Приемник терагерцового излучения

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Есман Александр Константинович Кулешов Владимир Константинович Зыков Григорий Люцианович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Приемник терагерцового излучения, содержащий кремниевую подложку с изолирующим диэлектрическим слоем, на котором расположена площадка термочувствительного слоя, контактные дорожки, антенна в виде двухзаходной спирали, каждая спираль которой электрически подключена внутренними концами к противоположным сторонам площадки термочувствительного слоя, а внешними - к контактным дорожкам между витками обеих спиралей в изолирующем диэлектрическом слое выполнены канавки, при этом в кремниевой подложке под канавками сформирована низкоомная область, а под площадкой термочувствительного слоя - термоизолирующая полость, соединенная с канавками,отличающийся тем, что содержит дополнительную подложку, расположенную на выступе, выполненном из прозрачного диэлектрика на подложке подложки выполнены из высокоомного кремния в виде призм с основанием в виде равнобедренной трапеции с углом 15640 1 2012.04.30 при основании 45, указанный изолирующий диэлектрический слой выполнен на боковой грани подложки, проходящей через большее основание трапеции входная боковая грань подложки, оптически связанная с антенной, покрыта равномерно распределенными металлическими полосами, на остальной внешней поверхности призм выполнено металлическое покрытие, образующее со входной боковой гранью подложки резонатор. Изобретение относится к области инфракрасной техники и может быть использовано при разработке многоканальных направленных и высокоинформативных датчиков терагерцового излучения, а также для систем обнаружения и безопасности. Известно устройство 1, которое содержит последовательно размещенные на кремниевой подложке изолирующий диэлектрический слой, площадку термочувствительного слоя с нанесенным на нее поглощающим диэлектрическим покрытием, причем в кремниевой подложке выполнена низкоомная область, расположенная вокруг площадки термочувствительного слоя, а в изолирующем диэлектрическом слое выполнены канавки, при этом к двум противолежащим сторонам площадки термочувствительного слоя присоединены контактные дорожки. Данное устройство имеет низкую эффективность преобразования электромагнитного излучения терагерцового диапазона в изменение температуры и, как следствие, сопротивления термочувствительного слоя, так как вся площадь этого слоя отдает теплоту подложке через изолирующий диэлектрический слой. Также описанное устройство не воспринимает поляризацию и распределение энергии по спектру во входном излучении. Наиболее близким по технической сущности является устройство 2, содержащее последовательно размещенные на кремниевой подложке изолирующий диэлектрический слой, площадку термочувствительного слоя с нанесенным на нее поглощающим диэлектрическим покрытием, контактные дорожки, причем в кремниевой подложке выполнена низкоомная область, расположенная вокруг площадки термочувствительного слоя, а в изолирующем диэлектрическом слое выполнены канавки, причем на изолирующем диэлектрическом слое расположена антенна в виде двухзаходной спирали, каждая спираль которой подключена внутренними концами к двум противолежащим сторонам площадки термочувствительного слоя, а внешними - к контактным дорожкам, при этом канавки выполнены между витками обеих спиралей антенны, а в кремниевой подложке под площадкой термочувствительного слоя со стороны канавок выполнены теплоизолирующие полости. Данное устройство имеет низкую селективность преобразования терагерцового электромагнитного излучения (дальнего инфракрасного диапазона) по спектральному составу,а также по поляризации и направлению электромагнитных волн в пространстве. Техническая задача - повышение пространственной селективности преобразования терагерцового электромагнитного излучения, при одновременном увеличении поляризационной и спектральной чувствительности. Поставленная техническая задача решается тем, что приемник терагерцового излучения, содержащий кремниевую подложку с изолирующим диэлектрическим слоем, на котором расположена площадка термочувствительного слоя, контактные дорожки, антенна в виде двухзаходной спирали, каждая спираль которой электрически подключена внутренними концами к противоположным сторонам площадки термочувствительного слоя, а внешними - к контактным дорожкам между витками обеих спиралей в изолирующем диэлектрическом слое выполнены канавки, при этом в кремниевой подложке под канавками сформирована низкоомная область, а под площадкой чувствительного слоя - термоизолирующая полость, соединенная с канавками, содержит дополнительную подложку, расположенную на выступе, выполненном из прозрачного диэлектрика на подложке подложки выполнены из высокоомного кремния в виде призм, с основанием в виде равнобедренной 2 15640 1 2012.04.30 трапеции с углом при основании 45, указанный изолирующий диэлектрический слой выполнен на боковой грани подложки, проходящей через большее основание трапеции входная боковая грань подложки, оптически связанная с антенной, покрыта равномерно распределенными металлическими полосами, на остальной внешней поверхности призм выполнено металлическое покрытие, образующее с входной боковой гранью подложки резонатор. Совокупность указанных признаков позволяет решить техническую задачу за счет обеспечения эффективного приема только поляризованного входного излучения, попадающего во входную апертуру резонатора и совпадающего с его собственной резонансной частотой. Сущность изобретения поясняется фигурой. Приемник терагерцового излучения состоит