RU2511275C2 - Nanostructural ir-receiver (bolometer) with big absorption surface - Google Patents

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention belongs to area of development of detectors of infra-red radiation and concerns bolometric IR-detector. The detector consists of a membrane with area S with a thermosensitive element (TSE) and an electromagnetic energy absorber (EEA) attached to a substrate by means of current-carrying buses. TSE and EEA are incorporated in one element, which is executed in the form of a cover from a thin-film monocrystal material Bi_1-xSb_x (0<x<12). The cover to the maximum covers a surface of a membrane and includes a strip, which is separated by gaps with I width from other part of the cover, excluding the ends of the strip connected to the other part of the cover. Besides, the cover is divided by a crack into two parts electrically connected by the specified strip. Parameters of the bolometer meet the following ratios: R/2Z <1, where R - specific superficial resistance of a film, Z=120π Ohm - an impedance of free space; S/χ₁>l²/χ₂, where χ₁ - temperature conductivity of medium, which directly contacts with a membrane, χ₂ - temperature conductivity of a membrane material.

EFFECT: simplification of design and increased specific detecting ability of the device.

1 dwg

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕFIELD OF THE INVENTION

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.The present invention relates to a bolometric detector and a device for detecting infrared radiation using such a detector. The invention can be applied, in particular, in thermal imaging technology, and can be used in thermal imagers of the looking type as a sensitive element of matrix receivers, and is intended to operate in the entire infrared wavelength range M to create thermal images of objects at night.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND

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.In the field of technology related to infrared detectors, bolometric detectors are known, which typically include: means for absorbing infrared radiation and converting it into heat (absorber); means of thermal insulation of the detector, providing the possibility of maximum increase in its temperature as a result of exposure to infrared radiation; thermometric means in which, in the case of a bolometric detector, a resistive element is used.

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_x. 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^-8 Вт/K.Typically, a bolometer consists of a membrane on which a thermosensitive element (TEC) and an electromagnetic energy absorber (PEE) are located. Often, the functions of TEC and PEE are combined in one element, for example, in the case of bolometers made on the basis of VO _x . If a semiconductor such as amorphous silicon is used as (TEC), then PEE is usually produced by applying a metal film, which has a small absorption coefficient: usually only a few percent. Sometimes they are limited by the fact that the membrane made of silicon oxide and silicon nitride plays the role of PEE. To obtain low thermal conductivity between the bolometer and its surroundings, the bolometer is placed on long buses with a small cross-sectional area, consisting of materials with low thermal conductivity, usually coated with a thin layer of metal that provides electrical contact between the bolometer and the electronic signal reading circuit. The thermal conductivity between the sensitive element (SE) of the bolometer and its contact area can be at the level of 3.5 10 ^-8 W / 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%.The pixel filling factor determines the fraction of the pixel area occupied by bolometers, which is used to absorb incident infrared radiation. The remaining pixel areas occupy the contact areas of the bolometer, the intervals between the bolometers, and the adjacent membranes of the bolometers, and the transition windows that connect the bolometer and plate to the integrated reading circuit. Conventional single-level infrared matrix bolometers typically have a duty cycle of 60% to 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.Analogues of the invention are described in the literature, see, for example, the RF patent for the invention No. 2356017 of 05.20.2009; RF patent for the invention No. 2383875 of March 15, 2006; Filachev A.M., Andryushin S.Ya. The state of development of microbolometric matrices at the State Scientific Center "NPO Orion". Applied Physics, No. 5, 2000, pp. 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.The prior art describes a number of different layout options for the various constituent elements of the detectors in order to maximize the useful area of the bolometer, which greatly complicate the design of the bolometers. Maximization is achieved through a more rational use of the area of the conductive busbars connecting the bolometer to the reading circuit. However, this does not lead to an increase in the main parameter, the specific detectivity D *, because the authors do not take into account the effect on the detector characteristics of excess noise, associated, in particular, with the effects of charge leakage from intercrystalline tips in polycrystalline films.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

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 Bi_1-xSb_x (0<x<12), максимально покрывающего поверхность мембраны. Этот элемент включает полоску шириной а и длиной b, отделенную узким зазором шириной l от остальной части покрытия, кроме концов полоски ширины а, 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.The claimed IR receiver (bolometer) proposes to simplify its design by replacing three elements: a heat-sensitive element (TEC), an electromagnetic energy absorber (PEE) and contacts on the membrane, with one element made on the membrane, which is made in the form of a coating of thin-film single-crystal material Bi _1-x Sb _x (0 <x <12), maximally covering the surface of the membrane. This element includes a strip of width a and length b, separated by a narrow gap of width l from the rest of the coating, except for the ends of the strip of width a connected to the rest of the coating, which is divided by a gap m into two parts, each of which is connected to its conductive busbar, a both of these parts are electrically connected by the indicated strip.

