Болометрический приемник излучения терагерцового диапазона
BOLOMETRIC RECEIVER OF TERAHERTZ RADIATION

Техническое решение относится к полупроводниковым приборам, в частности, к приборам, детектирующим терагерцовое излучение, и может быть использовано при создании болометрических приемников, чувствительных в терагерцовой (ТГц) области спектра, для различных приложений, включая безопасность, спектроскопию, медицину, коммуникацию и космос.
Известен болометрический приемник терагерцового излучения (патент US 7557349 на изобретение, публикация - 07.07.2009). Указанный приемник содержит: подложку со схемой считывания; матрицу микроболометров, связанную с подложкой, при этом каждый из микроболометров, образуя пиксель, выполнен в составе расположенной напротив указанной подложки термочувствительной мембраны, электрически связанной со схемой считывания; поддерживающей части, установленной на указанной подложке для позиционирования с зазором относительно подложки указанной термочувствительной мембраны, которая сформирована системой слоев, включающей термочувствительный элемент и поглотитель излучения, выполненный с возможностью падения на него регистрируемого излучения; отражатель, выполненный для каждого микроболометра, сформированный в виде слоя на поверхности указанной подложки и расположенный напротив термочувствительной мембраны с возможностью образования оптического резонатора между отражателем и термочувствительной мембраной; электропроводящие шины, соединяющие схему считывания и термочувствительный элемент; диэлектрический элемент в форме сплошной пластины, расположенный относительно матрицы микроболометров с зазором, величина которого кратна половине длины волны детектируемого излучения, с возможностью формирования дополнительного оптического резонатора, между диэлектрическим элементом и термочувствительной мембраной. Диэлектрический элемент, например, может быть выполнен на основе пластины высокоомного оптического кремния, просветленной с внешней стороны - со стороны падения на нее регистрируемого излучения. Слоевое сопротивление поглотителя излучения с целью достижения максимального коэффициента поглощения выбрано с учетом длины волны детектируемого излучения и величины расстояния между отражателем и поглотителем излучения.
Известно, что полное поглощение терагерцового излучения микроболометром в случае отсутствия диэлектрического элемента в форме сплошной пластины, расположенного относительно матрицы микроболометров с зазором, в частности, на длине волны λ=100 мкм, может быть достигнуто при величине зазора между поглотителем излучения и отражателем, равным λ/4=25 мкм, и при величине слоевого сопротивления поглотителя излучения, равной 377 Ом/квадрат. Зазоры в микроболометре величиной 25 мкм на практике трудно реализуемы и требуют дополнительной разработки технологии. Традиционная, хорошо отработанная, технология изготовления микроболометров для инфракрасного диапазона обеспечивает высокий процент выхода годных приемников излучения при величине зазора между поглотителем излучения и отражателем, составляющей от 1,5 до 2,5 мкм. Ориентация на применение традиционной технологии в микроболометрических приемниках ТГц диапазона, с обеспечением в микроболометре величины зазора указанного порядка, гарантирует высокий процент выхода годных изделий и их низкую себестоимость. С другой стороны, как показано в приведенном документе, при величине зазора, равной 2,5 мкм, при отсутствии дополнительного диэлектрического элемента в форме сплошной пластины максимальный коэффициент поглощения в микроболометре на длине волны λ=100 мкм может составлять около 30%, что достигается за счет понижения слоевого сопротивления поглотителя излучения до 50 Ом/квадрат. В целях повышения коэффициента поглощения в конструкцию устройства введен дополнительный конструктивный элемент - диэлектрический элемент в форме сплошной пластины, в результате чего сформирован дополнительный оптический резонатор за счет зазора между диэлектрическим элементом в форме сплошной пластины и термочувствительной мембраной микроболометра. Данная мера, как показано в опубликованной статье (Oda N., Sano M., Sonoda K., Yoneyama H., Kurashina S., Miyoshi M., Sasaki T., Hosako I., Sekine N., Sudou T., Ohkubo S. Development of Terahertz Focal Plane Arrays and Handy Camera // Proc. SPIE. 2011. Vol. 8012. P. 80121B) посредством проведенных расчетов зависимости коэффициента поглощения от расстояния между диэлектрическим элементом в форме сплошной пластины и поглотителем излучения микроболометра, может приводить к увеличению поглощения до 70 % или более, если ширина дополнительного оптического резонатора (величина зазора между диэлектрическим элементом в форме сплошной пластины и термочувствительной мембраной микроболометра) равна половине длины волны регистрируемого излучения.
k
-1
-1
Тем не менее, кардинальным недостатком рассматриваемого аналога является то, что вышеописанный болометрический приемник терагерцового излучения является узкополосным. Как можно показать расчетами спектральных зависимостей коэффициента поглощения (Демьяненко М.А., «Эффективные широкополосные приемники терагерцового излучения на основе болометров с тонким металлическим поглотителем», Журнал технической физики, 2018, том 88, выпуск 1, с.с. 121-126), при величине зазора между диэлектрическим элементом в форме сплошной пластины (который может выполнять функцию входного окна приемника, просветленного с внешней стороны) и поглотителем излучения, равном 50 мкм, наличие дополнительного резонатора приводит к повышению коэффициента поглощения вблизи волновых чисел =1/λ≈100 см (что соответствует длинам волн излучения λ≈100 мкм) до 60-90 %, но при этом поглощение становится селективным (ширина пика поглощения на его полувысоте равна 40 см). Таким образом, для устройства, предназначенного для детектирования широкополосного излучения с достижением нижеуказанного технического результата, конструкция, раскрытая в указанном патентном документе, не применима.