из двух оптически связанных подложек 1 и дополнительной 12. На подложке 1 последовательно расположены изолирующий диэлектрический слой 2, площадка термочувствительного слоя 3. Вокруг площадки термочувствительного слоя 3 в кремневой подложке 1 выполнена низкоомная область 4, а на изолирующем диэлектрическом слое 2 сформирована двухзаходная спиральная антенна 7,каждая спираль которой подключена внутренними концами к двум противолежащим сторонам площадки термочувствительного слоя 3, а внешними - к контактным дорожкам 5,между витками обеих спиралей антенны 8 выполнены канавки 7, со стороны которых в кремниевой подложке 1 под площадкой термочувствительного слоя 3 выполнены теплоизолирующие полости 9. Дополнительная подложка 12 расположена на выступе 11 из прозрачного диэлектрика, расположенного на подложке 1. Входная боковая грань подложки 1, оптически связанная с антенной 7, покрыта равномерно распределенными металлическими полосами 10, а остальная внешняя поверхность подложки 1 и внешняя поверхность дополнительной подложки 12 покрыты металлическими покрытиями 13, которые вместе с входной боковой гранью подложки 10 образуют резонатор. В конкретном исполнении подложка 1 и дополнительная 12 подложка, выполнены из высокоомного кремния в виде четырехугольных призм, в основаниях которых лежит равнобедренная трапеция с углом при основании 45. Изолирующий диэлектрический слой 2 выполнен методами фотолитографии из пленки двуокиси кремния. Площадка термочувствительного слоя 3 выполнена методами фотолитографии и плазмохимического газофазного осаждения из аморфного гидрированного кремния, как в 3. Низкоомная область 4 выполнена легированием подложки 1 бором до предельно возможных концентраций для уменьшения влияния как внешних электромагнитных полей, так и фонового терагерцового излучения. Контактные дорожки 5 выполнены методами фотолитографии и вакуумного напыления из хрома. Канавки 6 - это разрывы в изолирующем диэлектрическом слое 2,выполненные методами вакуумной технологии. Двухзаходная спиральная антенна 7 выполнена методами фотолитографии и вакуумного напыления из серебра и имеет длину витка, равную длине волны принимаемого излучения. Теплоизолирующие полости 8 выполнены травлением участков канавок 6, непосредственно прилегающих к площадке термочувствительного слоя 3. Металлические покрытия 13 и металлические полоски 11 выполнены методами фотолитографии и вакуумного напыления из алюминия. Выступ прозрачного диэлектрика 11 выполнен из окиси кремния. Работает устройство следующим образом. В исходном состоянии все элементы приемника терагерцового излучения находятся при температуре окружающей среды 0. Входное терагерцовое излучение широкого спектрального диапазона поступает по направлениям А и Б на поверхность входной боковой грани подложки 9 и та его часть, вектор напряженности электрического поля которой перпендикулярен металлическим полосам 10, поступает внутрь подложки 1. Терагерцовое излучение, падающее на устройство по направлению А, сразу после прохода входной боковой грани подложки 9 попадает на двухзаходную спиральную антенну 7, после взаимодействия с которыми оставшаяся 3 15640 1 2012.04.30 часть этого излучения распространяется внутри подложки 1 и дополнительной 12 подложки, отражаясь от металлических покрытий 13, находящихся на их внешних поверхностях, т.е. вдоль резонатора по часовой стрелке. Это излучение преобразуется в двухзаходной спиральной антенне 7 в соответствующий высокочастотный электрический ток, протекание которого через площадку термочувствительного слоя 3 нагревает его. Входное терагерцовое излучение, падающее на устройство по направлению Б, распространяется вдоль металлического покрытия 13, расположенного на подложке 1, отражается от него и через выступ прозрачного диэлектрика 11 поступает внутрь дополнительной подложки 12. Затем после отражения от металлического покрытия 13, находящегося на внешней поверхности дополнительной подложки 12, попадает на двухзаходную спиральную антенну 8. Одновременно оставшаяся часть этого излучения распространяется вдоль резонатора, только уже против часовой стрелки. Излучение, поляризация которого изменена за счет отражений от металлических покрытий 13 и взаимодействия с двухзаходной спиральной антенной 7, поступает на внутреннюю поверхность входной боковой грани подложки 9, отражается от нее и затем после отражения от металлических покрытий 13 распространяется в резонаторе аналогично вышеописанному до установившегося значения интенсивности. Такое многократное распространение излучения по резонатору приводит к сужению спектра распространяющихся по нему частот и тем самым к увеличению спектральной чувствительности устройства. Таким образом, изменение сопротивления площадки термочувствительного слоя 3 определяется как поляризацией, так и спектром входного излучения, проникающего в резонатор по направлениям А и Б. Регистрация поляризации и выбор направления распространения регистрируемого входного терагерцового излучения может производиться вращением приемника терагерцового излучения вокруг его осей. Предлагаемое изобретение позволяет осуществлять селекцию входного терагерцового излучения по поляризации, спектру и направлению распространения в пространстве. Источники информации 1. Патент России на полезную модель 63523, 2007. 2. Патент РБ на полезную модель 5262, 2009 (прототип). 3. Маляров В.Г., Хребтов И.А., Куликов Ю В. и др. Сравнительные исследования болометрических свойств токопленочных структур на основе диоксида ванадия и аморфного гидрированого кремния // Прикладная физика. - 1999. -2. - С. 86-96. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4