Поглощение энергии излучения происходит на всей площади элемента, максимально покрывающего поверхность мембраны, причем тонкопленочный монокристальный материал Bi_1-xSb_x (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.Radiation energy is absorbed over the entire area of the element that maximally covers the membrane surface, and the thin-film single-crystal material Bi _1-x Sb _x (0 <x <12) performs both the function of an infrared radiation absorber and a heat-sensitive element (TEC), while noise due to the use of single-crystal films as HFCs, in which there is no inter-edge noise characteristic of polycrystalline materials, is reduced to the limit level of Nyquist-Johnson noise.

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:The gap separating the strip from the rest of the element does not significantly affect the average temperature of the membrane due to the smallness of the gap. In fact, the time constant for the temperature (τ) to reach a stationary state when exposed to a rectangular pulse of radiation is:

τ=S/χ₁,τ = S / χ ₁ ,

где S - площадь мембраны, χ₁ - температуропроводность среды, непосредственно контактирующей с мембраной (в данном случае воздух).where S is the membrane area, χ ₁ is the thermal diffusivity of the medium in direct contact with the membrane (in this case, air).

С другой стороны, оценка характерного времени (t) «выравнивания» температур указанной полоски остальной части элемента и мембраны дает:On the other hand, the assessment of the characteristic time (t) of the “equalization” of temperatures of the indicated strip of the rest of the element and membrane gives:

t=l²/χ₂, t = l ² / χ ₂ ,

где l - ширина зазора, χ₂ - температуропроводность материала мембраны.where l is the width of the gap, χ ₂ is the thermal diffusivity of the membrane material.

Когда выполняется соотношение: τ>t, т.е.When the relation holds: τ> t, i.e.

S/χ₁>l²/χ₂,S / χ ₁ > l ² / χ ₂ ,

можно считать, что средние температуры полоски и мембраны одинаковы.we can assume that the average temperatures of the strip and membrane are the same.

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.Under the conditions: R / 2Z <1, where R is the specific surface resistance of the film, Z = 120π Ohm is the free space impedance, and the gap between the membrane and the substrate is equal to λ / 4, the absorption coefficient of the IR receiver can be 70% -80% over a wide wavelength range Δλ.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖАBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWING

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 Bi_1-xSb_x (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 а, 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.The invention is illustrated by a drawing, which shows a schematic plan view of an infrared receiver (bolometer) in axonometric projection: a dielectric membrane 2 is attached to the substrate 1 (usually silicon), on which is coated 3 of a thin film single crystal material Bi _1-x Sb _x (0 < x <12), the membrane 2 is attached to the substrate by busbars 4, on which conductive buses 5 are located, connecting the IR receiver with the contacts 6 necessary for connecting the bolometer to the measuring circuit, a strip 7 is made in the coating 3, which is separated by shear gaps l of the rest of the coating, except for the ends of the strip of width a connected to the rest of the coating, divided by a slot 8 into two parts, each of which is connected to its conductive busbar, and both of these parts are electrically connected by the specified strip 7, which is a heat-sensitive element, and 3 is the main absorber of electromagnetic energy and at the same time acts as contacts to the strip 7.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

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 (SiO₂+Si₃N₄+SiO₂+Si₃N₄), под которым была вытравлена полость глубиной 2,5 мкм (основная поверочная длина волны λ=10 мкм) и площадью 70×70 мкм². Таким образом с помощью фотолитографии была изготовлена теплоизолированная от подложки из кремния мембрана 2, на которую наносили покрытие 3 из тонкопленочного монокристального материала Bi_1-xSb_x, где x=8%. Этот материал относится к классу полуметаллов с концентрацией свободных электронов 10^-5 на атом. Температурный коэффициент сопротивления ТЧЭ равен 0,7%/K, а монокристальное исполнение пленок обеспечивает предельно низкий уровень шумов $$U_{ш}^2~4kT{R}_0\Delta f$$

