Болометрический приемник

(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) 1. Болометрический приемник, содержащий последовательно расположенные на кремниевой подложке изолирующий диэлектрический слой и площадку термочувствительного слоя, антенну 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, а в кремниевой подложке сформированы под канавками низкоомные области, а под площадкой термочувствительного слоя - термоизолирующая полость, соединенная с канавками, отличающийся тем, что в площадке термочувствительного слоя выполнены, как минимум, одно отверстие и(или), как минимум,один паз, в которых размещены проводящие наноструктуры с отрицательным коэффициентом преломления, причем двухзаходные спирали и контактные дорожки выполнены из термочувствительного проводящего материала. 2. Болометрический приемник по п. 1, отличающийся тем, что проводящие наноструктуры содержат, как минимум, по четыре разомкнутых резонансных элемента, внешние размеры которых меньше или равны 0,1, где- длина волны входного излучения. 74332011.08.30 3. Болометрический приемник по п. 1, отличающийся тем, что толщина кремниевой подложки вместе с изолирующим диэлектрическим слоем выбрана равной 1/4 .(56) 1. Патент России на полезную модель 63523, опубл. 2007. 2. Патент 5262. Болометр, МПК 01 5/02, 2009 (прототип). 3. Маляров В.Г., Хребтов И.А., Куликов Ю.В. и др. Сравнительные исследования болоретрических свойств тонкопленочных структур на основе диоксида ванадия и аморфного гидрированого кремния // Прикладная физика. - 1999. -2. - С. 86-96. Полезная модель относится к области инфракрасной техники и может быть использована при разработке многоканальных высокоэффективных и высокоинформативных ИКдатчиков, а также приборов тепловизионной техники. Известен болометр 1, который 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 ИК-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 болометр 2, содержащий последовательно размещенные на кремниевой подложке изолирующий диэлектрический слой и 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, также 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. Устройство имеет низкую эффективность преобразования электромагнитного излучения ИК-диапазона, так как термочувствительный слой имеет большую теплоемкость, а также значительная часть входного ИК-излучения поглощается контактными дорожками и металлическими частями антенны. Техническая задача - повышение эффективности преобразования электромагнитного излучения ИК спектрального диапазона при одновременном увеличении быстродействия. Поставленная техническая задача решается тем, что в болометрическом приемнике,содержащем последовательно расположенные на кремниевой подложке изолирующий диэлектрический слой и площадку термочувствительного слоя, антенну 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, а в кремниевой подложке сформированы под канавками низкоомные 2 74332011.08.30 области, а под площадкой термочувствительного слоя - термоизолирующая полость, соединенная с канавками, в площадке термочувствительного слоя выполнены, как минимум,одно отверстие и (или), как минимум, один паз, в которых размещены проводящие наноструктуры с отрицательным коэффициентом преломления, причем двухзаходные спирали и контактные дорожки выполнены из термочувствительного проводящего материала. Для эффективного решения поставленной технической задачи проводящие наноструктуры содержат, как минимум, по четыре разомкнутых резонансных элемента, внешние размеры которых меньше или равны 0,1, где- длина волны входного излучения. Для эффективного решения поставленной технической задачи толщина кремниевой подложки вместе с изолирующим диэлектрическим слоем выбрана равной 1/4 . Совокупность указанных признаков позволяет решить техническую задачу за счет уменьшения теплоемкости термочувствительного слоя, повышения поглощения входного излучения, а также изменения сопротивления всех нагревающихся проводящих элементов, с которых снимается выходной электрический сигнал. Сущность изобретения поясняется фиг. 1, где приведена функциональная схема устройства, и фиг. 2, на которой представлен его разрез, где 1 - кремниевая подложка,2 - изолирующий диэлектрический слой,3 - площадка термочувствительного слоя,4 - низкоомная область,5 - контактные дорожки,6 - канавки,7 - антенна в виде двухзаходной спирали,8 - термоизолирующая полость,9 - паз,10 - отверстие,11 - наноструктуры. В болометрическом приемнике на кремниевой подложке 1 последовательно расположены изолирующий диэлектрический слой 2 и площадка термочувствительного слоя 3, в которой выполнены, как минимум, одно отверстие 10 и (или), как минимум, один