В качестве ближайшего аналога принят болометрический приемник терагерцового излучения (Демьяненко М.А., «Эффективные широкополосные приемники терагерцового излучения на основе болометров с тонким металлическим поглотителем», Журнал технической физики, 2018, том 88, выпуск 1, с.с. 121-126). Указанный приемник содержит подложку со схемой считывания, связанную с подложкой со схемой считывания матрицу установленных с зазором между термочувствительной мембраной и подложкой электрически связанных со схемой считывания микроболометров, образующих пиксели, при этом подложка со схемой считывания выполнена с возможностью реализации функции входного окна, с подачей излучения через окно и зазор на микроболометры для регистрации. Также приемник содержит выходное окно, при этом матрица микроболометров расположена между входным и выходным окнами. Выходное окно выполнено с зазором относительно матрицы микроболометров с возможностью образования дополнительного резонатора, функционирующего вследствие отражения излучения от выходного окна и от матрицы микроболометров, связанных с подложкой со схемой считывания. На поверхности выходного окна, обращенной к матрице микроболометров, может быть выполнен отражатель, повышающий эффективность дополнительного резонатора. На внешней поверхности входного окна может быть сформировано однослойное или многослойное просветляющее покрытие.
Ближайшим аналогом не решается техническая проблема улучшения рабочих характеристик болометрического приемника, в частности, получения широкополосного болометрического приемника, характеризующегося диапазоном регистрируемых длин волн от 30 мкм до 1 мм, коэффициентом поглощения терагерцового излучения близким к максимально возможному, с матрицей микроболометров, выполняемой по традиционной технологии, с ограниченной (не превышающей 1,5-2,5 мкм) величиной зазора между термочувствительной мембраной микроболометра и подложкой со схемой считывания, c которой связана термочувствительная мембрана.
Конструкция приемника не обеспечивает гарантированного отсутствия областей малой, близкой к нулю, чувствительности болометрического приемника в диапазоне длин волн от 30 мкм до 1 мм.
k
k
k
k
k
k
k
k
k
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
Спектральные зависимости коэффициента поглощения от волнового числа  показывают, что при определенных значениях расстояния между микроболометрами и отражателем, расположенным на поверхности выходного окна напротив матрицы микроболометров, могут быть глубокие минимумы коэффициента поглощения, обусловленные деструктивной интерференцией (снижающей коэффициент поглощения излучения за счет сложения электрических полей в противофазе) падающей и отраженной от отражателя электромагнитных волн. Например, при зазоре между микроболометрами и идеальным отражателем, равным 80 мкм, наблюдаются глубокие минимумы, соответствующие значениям волнового числа : 0 см; 62 см; 125 см; 187 см; 250 см (см. Фиг. 1). Уменьшение зазора между микроболометрами и отражателем до 40 мкм, как видно из сравнения кривой 1 в случае зазора 40 мкм и кривой 2 в случае зазора 80 мкм, представленных на Фиг. 1, приводит к уменьшению количества минимумов (минимумы наблюдаются при , равном: 0 см; 125 см и 250 см), при этом коэффициент поглощения на длинах волн близких к 1000 мкм (значение  близко к 10 см) понижается с 0,6 до 0,4. При дальнейшем уменьшении величины зазора между микроболометрами и отражателем до 25 и 15 мкм, как указано в выше упомянутой статье, минимумы наблюдается при =0 см, =200 см и =0 см,=333 см, соответственно, при этом коэффициент поглощения на длинах волн близких к 1000 мкм (значение  близко к 10 см) понижается до значений близких к 0,25 или менее. Если отражатель на выходном окне не установлен или его функцию выполняет керамическое основание вакуумного корпуса, расположенное напротив входного окна, и соответствующий коэффициент отражения значительно меньше, чем единица, например, равен 0,46, то минимумы коэффициента поглощения на его спектральной зависимости, как продемонстрировано кривой 3 в случае отсутствия просветляющего покрытия на входном окне и кривой 4 в случае наличия просветляющего покрытия (см. Фиг. 2), становятся менее глубокими, чем в случае коэффициента отражения близкого к единице (см. Фиг. 1), однако остаются все-таки достаточно глубокими, не приемлемыми для широкополосного приемника.
Снижение величины поглощения на некоторых частотах, как указано в вышеупомянутой статье, дополнительно обусловлено ухудшением качества просветляющего покрытия на краях полос просветления.
Разработка болометрического приемника излучения терагерцового диапазона направлена на решение технической проблемы улучшения рабочих характеристик болометрического приемника и создания широкополосного болометрического приемника (с диапазоном регистрируемых длин волн от 30 мкм до 1 мм), обладающего коэффициентом поглощения терагерцового излучения близким к максимально возможному при применении традиционной технологии и использовании традиционных материалов для изготовления микроболометров, в частности, ограниченной (не превышающей 2,5 мкм) величине зазора между термочувствительной мембраной микроболометра и подложкой со схемой считывания, с которой связана указанная мембрана, за счет достигаемого технического результата.
Техническим результатом является гарантированное достижение отсутствия областей малой, близкой к нулю, чувствительности болометрического приемника в диапазоне длин волн от 30 мкм до 1 мм.
Технический результат достигается тем, что болометрический приемник излучения терагерцового диапазона содержит корпус, в котором размещена подложка со схемой считывания, соединенная с матрицей микроболометрических приемников, образующих пиксели, выполняющая функцию входного окна, пропускающего регистрируемое излучение на микроболометры, термочувствительные мембраны микроболометрических приемников размещены на расстоянии относительно подложки со схемой считывания более чем в 10 раз меньшем длины волны регистрируемого излучения, и сформированы системой слоев, включающих термочувствительный элемент и поглотитель излучения, напротив матрицы микроболометрических приемников размещен широкополосный поглотитель.
В частном случае выполнения изобретения болометрический широкополосный поглотитель выполнен на внутренней стороне основания корпуса. В частном случае выполнения изобретения болометрический пширокополосный поглотитель расположен с обеспечением теплоизоляции от матрицы микроболометрических приемников. Широкополосный поглотитель может быть выполнен в виде слоя золотой черни или в виде слоя, образованного массивом вертикально ориентированных углеродных нанотрубок толщиной не менее 50 мкм. Если широкополосный поглотитель выполнен в виде сплошного слоя, образованного массивом вертикально ориентированных углеродных трубок, то внешний диаметр нанотрубок от 5 до 13 нм.
В частном случае выполнения изобретения болометрический подложка со схемой считывания выполнена из высокоомного кремния, а схема считывания сконфигурирована с возможностью расположения ее элементов в межпиксельном пространстве матрицы микроболометрических приемников.
