Фотодетектор

(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) Фотодетектор, содержащий первую болометрическую пленку, термически связанную с подложкой, вторую болометрическую пленку, расположенную на внутренней стороне диэлектрической пленки, размещенной от подложки на расстоянии, исключающем с ней тепловой контакт, и металлическую пленку, расположенную на внешней стороне диэлектрической пленки, отличающийся тем, что содержит светоотражающую пленку, сформированную на подложке напротив второй болометрической пленки металлическая пленка равна по площади второй болометрической пленке и расположена по диагонали диэлектрической пленки с образованием на последней двух участков треугольной формы, на упомянутых участках сформирована открытая резонансная структура, выполненная в виде двух соответствующих участкам диэлектрической пленки проводящих структур треугольной формы с удаленными из них центральными, самоподобными этим структурам элементами треугольной формы, высоты которых в два раза меньше высот упомянутых проводящих структур, и с удаленными из образованных проводящих участков треугольной формы центральными, самоподобными этим проводящим участкам элементами треугольной формы, высоты которых в два раза меньше высот упомянутых проводящих участков, причем все проводящие треугольные части гальванически связаны между собой и с металлической пленкой. 16608 1 2012.12.30 Предлагаемое изобретение относится к области инфракрасной техники и может быть использовано при разработке многоканальных высокоэффективных и высокоинформативных ИК-датчиков, а также приборов тепловизионной техники. Известно устройство 1, 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 на изолирующем диэлектрическом слое сформирована 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. Описанное устройство имеет низкие разрешение и чувствительность, вызванные недостаточно высоким поглощением входного излучения площадкой термочувствительного слоя и поглощающим диэлектрическим покрытием. Кроме этого, длина каждой спирали устройства должна быть не меньше чем половина длины волны входного излучения, что увеличивает его габариты. Наиболее близким по технической сущности является фотодетектор 2, состоящий из первой и второй болометрических пленок, закрепленных на расстоянии от лицевой стороны подложки, из первой металлической пленки, сформированной на поверхности второй болометрической пленки через диэлектрическую пленку, а также множества металлических столбов, термически соединяющих подложку с первой металлической пленкой. Данное устройство имеет недостаточно высокое разрешение, так как размеры первой и второй болометрических пленок составляют, как минимум, половину длины волны входного излучения для его эффективного поглощения. Техническая задача - повышение пространственного разрешения устройства при одновременном увеличении быстродействия. Поставленная техническая задача решается тем, что фотодетектор, содержащий первую болометрическую пленку, термически связанную с подложкой, вторую болометрическую пленку, расположенную на внутренней стороне диэлектрической пленки, размещенной от подложки на расстоянии, исключающем с ней тепловой контакт, и металлическую пленку, расположенную на внешней стороне диэлектрической пленки, содержит светоотражающую пленку, сформированную на подложке напротив второй болометрической пленки металлическая пленка равна по площади второй болометрической пленке и расположена по диагонали диэлектрической пленки с образованием на последней двух участков треугольной формы, на упомянутых участках сформирована открытая резонансная структура, выполненная в виде двух соответствующих участкам диэлектрической пленки проводящих структур треугольной формы с удаленными из них центральными, самоподобными этим структурам элементами треугольной формы, высоты которых в два раза меньше высот упомянутых проводящих структур, и с удаленными из образованных проводящих участков треугольной формы центральными, самоподобными этим проводящим участкам элементами треугольной формы, высоты которых в два раза меньше высот упомянутых проводящих участков, причем все проводящие треугольные части гальванически связаны между собой и с металлической пленкой. Совокупность указанных признаков позволяет решить техническую задачу за счет увеличения эффективности поглощения ИК-излучения, а также уменьшения размеров как всего устройства, так и обеих болометрических пленок. Сущность изобретения поясняется фиг. 1, где представлен вертикальный разрез устройства, и фиг. 2, на которой приведен вид устройства сверху. 