Многоэлементный неохлаждаемый микроболометрический приемник

Изобретение относится к области оптико-электронных приборов и может быть использовано как приемник инфракрасного излучения в тепловизионных приборах, теплопеленгаторах, приборах ориентации и экологического мониторинга. Технический результат изобретения: улучшение пороговой чувствительности, расширение динамического диапазона и области рабочих температур. Сущность: приемник содержит многослойные чувствительные элементы плоскостной структуры, термочувствительный слой в нем выполнен из материала, представляющего собой смесь окислов ванадия VOx при 2<х<2,5 и не претерпевающего фазового перехода. 3 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области оптико-электронных приборов и предназначено для работы в качестве приемника инфракрасного излучения, формирующего изображение или определяющего координаты исследуемого объекта. Приемник может быть использован как основа тепловизионных приборов, теплопеленгаторов, приборов ориентации и для экологического мониторинга.

Отличительными особенностями известных высокочувствительных многоэлементных неохлаждаемых (работающих при комнатных температурах) микроболометрических приемников являются малые площади чувствительных элементов, например 50×50 мкм, тонкопленочное многослойное исполнение всех функциональных составляющих, высокая степень термоизоляции чувствительного элемента от базового кристалла посредством вывешивания чувствительного элемента на длинных и узких ножках (Хребтов И.А., Маляров В.Г. Неохлаждаемые тепловые матричные приемники ИК излучения // Оптический журнал, 1997 г., т.64, N6, с.3-17). Необходимым слоем чувствительных элементов таких приемников является термочувствительная пленка, имеющая достаточно высокий температурный коэффициент сопротивления (ТКС) и низкий уровень избыточного токового шума. Для достижения высокой чувствительности неохлаждаемых микроболометрических приемников термочувствительный слой должен иметь ТКС не менее 2%/К, поэтому в них используют полупроводниковые пленки, например, аморфных кремния и германия, в том числе гидрогенизированных, и смеси этих материалов.

Недостатком приемников с названными термочувствительными слоями является то, что из-за высокого удельного сопротивления этих слоев чувствительные элементы приемников должны иметь "сэндвичную" структуру. В такой структуре термочувствительный слой имеет довольно большую толщину (порядка 1 мкм) и находится между нижним и верхним пленочными электродами по всей площади чувствительного элемента. В совокупности это приводит к большой теплоемкости чувствительного элемента, что ограничивает возможность повышения вольтовой чувствительности при заданном быстродействии.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является многоэлементный микроболометрический приемник, в котором в качестве термочувствительного слоя использована пленка диоксида ванадия VO₂ (патент США N 5450053, 1995 г., 6 МПК Н 01 131/08; Н 01 с 7/00; G 02 b 26/10). Пленки VO₂ имеют высокий ТКС от 2 до 3%/К при низком удельном сопротивлении. Последнее позволяет выполнять чувствительный элемент по "плоскостной" схеме, когда тонкий (около 0,1 мкм) термочувствительный слой находится в планарном зазоре между электродами малой площади. Элементы с такой структурой имеют существенно меньшую теплоемкость, а следовательно, больший потенциал улучшения чувствительности.

Однако известный многоэлементный микроболометрический приемник имеет следующие недостатки. Пленки VO₂ при нагревании до температур 50-60°С претерпевают фазовый переход полупроводник - металл, имеющий гистерезисный характер, при котором электрическое сопротивление пленки VO₂ уменьшается на несколько порядков. Это ограничивает как динамический диапазон чувствительности, так и выбор области рабочей температуры микроболометрического приемника. Кроме того, показано (Зеров В.Ю., Куликов Ю.В. и др. Пленки VOx с улучшенными болометрическими характеристиками для ИК-матриц // Письма в ЖТФ, 2001 г., т.27, вып.9, с.57-637), что мартенситные превращения в зернах пленки VO₂ вызывают дополнительный токовый частотнозависимый (типа 1/f) шум, в том числе и при комнатных температурах, который ухудшает пороговую чувствительность элементов приемника.

Известно также, что ванадий как металл с переменной валентностью имеет целый ряд окислов, часть из которых хоть и обладает фазовым переходом, как VO₂, но при температурах, далеких от области комнатных температур (Чудновский Ф.А. Фазовый переход металл - полупроводник и его техническое применение // Журнал технической физики, 1975 г., т.XLV, вып.8, с.1561-1583).

Заявляемое изобретение направлено на решение задач улучшения пороговой чувствительности, расширения динамического диапазона и области рабочих температур многоэлементного неохлаждаемого микроболометрического приемника.

