SiH, для аморфного германия- газ герман GеН, для аморфного кремний-германия- смесь газов моносилана SiH и германа GeH. Для создания р- и n- областей в термочувствительном слое во время осаждения аморфного материала проводят легирование в процессе роста соответствующей примесью с использованием следующих газов: для <В> - диборан, для <Р> - фосфин. Аморфные материалы можно получить также методом магнетронного распыления.
2
Поглощающий слой, например, NiO наносят методом магнетронного распыления никеля в атмосфере кислорода.
Защитный слой - нитрид кремния - наносят плазмохимическим разложением силана в атмосфере азота.
Токопроводящие дорожки - термическим осаждением алюминия.
Для образования углублений пирамидальной формы используют селективное травление кремния, например в КОН при температуре 85°С.
Подбор параметров наносимых слоев, толщины отражающего и поглощающего слоев, а также слоев жесткости выбираются для получения максимального поглощения регистрируемого излучения и достижения необходимых теплофизических характеристик болометрического приемника при реализации необходимой прочности фоточувствительного элемента. Оптимальность выбора этих слоев определяется, в частности, по результатам измерений чувствительности, ее частотной зависимости и механических испытаний болометрического приемника. Полученные болометрические приемники излучения обеспечивали надежную работу и необходимый уровень выходных параметров.
Таким образом, при изготовлении предложенной полезной модели используют недорогие материалы, стандартную хорошо отработанную кремниевую технологию, при этом применяются низкотемпературные и хорошо воспроизводимые процессы, а также по сравнению с прототипом уменьшается количество операций, что в целом обеспечивает снижение затрат на производство и повышает выход годных приборов.