Болометрический приемник излучения может быть оснащен дополнительно фокусирующей линзой из высокоомного кремния, соединенной с подложкой со схемой считывания. Подложка со схемой считывания может быть снабжена просветляющим покрытием с внешней стороны.
Болометрический приемник согласно изобретению содержит подложку со схемой считывания, связанную с подложкой со схемой считывания матрицу установленных с зазором между термочувствительной мембраной и подложкой электрически связанных со схемой считывания микроболометров, образующих пиксели, при этом подложка со схемой считывания выполнена с возможностью реализации функции входного окна, с подачей излучения через окно и зазор на микроболометры для регистрации, при этом в приемнике выполнен корпус с указанным входным окном, в корпусе напротив матрицы микроболометров с возможностью теплоизоляции от микроболометров реализован широкополосный поглотитель. В приемнике выполнен корпус с возможностью его герметизации. В приемнике пропускающее регистрируемое излучение входное окно, функция которого реализована подложкой со схемой считывания, с которой связана матрица микроболометров, с возможностью подачи излучения на микроболометры для регистрации, получено тем, что использована подложка из высокоомного кремния, а схема считывания сконфигурирована с возможностью расположения ее элементов в межпиксельном пространстве, обеспечивая беспрепятственный доступ регистрируемого излучения для поглощения микроболометрами.
В приемнике в корпусе напротив матрицы микроболометров с возможностью теплоизоляции от микроболометров реализован широкополосный поглотитель, выполненный в виде слоя золотой черни или в виде слоя, образованного массивом углеродных нанотрубок, расположенного в пространстве между матрицей микроболометров и выполненным напротив входного окна основанием корпуса, с зазором относительно матрицы микроболометров для обеспечения теплоизоляции.
3
В приемнике широкополосный поглотитель в виде слоя, образованного массивом углеродных нанотрубок, реализован массивом углеродных нанотрубок, образующим слой, с пространственной ориентацией нанотрубок, характеризующейся расположением осей цилиндрических нанотрубок перпендикулярно плоскостям, задающим толщину слоя, образуемого массивом углеродных нанотрубок, указанный слой выполнен толщиной 50 мкм или более, внешний диаметр нанотрубок равен от 5 до 13 нм, удельное сопротивление вдоль слоя равно от 0,02 до 4 Ом⋅см, плотность слоя равна от 20 до 30 мг/см, включая значения указанных интервалов, при этом толщина широкополосного поглотителя согласована с условием наличия указанного зазора для обеспечения теплоизоляции.
3
В приемнике широкополосный поглотитель в виде слоя золотой черни, реализован массивом высокопористого материала, образованного случайно организованными наноцепями, состоящими из наночастиц золота разного размера, указанный слой выполнен толщиной 50 мкм или более, удельное сопротивление равно от 0,02 до 4 Ом⋅см, диаметр наночастиц золота равен от 5 до 30 нм, плотность слоя равна от 65 до 200 мг/см, включая значения указанных интервалов, при этом толщина широкополосного поглотителя согласована с условием наличия указанного зазора для обеспечения теплоизоляции.
В приемнике в связанной с подложкой со схемой считывания матрице установленных с зазором относительно подложки электрически связанных со схемой считывания микроболометров каждый из микроболометров выполнен в составе расположенной напротив указанной подложки термочувствительной мембраны, поддерживающей части, установленной на указанной подложке для позиционирования с зазором относительно подложки указанной термочувствительной мембраны, которая сформирована системой слоев, включающей термочувствительный элемент, электрически связанный электропроводящими шинами со схемой считывания, и поглотитель излучения, выполненный с возможностью поглощения регистрируемого излучения после его прохождения последовательно через подложку со схемой считывания, выполняющую функцию входного окна, и зазор.
В приемнике снаружи корпуса с входным окном состыкована фокусирующая линза из высокоомного кремния.
Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами.
n
На Фиг. 1 представлены спектральные зависимости коэффициента поглощения широкополосного болометрического приемника терагерцового излучения, выполненного с использованием совпадающей с ближайшим аналогом конструктивной реализации и содержащего вакуумный корпус, основание которого, расположенное напротив входного окна, изготовлено из металла и его коэффициент отражения близок к единице, а микроболометры реализованы с зазором между термочувствительной мембраной и входным окном - подложкой со схемой считывания, равным 2 мкм, со слоевым сопротивлением слоя поглотителя излучения в термочувствительной мембране, равным 100 Ом/квадрат, с величиной зазора между термочувствительной мембраной каждого из микроболометров и основанием изготовленного из металла вакуумного корпуса, расположенным напротив входного окна, равной 40 мкм или 80 мкм, с подложкой со схемой считывания, выполненной из высокоомного оптического кремния и снабженной трехслойным просветляющим покрытием с ее внешней стороны: показатели преломления n просветляющих слоев равны, соответственно, 2,5; 1,84 и 1,36, уменьшаясь с удалением от подложки, а их толщины заданы соотношением 40/ мкм, где: 1 - кривая в случае зазора 40 мкм; 2 - кривая в случае зазора 80 мкм.
/n
На Фиг. 2 представлены спектральные зависимости коэффициента поглощения широкополосного болометрического приемника терагерцового излучения, выполненного с использованием совпадающей с ближайшим аналогом конструктивной реализации и содержащего вакуумный корпус, основание которого, расположенное напротив входного окна, выполнено из керамики и его коэффициент отражения равен 0,46, а микроболометры реализованы с зазором между термочувствительной мембраной и входным окном - подложкой со схемой считывания, равным 2 мкм, со слоевым сопротивлением слоя поглотителя в термочувствительной мембране, равным 100 Ом/квадрат, с величиной зазора между термочувствительной мембраной каждого из микроболометров и основанием изготовленного из металла вакуумного корпуса, расположенным напротив входного окна, равной 40 мкм, с подложкой со схемой считывания, выполненной из высокоомного оптического кремния без просветляющего с ее внешней стороны покрытия или снабженной трехслойным просветляющим покрытием с ее внешней стороны: показатели преломления n просветляющих слоев равны, соответственно, 2,5; 1,84 и 1,36, уменьшаясь с удалением от подложки, а их толщины заданы соотношением 40 мкм, где: 3 - кривая в случае отсутствия просветляющего покрытия; 4 - кривая в случае наличия просветляющего покрытия.
