БОЛОМЕТРИЧЕСКИЙ ПРИЕМНИК ИЗЛУЧЕНИЯ

Заявляемая 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
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 W/K (используются, как правило, конструкции типа «мембрана» либо «мостик»). Чувствительный элемент болометрических матриц включает термочувствительную пленку, которая должна иметь высокую степень зависимости одного или нескольких
-1
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 [см., например, М. Clement, E. Iborra, J. Sangrador, and I. Barberan, "Amorphous GeSi O sputtered thin films for integrated sensor applications," J. Vac. Sci. Technol. B, vol. 19, no. 1, pp.294-298, 2001].
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.
x
x
-1
Наиболее часто при создании болометрических матриц используется чувствительный элемент на основе пленок VO, которые имеют высокий ТКС (до 3% К) и приемлемое удельное сопротивление. Однако, такие микроболометрические матрицы имеют ряд недостатков вследствие переменной валентности ванадия, так что пленки VO имеют многофазную структуру. Это приводит к неоднородности болометричеких элементов, вызывает дополнительный шум типа 1/f и может привести к значительным изменениям электрического сопротивления пленки (патент США №5450053, 6 МПК Н 01 131/08; Н01с 7/00; G02b 26/10, 1995 г.). Эти факторы могут ограничить чувствительность, динамический диапазон и выбор рабочей температуры прибора.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является микроболометрический приемник излучения, в качестве термочувствительного элемента которого использован кремниевый р-n переход. При этом для создания диодов использованы монокристаллические кремниевые пленки на изоляторе (SOI). Температурная чувствительность таких диодов достигает 2,6 мВ/К (Pavel
Neuzil, Yong Liu, Han-Hua Feng, and Wenjiang Zeng. Micromachined Bolometer With Single-Crystal Silicon Diode as Temperature Sensor. IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, VOL. 26, NO. 5, MAY 2005).
К недостаткам этого приемника излучения следует отнести его низкую чувствительность.
Целью заявляемой полезной модели является повышение технических и эксплуатационных характеристик болометрического приемника, а именно, повышение его чувствительности, снижение уровня шумов приемника, расширение динамического диапазона, повышение однородности и стабильности, существенное уменьшение энергопотребления, значительное уменьшение собственного тепловыделения термочувствительного элемента, гибкость при выборе режимов работы болометрического приемника (постоянный ток или напряжение, прямое или обратное включение), а также упрощение технологии изготовления болометрических матриц и приемников, в том числе неохлаждаемых.
Поставленная цель достигается тем, что в известном болометрическом приемнике излучения, содержащем многослойную чувствительную структуру, включающую слои жесткости, поглощающий, отражающий, защитный и термочувствительный слой, который выполнен в виде совокупности диодов Шоттки, сформированных на основе аморфного, поликристаллического, монокристаллического кремния или германия, или твердых растворов кремний- германий.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где:
на фиг.1 схематически изображена ячейка болометрического приемника излучения;
на фиг.2 - разрез А - А фиг.1.
Болометрический приемник излучения, представленный ячейкой, содержит следующие слои. Зеркальный (отражающий) слой 1 (фиг.2), например, алюминия, который отражает падающее излучение, прошедшее через все слои. Опорные слои 2 и 3, например, двуокиси кремния и нитрида кремния, выполняют функции основания для последующих слоев и определяют механическую прочность болометрической ячейки. При этом отраженное излучение повторно
проходит через поглощающий слой 4 (фиг.1 и 2), преобразующий падающее оптическое излучение в тепловую энергию. Термочувствительный слой 5 представляет собой совокупность диодов Шоттки, например, структуры на основе силицид никеля - кремний, которые при нагреве изменяют свои вольтамперные характеристики. Термочувствительный слой может быть также выполнен в виде совокупности диодов Шоттки, сформированных на основе аморфного, поликристаллического, монокристаллического кремния или германия, или твердых растворов кремний-германий. Термочувствительный слой 5 сформирован на опорном слое 3 (фиг.2) и закрыт сверху защитным слоем 6, например, из нитрида кремния. Токопроводящий слой 7, например, алюминий служит для соединения болометрической ячейки со средствами обработки сигналов приемника либо со схемой считывания сигнала микроболометрической матрицы.
