НАНОСТРУКТУРНЫЙ ИК-ПРИЕМНИК (БОЛОМЕТР) С БОЛЬШОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ ПОГЛОЩЕНИЯ
NANOSTRUCTURAL IR-RECEIVER (BOLOMETER) WITH BIG ABSORPTION SURFACE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к болометрическому детектору и устройству для детектирования инфракрасного излучения, использующему такой детектор. Изобретение может применяться, в частности, в тепловизионной технике, и может быть использовано в тепловизорах смотрящего типа в качестве чувствительного элемента матричных приемников, и предназначено для работы во всем ИК-диапазоне длин волн М для создания тепловых изображений предметов в ночное время суток.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В области техники, относящейся к инфракрасным детекторам, известны болометрические приемники, которые, как правило, включают в себя: средство поглощения инфракрасного излучения и преобразования его в тепло (поглотитель); средство термоизоляции детектора, обеспечивающее возможность максимального возрастания его температуры в результате воздействия инфракрасного излучения; термометрическое средство, в котором в случае болометрического детектора используют резистивный элемент.
x
-8
Обычно болометр состоит из мембраны, на которой расположен термочувствительный элемент (ТЧЭ) и поглотитель электромагнитной энергии (ПЭЭ). Часто функции ТЧЭ и ПЭЭ совмещаются в одном элементе, например, в случае болометров, изготовленных на основе VO. Если в качестве (ТЧЭ) применяется полупроводник типа аморфного кремния, то ПЭЭ изготавливают обычно нанесением пленки металла, которая имеет небольшой коэффициент поглощения: обычно всего несколько процентов. Иногда ограничиваются тем, что роль ПЭЭ выполняет мембрана, изготовленная из окиси кремния и нитрида кремния. Чтобы получить низкую теплопроводность между болометром и его окружением, болометр помещается на длинных шинках с небольшой площадью поперечного сечения, состоящих из материалов с низкой теплопроводностью, как правило, покрытых тонким слоем металла, который обеспечивает электрический контакт между болометром и электронной схемой считывания сигнала. Тепловая проводимость между чувствительным элементом (ЧЭ) болометра и его контактной областью может быть на уровне 3,5 10 Вт/K.
Фактор заполнения пикселя определяет долю занимаемой болометрами площади пикселя, которая используется для поглощения падающего инфракрасного излучения. Остальные области пикселей занимают контактные области болометра, интервалы между болометрами, и соседними мембранами болометров, и переходными окнами, которые соединяют болометр и пластину с интегральной схемой считывания. Обычные одноуровневые инфракрасные матричные болометры, как правило, имеют коэффициент заполнения от 60% до 70%.
Аналоги предлагаемого изобретения описаны в литературе, см., например, патент РФ на изобретение №2356017 от 20.05.2009; патент РФ на изобретение №2383875 от 15.03.2006; Филачев A.M., Андрюшин С.Я. Состояние разработок микроболометрических матриц в Государственном научном центре «НПО Орион». Прикладная физика, №5, 2000, с.5-17.
В предшествующем уровне техники описан ряд различных вариантов компоновки разнообразных составляющих элементов детекторов с целью максимизации полезной площади болометра, которые значительно усложняют конструкцию болометров. Максимизация достигается за счет более рационального использования площади проводящих шинок, соединяющих болометр со схемой считывания. Однако это не приводит к увеличению основного параметра - удельной обнаружительной способности D*, потому что авторы не учитывают влияния на характеристики детектора избыточного шума, связанного, в частности, с эффектами истечения заряда с межкристаллитных острий в поликристаллических пленках.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1-x
x
а
а
В заявленном ИК-приемнике (болометре) предлагается упростить его конструкцию, заменив три элемента: термочувствительный элемент (ТЧЭ), поглотитель электромагнитной энергии (ПЭЭ) и контакты на мембране, одним элементом, выполненным на мембране, который выполнен в виде покрытия из тонкопленочного монокристального материала BiSb (0<x<12), максимально покрывающего поверхность мембраны. Этот элемент включает полоску шириной  и длиной b, отделенную узким зазором шириной l от остальной части покрытия, кроме концов полоски ширины , соединенных с остальной частью покрытия, которая разделена зазором m на две части, каждая из которых соединена со своей токопроводящей шинкой, а обе эти части электрически соединены указанной полоской.
1-x
x
Поглощение энергии излучения происходит на всей площади элемента, максимально покрывающего поверхность мембраны, причем тонкопленочный монокристальный материал BiSb (0<х<12) выполняет как функции поглотителя ИК-излучения, так и термочувствительного элемента (ТЧЭ), при этом величина шума за счет применения в качестве ТЧЭ монокристальных пленок, в которых отсутствуют межострийные шумы, характерные для поликристаллических материалов, снижена до предельного уровня шумов Найквиста-Джонсона.