На Фиг. 3 схематически представлена конструкция предлагаемого болометрического приемника излучения терагерцового диапазона.
а
б
d
a
l
r
w
w
w
g
g
g
На Фиг. 4 схематически показан принцип конструктивного построения болометрического приемника - традиционного типа  и инвертированного типа , где:  - термочувствительный элемент;  - поглотитель излучения;  - поддерживающая часть; - отражатель; 1 - подложка со схемой считывания; 2 - входное окно болометрического приемника традиционного типа;3 - выходное окно болометрического приемника инвертированного типа; AR - антиотражающее покрытие (просветляющее покрытие); 1 - зазор между термочувствительной мембраной и подложкой со схемой считывания; 2 - зазор между микроболометром и входным окном болометрического приемника традиционного типа; 3 - зазор между микроболометром и выходным окном болометрического приемника инвертированного типа.
n
/n
/n
m
m,
n,
/n
/n
m
m,
n;
m
m
На Фиг. 5 представлены спектральные зависимости коэффициента поглощения предлагаемого широкополосного болометрического приемника терагерцового излучения инвертированного типа, в котором основание вакуумируемого и герметизированного корпуса, расположенное напротив входного окна снабжено широкополосным поглотителем в виде слоя золотой черни или в виде слоя, образованного массивом углеродных нанотрубок, обладающим коэффициентом отражения регистрируемого излучения близким к нулю, а микроболометры матрицы реализованы с зазором термочувствительной мембраны относительно входного окна - подложки со схемой считывания, равным 2 мкм, со слоевым сопротивлением слоя поглотителя излучения в термочувствительной мембране 100 Ом/квадрат, с зазором между термочувствительной мембраной и широкополосным поглотителем, выполненным на основании корпуса, расположенном напротив матрицы микроболометров, равным 40 мкм, с подложкой со схемой считывания, выполненной в виде подложки высокоомного оптического кремния без просветляющего покрытия с внешней стороны или с просветляющим покрытием с ее внешней стороны, содержащим три просветляющих слоя, с показателями преломления просветляющих слоев, равными 2,5, 1,84 и 1,36, с уменьшением указанных значений по мере удаления слоя от подложки, с их толщинами, заданными соотношением 40 мкм или соотношением (40)⋅1,25 мкм с =0, 1, 2 с большим значением соответствующим большему значениюгде: 10 - кривая в случае просветляющего покрытия с толщиной слоев, задаваемых соотношением 40 мкм; 11 - кривая в случае просветляющего покрытия с толщиной слоев, задаваемых соотношением (40)⋅1,25 мкм с =0, 1, 2 с большим значением соответствующим большему значению12 - кривая в случае отсутствия просветляющего покрытия.
В предлагаемом болометрическом приемнике излучения терагерцового диапазона, используемом болометрический приемник инвертированного типа (см. Фиг. 3), достижение технического результата и решение технической проблемы обеспечивается следующим образом.
Болометрические структуры инвертированного типа отличаются от традиционных болометрических структур тем, что в первом случае регистрируемое излучение падает на микроболометры через подложку, с которой они связаны, которая выполняет функцию входного окна, а во втором - с обратной стороны - со стороны прилегающего к микроболометрам вакуумного зазора, расположенного между подвешенными над указанной подложкой микроболометрами и установленным на некотором расстоянии от них входным окном (Фиг. 4).
а
d
а
w
g
w
r
а
w
g
а
В случае болометрического приемника традиционного типа (Фиг. 4), выполненного с использованием конструктивной реализации, совпадающей с раскрытой в описании к патенту US 7557349, каждый микроболометр выполнен с термочувствительным элементом  в виде слоя и слоем поглотителя излучения , являющимися слоями термочувствительной мембраны, с расположением термочувствительной мембраны на подложке 1 с зазором между термочувствительной мембраной и подложкой со схемой считывания 1 (высота подвески термочувствительной мембраны относительно подложки со схемой считывания), обычно составляющим от 1,5 до 2,5 мкм. На обращенной к термочувствительной мембране поверхности подложки со схемой считывания 1 выполнен отражатель  (Фиг. 4). В таком болометрическом приемнике регистрируемое излучение подается на микроболометр через входное окно болометрического приемника традиционного типа 2, расположенное на некотором расстоянии от микроболометра (зазор между микроболометром и входным окном болометрического приемника традиционного типа 2), и падает на слой поглотителя излучения .
б
d
а,
w
g
w
r
w
g
d,
а
В случае болометрического приемника инвертированного типа (Фиг. 4), выполненного с использованием совпадающей с ближайшим аналогом конструктивной реализации, также каждый микроболометр выполнен с термочувствительным элементом в виде слоя  и слоем поглотителя излучения  являющимися слоями термочувствительной мембраны. Расположение термочувствительной мембраны в этом случае реализовано на подложке со схемой считывания 1, выполняющей функцию входного окна, с зазором между термочувствительной мембраной и подложкой со схемой считывания 1 (высота подвески термочувствительной мембраны относительно подложки со схемой считывания). На обращенной к термочувствительной мембране поверхности выходного окна болометрического приемника инвертированного типа 3 может быть выполнен отражатель  (Фиг. 4б). В таком болометрическом приемнике регистрируемое излучение подается на микроболометр посредством подложки со схемой считывания 1, выполняющей функцию входного окна, расположенном на расстоянии от микроболометра, равном зазору между термочувствительной мембраной и подложкой со схемой считывания 1, и падает на термочувствительный слой термочувствительной мембраны  поглощаетсяслоем поглотителя излучения . Реализация пропускающего регистрируемое излучение входного окна в виде подложки со схемой считывания, с которой связана матрица микроболометров, с возможностью подачи излучения на микроболометры для регистрации через подложку, характерна для болометрического приемника инвертированного типа (Демьяненко М.А., «Эффективные широкополосные приемники терагерцового излучения на основе болометров с тонким металлическим поглотителем», Журнал технической физики, 2018, том 88, выпуск 1, с.с. 121-126).