2 16608 1 2012.12.30 В фотодетекторе первая болометрическая пленка 1 термически связана с подложкой 3 и расположена на ней. Вторая болометрическая пленка 2 расположена на внутренней стороне диэлектрической пленки 5, размещенной от подложки 3 на расстоянии, исключающем с ней тепловой контакт. Металлическая пленка 4 расположена на внешней стороне диэлектрической пленки 5. Светоотражающая пленка 6 сформирована на положке 3 напротив второй болометрической пленки 2. Металлическая пленка 4 равна по площади второй болометрической пленке 2 и расположена по диагонали на внешней стороне диэлектрической пленки 5 с образованием двух участков треугольной формы. На этих участках сформирована открытая резонансная структура 7. Открытая резонансная структура 7 представляет собой соответственно две проводящие структуры 8 треугольной формы, из которых вначале удалены первые центральные, самоподобные этим структурам элементы треугольной формы 9 с вдвое меньшей высотой по отношению к ним, а затем уже в оставшихся проводящих сегментах треугольной формы аналогично удалены вторые центральные, самоподобные элементы треугольной формы 10 с вдвое меньшей высотой по отношению к этим оставшимся фрагментам. Все оставшиеся фрагменты проводящих структур 8 гальванически связаны между собой и металлической пленкой 4. В конкретном исполнении первая 1 и вторая 2 болометрические пленки выполнены методами фотолитографии и плазмохимического газофазного осаждения из аморфного гидрированного кремния, как в 3. Подложка 3 - это стандартная пластина высокоомного кремния. Площадь второй болометрической пленки 2 равна площади металлической пленки 4. Металлическая пленка 4 толщиной 0,5 мкм выполнена методами вакуумной технологии из нихрома. Диэлектрическая пленка 5 - это слой окиси кремния толщиной 0,2 мкм, полученный термическим окислением кремния. Светоотражающая пленка 6 толщиной 0,6 мкм выполнена методами вакуумной технологии из алюминия. Открытая резонансная структура 7 - это как минимум две проводящие структуры 8 треугольной формы,выполненные из пленок хрома толщиной 0,5 мкм методами вакуумной технологии с топологией, приведенной на фиг. 2. Первые 9 и вторые 10 центральные самоподобные элементы треугольной формы - это удаленные части из проводящих структур 8. Работает устройство следующим образом. В исходном состоянии все элементы фотодетектора находятся при температуре окружающей среды 0 и поэтому электрические сопротивления первой 1 и второй 2 болометрических пленок будут одинаковыми. Затем входное информационное инфракрасное излучение широкого спектрального диапазона поступает на вход устройства, т.е. на первую 1, вторую 2 болометрические пленки и окружающие их элементы устройства. Так как первая болометрическая пленка 1 расположена на подложке 3 и термически с ней связана, то входное инфракрасное информационное излучение не изменит их температуру ввиду значительной общей массы этих термически связных элементов. Металлическая пленка 4 нагревается поглощенным ею инфракрасным излучением, а часть прошедшего через нее излучения поглощается второй болометрической пленкой 2 и нагревает ее. Геометрические размеры этих элементов определяют длины волн поглощаемого и преобразуемого ими коротковолнового инфракрасного диапазона. Длинноволновая часть входного инфракрасного излучения взаимодействует с открытой резонансной структурой 7, вызывая появление переменных напряжений и тем самым токов соответствующих частот в проводящих структурах 8. Так как металлическая пленка 4 является нагрузкой открытой резонансной структуры 7, то она также еще нагревается и электрическим током. Причем с открытой резонансной структурой 7 эффективно взаимодействует электромагнитное инфракрасное излучение как с длинами волн, кратными геометрическим размерам проводящих структур 8, так и с длинами волн, кратными размерам первых 9 и вторых 10 центральных, самоподобных элементов треугольной формы, а также их общим периметрам. Та же часть входного коротковолнового инфракрасного излучения, которая прошла сквозь металлическую пленку 4 и вторую 16608 1 2012.12.30 болометрическую пленку 2, отражается от светоотражающей пленки 6 и возвращается для повторного поглощения и аналогичного преобразования. Таким образом, болометрическая пленка 2 нагревается как за счет поглощения коротковолновой части входного информационного инфракрасного излучения, так и электрическим током, полученным за счет преобразования длинноволновой части этого излучения. Сравнивая электрические сопротивления первой 1 и второй 2 болометрических пленок получают информацию об интенсивности входного информационного инфракрасного излучение широкого спектрального диапазона. Так как в предлагаемом устройстве размеры всех элементов значительно меньше, чем длины волн преобразуемого инфракрасного электромагнитного излучения, то общий размер фотодетектора уменьшается. Уменьшение габаритов интегрального фотодетектора позволяет при создании на его основе матричного инфракрасного приемника повысить пространственное разрешение при одновременном увеличении быстродействия. Размеры,а следовательно, и теплоемкость металлической пленки 4 и второй болометрической пленки 2 существенно меньше, чем в прототипе, поэтому эти элементы быстрее нагреваются и быстрее остывают при прочих равных условиях. Источники информации 1. Патент РБ 5262, 2008. 2. Европейский патент ЕР 2261617 А 1 (прототип). 3. Маляров В.Г., Хребтов И.А., Куликов Ю.В. и др. Сравнительные исследования болометрических свойств тонкопленочных 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