Количественно работа термодиода Шоттки при обратном напряжении описывается следующими выражениями. Плотность тока, протекающего через диод Шоттки, равна
S
I - плотность тока насыщения,
Т - температура,
V - обратное напряжение,
k - константа Больцмана,
q - заряд электрона.
При работе диода Шоттки при обратном напряжении  плотность тока определяется соотношением Ричардсона
*
А - модифицированная константа Ричардсона,
шV
qФ - потенциал диода Шоттки при обратном напряжении V.
При этом
ш0
Ф - барьер Шоттки при нулевом напряжении,
Е - электрическое поле в кремнии,
si
- диэлектрическая проницаемость кремния.
Относительный температурный коэффициент тока диода Шоттки при большом обратном напряжении выражается формулой:
При температуре 300 К и высоте барьера 0,4 эВ величина температурного коэффициента обратного тока составляет ~ 6%/К.
Электрический сигнал микроболометра возникает при поданном напряжении смещения вследствие изменения сопротивления термоэлементов при их нагреве регистрируемым оптическим излучением в широком диапазоне длин волн.
В предлагаемом болометрическом (в том числе неохлаждаемом, многоэлементном) приемнике в качестве термочувствительных элементов используется совокупность диодов Шоттки, например, на основе структур силицид металла - кремний или силицид металла - германий, или силицид металла - твердые растворы кремний-германий. Пленка кремния, или германия, или твердых растворов кремний-германий может быть аморфной, поликристаллической, монокристаллической. Наиболее простым и технологически целесообразным является создание термодиодов на основе силицидов металлов с применением аморфных либо поликристаллических пленок. В этих случаях при создании термодиодов Шоттки путем нанесения металла, например, никеля, на аморфную пленку, например, кремния, формирование силицида металла, например, силицида никеля, происходит путем низкотемпературной термообработки. При этом происходит кристаллизация аморфной кремниевой пленки.
Таким образом повышается воспроизводимость параметров термодиодов Шоттки, улучшается надежность их работы и однородность ячеек
болометрической матрицы, в широком диапазоне можно менять чувствительность и обнаружительную способность болометрического приемника или пороговую облученность болометрической матрицы.
Кроме того, упрощается технология изготовления болометрического приемника, поскольку формирование его термочувствительных элементов сводится к нанесению слоя кремния, например, аморфного кремния, напылению металла, например, никеля, и кратковременной низкотемпературной термообработке. Такой подход особенно важен при разработке и изготовлении болометрических матриц, поскольку болометрические ячейки матриц изготавливаются на заготовках, на которых сформирована схема считывания и которые нельзя подвергать высокотемпературным воздействиям.
Термочувствительный слой получают, например, нанесением пленки поликристаллического кремния методом молекуляро-лучевой эпитаксии и, например, термическим напылением никеля, с последующей низкотемпературной обработкой. Подбор параметров наносимых слоев поликристаллического кремния и никеля, а также режимов низкотемпературной обработки осуществляется по максимуму температурного коэффициента тока или напряжения термодиодов Шоттки. Толщины зеркального и поглощающего слоев, а также опорных слоев выбираются для получения максимального поглощения регистрируемого излучения и достижения необходимых теплофизических характеристик болометрического приемника при реализации необходимой жесткости болометрической ячейки, формируемой на заключительной стадии изготовления прибора. Оптимальность выбора этих слоев определяется, в частности, по результатам измерений чувствительности, ее частотной зависимости и механических испытаний болометрического приемника.
Реализация заявленного исполнения болометрического приемника излучения позволяет повысить чувствительность, снизить уровень шума приемника, существенно уменьшить энергопотребление, уменьшить собственное тепловыделение термочувствительного элемента, а также упростить технологию изготовления микроболометрических матриц и приемников, что подтверждают проведенные испытания экспериментальных образцов.