w
w
На входном окне болометрического приемника традиционного типа 2 и подложке со схемой считывания 1, являющейся входным окном болометрического приемника инвертированного типа, может быть выполнено антиотражающее (просветляющее) покрытие AR (Фиг. 4) со стороны падения регистрируемого излучения (с внешней стороны).
r
w
w
а
r
w
w
k
w
-1
В случае болометрического приемника инвертированного типа (Фиг. 4б) при отсутствии отражателя  и выходного окна болометрического приемника инвертированного типа 3 при падении излучения со стороны непросветленной подложки со схемой считывания 1 с заметно большей диэлектрической проницаемостью по сравнению с вакуумом (в частности равной 3,4, что соответствует подложке, выполненной из высокоомного кремния) достигается более высокий коэффициент поглощения терагерцового излучения с длинами волн более 40 мкм по сравнению со случаем болометрического приемника традиционного типа (Фиг. 4), у которого отсутствует отражатель  на подложке со схемой считывания 1, изготовленной из высокоомного оптического кремния, а входное окно болометрического приемника традиционного типа 2 идеально просветлено или отсутствует. При этом в болометрах как традиционного типа, так и инвертированного типа, в области низких частот (в диапазоне волнового числа  от 0 до 150 см) реализуется поглощение, слабо зависящее от частоты, при условии, что высота подвески болометров над подложкой со схемой считывания 1 в обоих случаях составляет 2 мкм.
r
g
w
В случае болометрического приемника традиционного типа поглощение нормально падающего излучения с длиной волны λ будет близким к единице при наличии отражателя  и при условии, что величина зазора между термочувствительной мембраной и подложкой со схемой считывания 1 равна λ/4, а слоевое сопротивление поглотителя равно импедансу вакуума (377 Ом/квадрат), что является трудно реализуемым, поскольку используемая, хорошо отработанная, технология обеспечивает высоту подвески термочувствительной мембраны микроболометра над подложкой со схемой считывания 1, с которой он связан, равную 1,5-2,5 мкм.
g
a
r
w
g
w
g
w
r
а
r
k
g
-1
Для болометрического приемника инвертированного типа (Фиг. 4б) с дополнительным резонатором, образованным зазором между микроболометром и выходным окном болометрического приемника инвертированного типа 3, то есть, между слоем поглотителя излучения  и отражателем  на выходном окне болометрического приемника инвертированного типа 3, в вышеуказанной статье показано, что поглощение нормально падающего излучения с длиной волны λ порядка 100 мкм будет близким к единице при условии равенства четверти длины волны λ/4 величине зазора между микроболометром и выходным окном болометрического приемника инвертированного типа 3, а слоевого сопротивления поглотителя излучения - импедансу просветленной подложки со схемой считывания 1. В случае болометрического приемника инвертированного типа указанные величины зазора между микроболометром и выходным окном болометрического приемника инвертированного типа 3, в частности 25 мкм, легко достигаемы путем установки выходного окна болометрического приемника инвертированного типа 3 с отражателем  на требуемом расстоянии от термочувствительной мембраны. Кроме того, если в случае традиционной конструкции (Фиг. 4) независимо от наличия или отсутствия отражателя в определенном диапазоне длин волн, соответствующих, например, диапазону волнового числа  от 0 до 300 см, коэффициент поглощения возрастает с увеличением высоты подвески термочувствительной мембраны над подложкой со схемой считывания, то в случае инвертированной конструкции (Фиг. 4б) коэффициент поглощения возрастает с понижением высоты подвески термочувствительной мембраны над подложкой со схемой считывания. В фокусе обстоятельства, что увеличение высоты подвески микроболометра над подложкой со схемой считывания, с которой он связан, технологически затруднительно, этот факт является существенным аргументом в пользу применения инвертированной конструкции болометра, в которой оптимальная высота подвески термочувствительной мембраны над подложкой со схемой считывания, с которой связан микроболометр (величина 1), такая же, как в хорошо отработанной технологии (1,5-2,5 мкм).
r
а
б
k
r
а
h
r
k
h
k
h
r
а
k,
k
h=m
m
h
h
r
а
При наличии отражателя  как в традиционной (Фиг. 4), так и в инвертированной конструкции (Фиг. 4), коэффициент поглощения по мере понижения волнового числа  (увеличения длины волны λ) стремиться к нулю. Причина этого заключается в том, что на отражателе  происходит образование узла электромагнитной волны, в результате чего, электрическое поле в области слоя поглотителя излучения , который расположен на малом, по сравнению с длиной волны λ, расстоянии  от отражателя , оказывается пропорциональным произведению ⋅. В результате коэффициент поглощения стремится к нулю по мере понижения волнового числа , при этом оставаясь тем больше, чем больше расстояние  от отражателя  до поглотителя излучения  (Фиг. 1). Образование узла электромагнитной волны на поглотителе в результате деструктивной интерференции падающей и отраженной волн происходит также и при больших значениях  удовлетворяющих условию 2⋅, где  - натуральное число, и проявляется в виде периодических минимумов на спектральной зависимости коэффициента поглощения. При этом большему значению  соответствует меньший период минимумов и, следовательно, их большее количество в заданном спектральном диапазоне (Фиг. 1). Это не позволяет путем выбора величины расстояния  от отражателя  до слоя поглотителя излучения  решить, одновременно, проблему повышения коэффициента поглощения на длинах волнах близких к 1000 мкм и устранения глубоких минимумов в спектральной зависимости коэффициента поглощения во всем диапазоне регистрируемых длин волн от 30 мкм до 1 мм.