Зазор, отделяющий полоску от остальной части элемента, не влияет существенно на величину средней температуры мембраны в силу малости зазора. В самом деле, постоянная времени выхода температуры (τ) на стационарное состояние при воздействии прямоугольным импульсом излучения составляет:
1
τ=S/χ,
1
где S - площадь мембраны, χ - температуропроводность среды, непосредственно контактирующей с мембраной (в данном случае воздух).
С другой стороны, оценка характерного времени (t) «выравнивания» температур указанной полоски остальной части элемента и мембраны дает:
2
2
t=l/χ,
2
где l - ширина зазора, χ - температуропроводность материала мембраны.
Когда выполняется соотношение: τ>t, т.е.
1
2
2
S/χ>l/χ,
можно считать, что средние температуры полоски и мембраны одинаковы.
При выполнении условий: R/2Z<1, где R - удельное поверхностное сопротивление пленки, Z=120π Ом - импеданс свободного пространства, и величине зазора между мембраной и подложкой, равного λ/4, коэффициент поглощения ИК-приемника может составить величину 70%-80% в широком диапазоне длин волн Δλ.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖА
1-x
x
а
Изобретение поясняется чертежом, на котором представлен схематичный план вида ИК-приемника (болометра) в аксонометрической проекции: к подложке 1 (обычно кремний) прикреплена диэлектрическая мембрана 2, на которую нанесено покрытие 3 из тонкопленочного монокристального материала BiSb (0<х<12), мембрана 2 крепится к подложке шинками 4, на которой расположены токопроводящие шинки 5, соединяющие ИК-приемник с контактами 6, необходимыми для подключения болометра в измерительную схему, в покрытии 3 выполнена полоска 7, которая отделена зазорами шириной l от остальной части покрытия, кроме концов полоски шириной , соединенных с остальной частью покрытия, разделенного щелью 8 на две части, каждая из которых соединена со своей токопроводящей шинкой, а обе эти части электрически соединены указанной полоской 7, которая является термочувствительным элементом, а 3 является основным поглотителем электромагнитной энергии и одновременно выполняет роль контактов к полоске 7.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
2
3
4
2
3
4
1-x
x
0
0
ш
ш
2
-5
2
<mrow><msubsup><mi>U</mi><mi>ш</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>~</mo><mn>4</mn><mi>k</mi><mi>T</mi><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub><mi>Δ</mi><mi>f</mi></mrow>
Для практического осуществления предложенного изобретения болометрический детектор был изготовлен на пластине из кремния, на который было нанесено четырехслойное тонкопленочное покрытие, имеющее такой же коэффициент линейного расширения, как и у кремния (SiO+SiN+SiO+SiN), под которым была вытравлена полость глубиной 2,5 мкм (основная поверочная длина волны λ=10 мкм) и площадью 70×70 мкм. Таким образом с помощью фотолитографии была изготовлена теплоизолированная от подложки из кремния мембрана 2, на которую наносили покрытие 3 из тонкопленочного монокристального материала BiSb, где x=8%. Этот материал относится к классу полуметаллов с концентрацией свободных электронов 10 на атом. Температурный коэффициент сопротивления ТЧЭ равен 0,7%/K, а монокристальное исполнение пленок обеспечивает предельно низкий уровень шумов
, где k = постоянная Больцмана, R - полное сопротивление ТЧЭ. В покрытии была выполнена полоска 7 шириной 0,1 мкм. Полоска имеет следующие геометрические параметры: длина 50 мкм, толщина пленки ~80 нм, полная приемная площадь ~60×60 мкм. R~130 кОм. Измерения уровня шума и вольт/ваттной чувствительности проводилось при напряжении смещения U на ТЧЭ~11 В. Не обнаружено зависимости напряжения шумов U от величины приложенного напряжения смещения, и в полосе 1 Гц U оказалось равным 47 нВ.
0
Устройство работает следующим образом. При воздействии на болометрический приемник импульсом прямоугольной формы электромагнитной волны происходит интенсивное поглощение энергии всем покрытием, что приводит к нагреву полоски 7 и остальной части покрытия и изменению его эффективного сопротивления на величину ΔR=RαΔT, где ΔT - изменение температуры, а α - эффективный температурный коэффициент сопротивления.
9
-1
-2
Измерения вольт/ваттной чувствительности W проводились с использованием излучающего черного тела при температуре 500 K, светофильтра из InSb и механического модулятора. Получены оценочные значения W~4500 В/Вт и D*~2,6*10 Вт смГц, τ~10 с.