, где k = постоянная Больцмана, R₀ - 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 мкм². R₀~130 кОм. Измерения уровня шума и вольт/ваттной чувствительности проводилось при напряжении смещения U на ТЧЭ~11 В. Не обнаружено зависимости напряжения шумов U_ш от величины приложенного напряжения смещения, и в полосе 1 Гц U_ш оказалось равным 47 нВ.For the practical implementation of the proposed invention, the bolometric detector was made on a silicon plate on which a four-layer thin film coating was applied, having the same linear expansion coefficient as that of silicon (SiO ₂ + Si ₃ N ₄ + SiO ₂ + Si ₃ N ₄ ) under which a cavity with a depth of 2.5 μm (the main calibration wavelength λ = 10 μm) and an area of 70 × 70 μm ² was etched. Thus, photolithography was used to fabricate membrane 2, which was thermally insulated from a silicon substrate and coated with a coating 3 of thin-film single-crystal material Bi _1-x Sb _x , where x = 8%. This material belongs to the class of semimetals with a concentration of free electrons of 10 ^-5 per atom. The temperature coefficient of resistance of TCE is 0.7% / K, and the single-crystal design of the films provides an extremely low noise level $$U_w^2~\mathrm{four}kT{R}_0\Delta f$$

where k = Boltzmann constant, R ₀ is the total resistance of the HSE. Strip 7 was made in the coating with a width of 0.1 μm. The strip has the following geometric parameters: length 50 μm, film thickness ~ 80 nm, total receiving area ~ 60 × 60 μm ² . R ₀ ~ 130 kΩ. The noise level and volt / watt sensitivity were measured at a bias voltage U at TEC ~ 11 V. No dependence of the noise voltage U _w on the value of the applied bias voltage was found, and in the band of 1 Hz U _w it turned out to be 47 nV.

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=R₀αΔT, где ΔT - изменение температуры, а α - эффективный температурный коэффициент сопротивления.The device operates as follows. When a rectangular wave pulse of an electromagnetic wave is applied to a bolometric receiver, intense absorption of energy by the entire coating occurs, which leads to heating of strip 7 and the rest of the coating and a change in its effective resistance by ΔR = R ₀ αΔT, where ΔT is the temperature change and α is the effective temperature coefficient of resistance.

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*10⁹ Вт^-1 смГц, τ~10^-2 с.The volt / watt sensitivity W was measured using a radiating blackbody at a temperature of 500 K, an InSb filter, and a mechanical modulator. Estimated values of W ~ 4500 V / W and D * ~ 2.6 * 10 ⁹ W ^-1 cmHz, τ ~ 10 ^-2 s, are obtained.

Claims (1)

Наноструктурный ИК-приемник (болометр) с большой поверхностью поглощения, состоящий из диэлектрической мембраны площадью S с термочувствительным элементом (ТЧЭ) и поглотителем электромагнитной энергии (ПЭЭ), прикрепленной к твердой подложке с помощью токопроводящих шинок, отличающийся тем, что с целью упрощения конструкции и, в итоге, повышения удельной обнаружительной способности D* (ТЧЭ) и (ПЭЭ) объединены в одном элементе, который выполнен в виде покрытия из тонкопленочного монокристального материала Bi_1-xSb_x (0<x<12), максимально покрывающего поверхность мембраны, включающем полоску шириной a и длиной b, причем указанная полоска отделена зазорами шириной l от остальной части покрытия, кроме концов полоски шириной а, соединенных с остальной частью покрытия, разделенного щелью m на две части, каждая из которых соединена со своей токопроводящей шинкой, а обе эти части электрически соединены указанной полоской, причем физические и геометрические параметры болометра удовлетворяют экспериментально полученным соотношениям: R/2Z<1, где R - удельное поверхностное сопротивление пленки, Z=120π Ом - импеданс свободного пространства, S/χ₁>l²/χ₂, где χ₁ - температуропроводность среды, непосредственно контактирующей с мембраной (в данном случае воздух), χ₂ - температуропроводность материала мембраны. A nanostructured IR detector (bolometer) with a large absorption surface, consisting of an S-area dielectric membrane with a heat-sensitive element (TEC) and an electromagnetic energy absorber (PEE) attached to a solid substrate using conductive busbars, characterized in that in order to simplify the design and as a result, increase the specific detectivity D * (TCE) and (EEP) are combined in one element, which is designed as a single-crystal thin film of coating material Bi _1-x Sb _x (0 <x <12), covering the maximum the first surface of the membrane comprising a strip of width a and length b, wherein said strip is separated by gaps of width l of the rest of the coating, except the ends of the strip width and are connected with the rest of the coating divided by the slit m into two parts, each of which is connected with its gang with a splitter, and both of these parts are electrically connected by the indicated strip, and the physical and geometric parameters of the bolometer satisfy the experimentally obtained ratios: R / 2Z <1, where R is the specific surface resistance of the film , Z = 120π Ohm is the free space impedance, S / χ ₁ > l ² / χ ₂ , where χ ₁ is the thermal diffusivity of the medium directly in contact with the membrane (in this case, air), χ ₂ is the thermal diffusivity of the membrane material.