g
а
g
Известные меры, направленные на достижение высокого коэффициента поглощения, включают следующее. Так, в отношении традиционной конструкции болометрического приемника с дополнительным резонатором, сформированным за счет зазора между микроболометром и входным окном болометрического приемника традиционного типа 2 (Фиг. 4), для обеспечения повышения коэффициента поглощения для требуемой длины волны используют просветление внешней стороны входного окна. При этом зазор между микроболометром и входным окном болометрического приемника традиционного типа 2 должен быть кратен половине этой длины волны. Кроме того, прибегают к повышению зазора между термочувствительной мембраной и подложкой со схемой считывания до 5,7 мкм или более. Указанные меры обеспечивают достижение коэффициента поглощения для требуемой длины волны практически до единицы. Однако при этом поглощение становится селективным с характерными глубокими минимумами на кривой зависимости коэффициента поглощения от волнового числа, достигающими значений, практически близких к нулю, что препятствует детектированию широкополосного излучения.
g
В отношении инвертированной конструкции болометрического приемника те же самые меры - просветление и дополнительный резонатор (сформированный за счет зазора между микроболометром и выходным окном болометрического приемника инвертированного типа 3 (см. Фиг. 4б) - приводят к дополнительному повышению коэффициента поглощения. Возможно также достижение коэффициента поглощения со значением, приближающимся к единице. По сравнению с традиционной конструкцией болометрического приемника для поглощения характерна более широкая полоса. Тем не менее, рассмотренными в указанной выше статье средствами не удается получить поглощения без характерных глубоких минимумов на кривой зависимости значения коэффициента поглощения от волнового числа, и обеспечить требуемую широкополосность болометрического приемника.
r
Применение в предлагаемом техническом решении конструкции болометрического приемника инвертированного типа является первым шагом, который позволяет обеспечить достижение высокого коэффициента поглощения регистрируемого излучения в широкой спектральной области от 30 до 1000 мкм с матрицей микроболометров, выполняемой по традиционной технологии, с обеспечением ограниченной (не превышающей 1,5-2,5 мкм) величиной зазора между термочувствительной мембраной микроболометра и подложкой со схемой считывания, с которой связана термочувствительная мембрана, не привнося дополнительных технологических трудностей и, следовательно, содействуя получению высокого процента выхода годных приемников излучения, что невозможно в случае традиционной конфигурации болометрического приемника. Для достижения отсутствия областей малой, близкой к нулю, чувствительности болометрического приемника в диапазоне длин волн от 30 мкм до 1 мм, то есть устранения в указанном диапазоне характерных глубоких минимумов на кривой зависимости значения коэффициента поглощения от волнового числа, напротив матрицы микроболометров вместо отражателя (см. Фиг. 4б) располагают широкополосный поглотитель (см. Фиг. 3).
В общем, предлагаемый терагерцовый болометрический приемник содержит: подложку со схемой считывания 1, матрицу микроболометров 2, корпус 3, широкополосный поглотитель 4 (см. Фиг. 3).
Широкополосный поглотитель 4 выполняют на основании корпуса, расположенном напротив подложки со схемой считывания 1, выполняющей функцию входного окна, с зазором относительно матрицы микроболометров для обеспечения теплоизоляции, как показано на Фиг. 3.
r
/n
/n
m
m,
n,
m
Выполнение в предлагаемом болометрическом приемнике широкополосного поглотителя 4 на внутренней поверхности основания корпуса 3 напротив матрицы микроболометров 2 приводит к поглощению падающего на него излучения, тем самым устраняется явление деструктивной интерференции и значительное понижение коэффициента поглощения излучения на длинах волн, для которых при отражении излучения от выполненного напротив входного окна отражателя  в болометрическом приемнике терагерцового излучения, соответствующего по конструктивной реализации ближайшему аналогу (см. Фиг. 4б), могло происходить ослабление поглощения в поглотителе излучения термочувствительной мембраны за счет сложения электрических полей в противофазе. Оставшиеся незначительные, относительно мелкие, минимумы на спектральной зависимости коэффициента поглощения - кривая 10 в случае просветляющего покрытия с толщиной слоев, задаваемых соотношением 40 мкм, и кривая 11 в случае просветляющего покрытия с толщиной слоев, задаваемых соотношением (40)⋅1,25 мкм с =0, 1, 2 с большим значением соответствующим большему значениюобусловлены качеством просветляющего покрытия (см. Фиг. 5). В случае отсутствия просветляющего покрытия спектральная зависимость коэффициента поглощения является монотонной - кривая 12 в случае отсутствия просветляющего покрытия (см. Фиг. 5).
r
Из вышеприведенного следует вывод, что использование инвертированной конструкции болометрического приемника и замена отражателя  на широкополосный поглотитель, выполненный на внутренней поверхности основания вакуумного корпуса, гарантированно обеспечивает достижение вышеуказанного технического результата.
Корпус 3 выполнен с пропускающим регистрируемое излучение входным окном, функция которого реализована подложкой со схемой считывания 1. С подложкой со схемой считывания 1 связана матрица микроболометров 2 с возможностью подачи излучения через подложку со схемой считывания 1 на микроболометры для регистрации. Электрически связанные со схемой считывания микроболометры, образующие пиксели, установлены с зазором между термочувствительной мембраной микроболометра и подложкой со схемой считывания 1. Величина зазора составляет, в частности, от 1,5 до 2,5 мкм, но может и отличаться от значений указанного диапазона. На внутренней поверхности основания корпуса 3 напротив матрицы микроболометров 2 выполнен с возможностью теплоизоляции от микроболометров широкополосный поглотитель 4, чем надежно гарантируется достижение условия отсутствия увеличения теплоемкости болометрического приемника и, следовательно, понижения быстродействия болометрического приемника.
Корпус 3 выполнен с возможностью его герметизации. Он может быть вакуумирован или заполнен рабочим газом.
n
n
В частном случае реализации предлагаемый терагерцовый болометрический приемник кроме вышеуказаного содержит дополнительный конструктивный элемент - фокусирующую линзу 5 (см. Фиг. 3). Фокусирующая линза 5 выполнена из высокоомного кремния. Снаружи корпуса 3 фокусирующая линза 5 состыкована с входным окном, функция которого реализована подложкой со схемой считывания 1. Наличие фокусирующей линзы 5 из высокоомного кремния, плотно (без зазора) состыкованной с входным окном, позволяет обеспечить достижение высокого пространственного разрешения при регистрации излучения с длиной волны от 30 мкм до 1 мм, с увеличением разрешения в 3,4 раза, что является дополнительным к указанному техническому результату преимуществом предлагаемого болометрического приемника. Указанное преимущество обеспечивается тем, что длина волны излучения в кремнии понижается в  раз, где  - показатель преломления кремния, равный 3,4, а микроболометры расположены в области ближнего поля от поверхности кремния.