паз 9, в которых размещены наноструктуры 11. На изолирующем диэлектрическом слое 2 сформирована антенна 7 в виде двухзоходной спирали, каждая спираль которой электрически подключена внутренними концами к противоположным сторонам площадки термочувствительного слоя 3, а внешними - к контактным дорожкам 5. Между витками антенны 7 выполнены канавки 6, под которыми сформирована низкоомная область 4, а под площадкой термочувствительного слоя 3 со стороны канавок 6, непосредственно прилегающих к площадке термочувствительного слоя 3, выполнена теплоизолирующая полость 8, соединенная с ними. В конкретном исполнении кремниевая подложка 1 - это стандартная подложка высокоомного кремния, вытравленная в месте расположения устройства до толщины 2,5 мкм,для того чтобы ее толщина вместе с изолирующим диэлектрическим слоем 2 была равной 1/4 рабочей длины волны входного излучения. Изолирующий диэлектрический слой 2 выполнен методами фотолитографии из двуокиси кремния. Площадка термочувствительного слоя 3 выполнена методами фотолитографии и плазмохимического газофазного осаждения из аморфного гидрированного кремния, как в 3, и имеет площадь 25 мкм 2. Низкоомная область 4 выполнена легированием кремниевой подложки 1 бором с концентрацией 10181019 см-3. Контактные дорожки 6, двухзаходная спиральная антенна 8 выполнены,как и площадка термочувствительного слоя 3, из аморфного гидрированного кремния. Канавки 6 - это разрывы в изолирующем диэлектрическом слое 2, выполненные методами вакуумной технологии для исключения боковых засветок излучением, рассеянным соседними болометрическими пикселями. Теплоизолирующая полость 8 выполнена растравли 3 74332011.08.30 ванием участков канавок 6, непосредственно прилегающих к площадке термочувствительного слоя 3. В площадке термочувствительного слоя 3 методами фотолитографии выполнены, как минимум, одно отверстие 10 и (или), как минимум, один паз 9, в которых размещены наноструктуры 11, выполненные в виде резонансных разомкнутых квадратов из пленки меди толщиной 200 нм. Работает устройство следующим образом. В исходном состоянии все элементы болометрического приемника находятся при температуре окружающей среды 0. Входное ИКизлучение широкого спектрального диапазона поступает на подложку 1, изолирующий диэлектрический слой 2, площадку термочувствительного слоя 3, контактные дорожки 5 и двухзаходную спиральную антенну 7. Коротковолновая часть этого излучения поглощается всеми перечисленными компонентами болометрического приемника, в результате чего они нагреваются. Одновременно длинноволновая часть входного ИК-излучения преобразуется с помощью двухзаходной спиральной антенны 7 в ток соответствующей частоты,протекающий через площадку термочувствительного слоя 3, и тем самым дополнительно ее нагревает. Так как в кремниевой подложке 1 под площадкой термочувствительного слоя 3 со стороны канавок 6 выполнена теплоизолирующая полость 8, а изолирующий диэлектрический слой 2 имеет низкую теплопроводность, то теплопередача от указанного слоя незначительна. После установления термодинамического равновесия в болометрическом приемнике площадка термочувствительного слоя 3 нагревается до максимальной температуры, и тем самым изменяется сопротивление площадки термочувствительного слоя 3 на максимальную величину. Так как контактные дорожки 5 и двухзаходная спиральная антенна 7 выполнены из термочувствительного проводящего материала, то их сопротивление также изменяется при поглощении входного ИК-излучения. Таким образом, под действием входного ИК-излучения происходит изменение сопротивления болометрического пикселя пропорционально падающему потоку электромагнитных волн. Регистрация величины его изменения осуществляется известными методами, как в обычных болометрах. В заявляемой полезной модели для рабочей области спектра ИК-излучения наноструктуры 11 имеют отрицательный коэффициент преломления за счет выбора их геометрических размеров. Поэтому на границе окружающая среда - болометрический пиксель скачок диэлектрической проницаемости уменьшается, а поглощение входного ИКизлучения соответственно повышается. Более того, выполнение в площадке термочувствительного слоя 3, как минимум, одного отверстия 10 и (или), как минимум, одного паза 9, а также исключение из устройства поглощающего диэлектрического покрытия значительно уменьшает теплоемкость площадки термочувствительного слоя 3 и тем самым позволяет увеличить быстродействие болометрического приемника. Интегральное выполнение заявляемого приемника в случае необходимости позволяет построение на его основе тепловизионной матрицы. Фиг. 2 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4