Это достигается тем, что в многоэлементном неохлаждаемом микроболометрическом приемнике, содержащем многослойные чувствительные элементы плоскостной структуры, включающие полупроводниковый термочувствительный слой, последний выполнен из материала, представляющего собой смесь окислов ванадия VOx при 2<х<2,5 и не претерпевающего фазового перехода. При большем содержании кислорода (х>2,5) пленка VOx имеет высокое удельное сопротивление, которое вызывает необходимость увеличения ее толщины для обеспечения требуемого сопротивления микроболометра, что повышает теплоемкость чувствительного элемента и, следовательно, ухудшает быстродействие микроболометра либо, при сохранении быстродействия, снижает вольтовую чувствительность.

При выполнении условия 2<х<2,5 в термочувствительном слое VOx либо нет, либо минимальное количество зерен VO₂, а в температурной зависимости сопротивления микроболометра не наблюдается фазового перехода полупроводник - металл в широком интервале температур, по крайней мере от 0 до 100°С. С другой стороны, отсутствие гистерезисной петли фазового перехода в температурной зависимости сопротивления свидетельствует о том, что если в слое Vox и есть зерна VO₂, то их количество настолько мало, что не влияет на характер проводимости.

На фиг.1 и 2 представлен пример структуры и топологии неохлаждаемого микроболометра как элемента многоэлементного приемника. На фиг.3 приведены температурные зависимости сопротивления единицы площади слоев: преимущественно состоящего из зерен VO₂ (кривая 1) и VOx, выполненного в соответствии с соотношением 2<х<2,5 и требованием отсутствия фазового перехода (кривая 2).

Микроболометры формируют на базовой кремниевой подложке 1 (фиг.1). Каждый из них содержит опорный слой 2 нитрида кремния, термочувствительный слой 3, выполненный из VOx при 2<х<2,5, слой 4 титана, нанесенный только на ножки подвески чувствительного элемента, выполняющие также функции тоководов, и защитные слои 5 и 6 диоксида кремния. Чувствительный элемент 7 (фиг.2) на ножках 8 вывешен над полостью в кремниевой подложке. Посредством растров разводки 9 каждый микроболометр многоэлементного приемника (например, форматом 1×128 элементов) соединяется с электроникой считывания сигнала микроболометров.

Электрический сигнал микроболометра возникает при пропускании через него электрического тока смещения, вследствие изменения его сопротивления из-за вариации температуры, вызванной поглощением измеряемого ИК излучения.

Термочувствительный слой VOx получают, например, магнетронным распылением ванадиевой мишени в среде аргонно-кислородной плазмы. В процессе прохождения через плазму ионы ванадия окисляются кислородом и осаждаются на нитрид кремния. Выполнение условия 2<х<2,5 требует тщательного подбора технологических параметров напыления - температуры подложки, мощности магнетрона, времени напыления, суммарного давления в напылительной камере и особенно парциального давления кислорода в аргонно-кислородной смеси. Подбор параметров напыления и контроль выполнения условия 2<х<2,5 наиболее просто проводить путем измерения температурной зависимости сопротивления полученного слоя VOx. Например, приведенная на фиг.3 кривая 1 соответствует слою, преимущественно состоящему из VO₂ с небольшим содержанием других окислов и полученному при парциальном давлении кислорода, в 1,3 раза меньшем, чем при напылении слоя VOx, которому соответствует кривая 2. В первом случае явно присутствует петля гистерезиса фазового перехода, а во втором - сопротивление монотонно уменьшается при повышении температуры от 22 до 94°С, причем значения ТКС при температурах 20-30°С в обоих случаях практически равны.

Как показывает эксперимент, выполнение термочувствительного слоя из VOx при условиях 2<х<2,5 и отсутствия фазового перехода способствует снижению избыточного 1/f токового шума в 3-10 раз по сравнению со слоями VO₂ при сходных технологиях изготовления и равных значениях ТКС. Это влечет улучшение пороговой чувствительности микроболометра в 3-10 раз. Кроме того, из-за монотонности температурной зависимости сопротивления слоя VOx динамический диапазон микроболометра расширяется не менее чем в два раза, а верхняя граница области рабочей температуры может быть сдвинута до 50-60°С, тогда как для микроболометра с термочувствительным слоем VO₂ она не может быть выше 30°С.

Многоэлементный неохлаждаемый микроболометрический приемник, содержащий многослойные чувствительные элементы плоскостной структуры, включающие полупроводниковый термочувствительный слой, отличающийся тем, что термочувствительный слой выполнен из материала, представляющего собой смесь окислов ванадия VOx при соотношении 2<х<2,5 и не претерпевающего фазового перехода.