Наличие излучения, отраженного от отражателя или от внутренней поверхности основания корпуса, расположенной напротив входного окна, при построении инфракрасного или терагерцового изображения с помощью линзы или объектива, в ближайшем аналоге приводит к размытию изображения по причине отражения прошедших через какой-либо пиксель наклонных лучей от отражающей поверхности и попадания отраженных лучей на соседние пиксели и, следовательно, к появлению паразитных сигналов на соседних пикселях, что ухудшает пространственное разрешение матричного болометрического приемника.
Отсутствие отраженного излучения от поверхности, расположенной напротив входного окна, в результате применения поглотителя, установленного на внутренней поверхности основания корпуса 3 напротив матрицы микроболометров 2, приводит к отсутствию паразитных сигналов на соседних пикселях и, следовательно, к повышению пространственного разрешения матричного микроболометрического приемника. Таким образом, за счет наличия конструктивных элементов - фокусирующей линзы 5 и поглотителя 4, установленного на внутренней поверхности основания корпуса 3 напротив матрицы микроболометров 2, обеспечивается дополнительное к указанному техническому результату преимущество технического характера предлагаемого болометрического приемника, а именно повышение пространственного разрешения.
Детализируя выполнение предлагаемого болометрического приемника терагерцового диапазона, приведем также следующие его особенности.
Так, пропускающее регистрируемое излучение входное окно, функция которого реализована подложкой со схемой считывания 1, с которой связана матрица микроболометров 2, с возможностью подачи излучения на электрически связанные со схемой считывания микроболометры для регистрации, получено тем, что использована подложка из высокоомного кремния, а схема считывания сконфигурирована с возможностью расположения ее элементов в межпиксельном пространстве, обеспечивая беспрепятственный доступ регистрируемого излучения для поглощения поглотителем излучения термочувствительной мембраны.
.
В корпусе 3 напротив матрицы микроболометров 2 широкополосный поглотитель 4 выполнен в виде слоя золотой черни (C. Proulx, F. Williamson, M. Allard, G. Baldenberger, D. Gay, S. Garcia-Blanco, P. Côté, L. Martin., C. Larouche, S. Ilias, T. Pope, M. Caldwell, K. Ward, J. Delderfield. The EarthCARE broadband radiometer detectors // Proc. SPIE, 2009, Vol. 7453, P. 74530S) или в виде слоя, образованного массивом углеродных нанотрубок (C. S. Yung, N. A. Tomlin, C. Straatsma, J. Rutkowski, E. C. Richard, D. M. Harber, J. H. Lehman, M. S. StephensBABAR: black array of broadband absolute radiometers for far infrared sensing // Proc. SPIE, 2019, Vol. 10980, P. 109800F). Широкополосный поглотитель 4 реализован с возможностью теплоизоляции от микроболометров - без увеличения теплоемкости приемника. Он расположен в пространстве между матрицей микроболометров 2 и выполненным напротив входного окна основанием корпуса 3, с зазором относительно матрицы микроболометров 2. Зазор сформирован для обеспечения теплоизоляции, чем надежно гарантируется достижение условия отсутствия увеличения теплоемкости болометрического приемника и, следовательно, понижения быстродействия болометрического приемника, в результате установки в корпусе 3 широкополосного поглотителя 4. Зазором устраняется возможность возникновения контакта и теплопередачи между микроболометрами и широкополосным поглотителем 4.
Известно, что для поглощения терагерцового излучения используют в качестве поглотителей: антенны, нагруженные на резистивную нагрузку; мета-материалы или частотно-селективные поверхности; тонкие металлические поглотители, характеризующиеся слоевым сопротивлением от 40 до 377 Ом/квадрат в зависимости от расстояния между поглотителем и отражателем; слои золотой черни; поглотители на основе углеродных наноматериалов, в частности, углеродных нанотрубок, в том числе в виде массивов вертикально ориентированных углеродных нанотрубок (ВОУНТ). В отношении всех приведенных здесь вариантов реализации поглотителей на практике показана возможность достижения практически полного поглощения терагерцового излучения. При этом первые три типа поглотителей вследствие влияния интерференции характеризуются в разной степени селективной частотной зависимостью поглощения. Последние два типа поглотителей позволяют получать широкополосные приемники.
3
.
При выполнении широкополосного поглотителя в виде слоя золотой черни, слой реализован массивом высокопористого материала, образованного случайно организованными наноцепями, состоящими из наночастиц золота разного размера. Получение слоя золотой черни в виде массива золотой черни может быть осуществлено на установке термического распыления чистого золота в среде азота при температуре, близкой к комнатной. При этом формируют массив высокопористого материала, образованного случайно организованными наноцепями, состоящими из наночастиц золота разного размера, характеризующийся удельным сопротивлением от 0,02 до 4 Ом⋅см, диаметром наночастиц золота от 5 до 30 нм, плотностью от 65 до 200 мг/см, включая значения указанных интервалов (Panjwani D.RCharacterization of gold black and its application in un-cooled infrared detectors: Ph.D. dissertation. University of Central Florida, 2015. 143 p.). В предлагаемом приемнике указанный слой золотой черни выполнен толщиной 50 мкм или более. При этом толщина широкополосного поглотителя согласована с условием наличия указанного зазора для обеспечения теплоизоляции.Формирование слоя золотой черни может быть выполнено непосредственно на основании корпуса 3, расположенном напротив входного окна, или на другой подложке, например, кремниевой, с последующей ее установкой на основание корпуса 3, расположенное напротив входного окна.
В случае реализации широкополосного поглотителя 4 в виде слоя, образованного массивом углеродных нанотрубок, с пространственной ориентацией нанотрубок, характеризующейся расположением осей цилиндрических нанотрубок перпендикулярно плоскостям, задающими толщину слоя, образуемого массивом углеродных нанотрубок. То есть, массив углеродных нанотрубок, образующий слой, в виде которого выполнен широкополосный поглотитель 4, является массивом выращенных на подложке вертикально ориентированных углеродных нанотрубок (ВОУНТ), сформированных многостенными. Преимущество многостенных ВОУНТ заключается в возможности, благодаря наличию нескольких графеновых слоев, проведения различных химических модификаций и воздействий с сохранением целостности структуры трубок и электропроводности. Для синтеза массива ВОУНТ используют каталитическое химическое осаждение из газовой фазы. Этот метод позволяет гибко управлять протеканием реакции за счет выбора состава и размеров зародышей катализатора, прекурсора углерода, температуры синтеза, скорости потоков реагентов. В предлагаемом приемнике указанный слой выполнен толщиной 50 мкм или более. Диаметр полученных нанотрубок варьируется в диапазоне от 5 до 13 нм. Формирование массива ВОУНТ может быть выполнено непосредственно на основании корпуса 3, расположенном напротив входного окна, или на другой подложке, например кремниевой, с последующей ее установкой на основание корпуса 3, расположенное напротив входного окна, или с переносом массива ВОУНТ на другую подложку или основание корпуса 3, например, посредством адгезионной ленты Revalpha с сохранением его структуры и последующим размещением указанной подложки в корпусе 3 при монтаже болометрического приемника.
При этом толщина широкополосного поглотителя 4 согласована с условием наличия указанного зазора для обеспечения теплоизоляции.
Следует отметить, что применение в приемнике широкополосного поглотителя, установленного на основании корпуса напротив матрицы микроболометров, не привносит дополнительных технологических трудностей при изготовлении микроболометров, поскольку они наносятся на основание корпуса, а не на микроболометр и не требуют разделения на отдельные пиксели.
Далее, относительно матрицы микроболометров 2, связанной с подложкой со схемой считывания 1 (Фиг. 3). Микроболометры своими термочувствительными мембранами установлены с зазором относительно указанной подложки, являющейся входным окном. При этом каждый из электрически связанных со схемой считывания микроболометров выполнен в составе расположенной напротив указанной подложки термочувствительной мембраны и поддерживающей ее части. Поддерживающая часть установлена на указанной подложке с возможностью позиционирования с требуемым зазором относительно подложки термочувствительной мембраны. Термочувствительная мембрана сформирована системой слоев, включающей термочувствительный элемент и поглотитель излучения. Термочувствительный элемент связан электропроводящими шинами, выполненными в составе поддерживающей части, со схемой считывания. Поглотитель излучения выполнен с возможностью поглощения регистрируемого излучения после прохождения его последовательно через подложку со схемой считывания, выполняющую функцию входного окна, и зазор.
Подложка со схемой считывания 1 выполнена из высокоомного кремния и может быть снабжена на внешней ее поверхности (снаружи корпуса 3) однослойным или многослойным просветляющим покрытием.
/n
/n
m
m,
n
m
Предлагаемый болометрический приемник излучения терагерцового диапазона функционирует следующим образом. Терагерцовое излучение, падающее на болометрический приемник (Фиг. 3), проходит через фокусирующую линзу 5, подложку со схемой считывания 1, являющуюся входным окном герметизируемого корпуса 3, и падает на матрицу микроболометров 2, поглощаясь большей частью поглотителем излучения термочувствительной мембраны. Непоглощенная часть излучения, прошедшая поглотитель излучения микроболометра, падает на широкополосный поглотитель 4 и поглощается в нем. Поскольку в герметизируемом корпусе 3 напротив выходного окна отсутствует отражатель, вместо него выполнен широкополосный поглотитель 4, то отражения непоглощенной части излучения, прошедшей через поглотитель излучения микроболометра, и поданной вновь на поглотитель излучения микроболометра для поглощения, не происходит, тем самым устраняется явление деструктивной интерференции и понижения коэффициента поглощения на длинах волн излучения, для которых при их отражении от отражателя могло происходить ослабление поглощения за счет сложения электрических полей в противофазе. Поглощенное излучение поглотителем термочувствительной мембраны нагревает указанный поглотитель излучения, который находясь в тепловом контакте с термочувствительным элементом, в свою очередь нагревает его, что приводит к изменению сопротивления термочувствительного элемента и к появлению измеряемого сигнала, который передается электропроводящим шинам на схему считывания. Матрица микроболометров 2 при поступлении сигналов от каждого из микроболометров, являющихся пикселями, на схему считывания обеспечивает формирование изображения. При работе приемника достигается возможность широкополосной регистрации излучения терагерцового диапазона, что демонстрирует спектральная зависимость коэффициента поглощения, рассчитанная для предлагаемого широкополосного болометрического приемника терагерцового излучения инвертированного типа, в котором герметизируемый корпус снабжен широкополосным поглотителем в виде слоя, образованного массивом, выполненным из золотой черни или углеродных нанотрубок, расположенным на основании корпуса напротив входного окна, а микроболометры матрицы реализованы с зазором термочувствительной мембраны относительно входного окна - подложки со схемой считывания, равным 2 мкм, со слоевым сопротивлением слоя поглотителя излучения термочувствительной мембраны равным 100 Ом/квадрат. Небольшие минимумы в спектральной зависимости коэффициента поглощения (см. Фиг. 5), наблюдаемые для кривой 10 в случае просветляющего покрытия с толщиной слоев, задаваемых соотношением 40 мкм, и кривой 11 в случае просветляющего покрытия с толщиной слоев, задаваемых соотношением (40)⋅1,25 мкм с =0, 1, 2, с большим значением соответствующим большему значению, обусловлены только качеством просветляющего покрытия входного окна или фокусирующей линзы 5. Кроме того, как демонстрирует показанная на Фиг. 5 кривая 12 в случае отсутствия просветляющего покрытия, спектральная зависимость коэффициента поглощения монотонна.