Багатоелементні болометричні ІЧ детектори зі скануванням на основі високотемпературних надпровідників

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

УДК 621.383

БАГАТОЕЛЕМЕНТНІ БОЛОМЕТРИЧНІ ІЧ ДЕТЕКТОРИ ЗІ СКАНУВАННЯМ НА ОСНОВІ ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНИХ НАДПРОВІДНИКІВ

05.27.01 - твердотільна електроніка

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Гордієнко Едуард Юрійович

Харків - 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Харківському національному університеті радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: кандидат технічних наук, професор Сліпченко Микола Іванович, Харківський національний університет радіоелектроніки, проректор з наукової роботи, професор кафедри мікроелектроніки, електронних приладів та пристроїв.

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор Черпак Микола Тимофійович Інститут радіофізики і електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України (м. Харків), старший науковий співробітник;

доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Тетьоркін Володимир Володимирович Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є.Лашкарьова НАН України (м. Київ), завідувач відділом.

Провідна установа: Науково-виробниче підприємство “Карат” Мінпромполітики України (м.Львів)

Захист відбудеться 08.06.2006 р. о _15___ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 64.052.04 Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою:

61166, м. Харків, пр. Леніна, 14, ауд. ______.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

Автореферат розіслано 07.05. 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук Бородін Б.Г.

болометричний напівпровідник перетворювач інфрачервоний

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Проблема створення високоефективних систем широкоформатного прийому теплових зображень з високим температурним і просторовим розрізненням продовжує бути актуальною, незважаючи на велику кількість робіт, спрямованих на їх розробку та промислове виготовлення. Основним елементом таких систем є інфрачервоні (ІЧ) детектори, які мають, перш за все, забезпечувати високу ефективність перетворення випромінювання. Вимоги до цих детекторів, як правило, значно відрізняються в залежності від конкретного використання. Це, насамперед, пов'язано зі спектральним складом випромінювання, яке реєструється, фоновою обстановкою в реальних умовах застосування тепловізійної апаратури та необхідною швидкодією. Створення універсального детектора з оптимальними для різного призначення характеристиками дотепер не здійснено.

В умовах земного фону з температурою 300 К віддається перевага ІЧ-детекторам з азотним рівнем охолодження.

Найбільш поширені фотонні детектори випромінювання мають значну селективність чутливості за спектральним діапазоном, що залежить від ширини забороненої зони напівпровідника, або глибини розташування енергетичних рівнів активних домішок. У довгохвильовій ІЧ області зараз переважно використовують фоторезистори та фотодіоди на основі CdHgTe для довжини хвиль реєстрованого випромінювання менше 20 мкм. Застосування детекторів на основі домішкових германію та кремнію з граничною довжиною хвилі 200 мкм значно ускладнюється потребою їх охолодження до 4,2 К.

Другим, принципово іншим типом ІЧ приймачів, є теплові болометричні детектори. Їх чутливість не залежить від довжини хвилі сприйнятого випромінювання (зокрема, для ІЧ та НВЧ областей спектра). Болометр, на противагу фотонному приймачу, може бути виготовлено з будь-якого матеріалу, електричний опір якого залежить від температури.

Особливим класом теплових приймачів випромінювання є надпровідникові болометри, дія яких заснована на різкій зміні електричного опору при переході надпровідникових матеріалів з нормального стану в надпровідний.

Аналіз показує, що застосування багатоелементних детекторів випромінювання в приймальних пристроях ІЧ-систем значно покращує їх характеристики. Однак, створення та застосування в них багатоелементних надпровідникових болометрів ще не досить поширено. З точки зору азотного рівня охолодження чутливих елементів приймальних систем, більш значних успіхів у цьому напрямку слід очікувати на шляху використання високотемпературних надпровідникових болометрів. Незважаючи на те, що з моменту відкриття високотемпературної надпровідності при температурі ? 90 К багато лабораторій світу вивчають можливість використання високотемпературних надпровідників (ВТНП) для побудови високочутливих детекторів азотного рівня охолодження, досягти будь-яких успіхів у створенні багатоелементних перетворювачів ІЧ зображень поки що не вдалось. Якщо створення поодинокого болометричного елемента з високими параметрами чутливості і швидкодії, здатного стати основою побудови матричних приладів для високоякісної тепловізійної зйомки є реальним завданням, то поелементне зчитування інформації з масиву таких приймачів залишається невирішеною проблемою.

У відомих розробках ВТНП болометричних приймачів, придатних для інтегрального виконання, використані мембранні конструкції на кремнієвій основі. В цьому випадку традиційно передбачається вирішувати питання комутації сигналу з окремих чутливих елементів за допомогою структур на основі пристроїв з зарядовим зв'язком (ПЗЗ), сформованих на тій самій кремнієвій підкладці, що й матриця детекторів. Проте, технологічні труднощі не дозволили досягнути значних успіхів у цьому напрямку. Для таких структур не забезпечуються надійність і відтворюваність характеристик елементів масиву, крім того, вони потребують великої кількості технологічних операцій, які призводять до деградації надпровідних властивостей ВТНП плівок.

Застосування гібридної технології побудови ВТНП матричних детекторів потребує великої кількості електричних з'єднань матриці болометрів з мультиплексором. Оскільки одним з основних принципових факторів, які обмежують чутливість сучасних ВТНП болометричних елементів, є контактні шуми, то практична реалізація такого підходу стикається з відомими проблемами формування якісних електричних з'єднань з ВТНП структурами.

У зв'язку з цим, напрямки досліджень, які пов'язані з розробкою завершених багатоелементних детекторів ІЧ випромінювання на основі ВТНП, залишаються актуальними.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до наукового напрямку кафедри мікроелектроніки, електронних приладів та пристроїв Харківського національного університету радіоелектроніки. Дисертація є складовою частиною держбюджетних НДР, що виконуються на кафедрі (номери держреєстрації 0104U000009т, 0101U000053т), а також програми BES (Basic Energy Science, U.S. Department of Energy, контракт W?31?109?ENG?38).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є теоретичне та експериментальне обґрунтування можливості створення високоефективного болометричного ВТНП багатоелементного перетворювача ІЧ зображення з безелектродним поелементним виділенням інформації.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі.

1. Запропонувати та обґрунтувати організацію поелементного зчитування інформації у широкоформатній ВТНП болометричній структурі, яка б дозволила уникнути формування великої кількості електричних з'єднань з комутатором, для чого розглянути можливість формування та переміщення на її приймальній площині локальних областей, чутливих до зовнішнього випромінювання, за допомогою лазерного зонда.

2. Теоретично оцінити граничну чутливість та просторове розрізнення ВТНП багатоелементного перетворювача ІЧ зображення з формуванням окремих елементів за допомогою лазерного зонда та дослідити фактори, які обмежують ці параметри. Оптимізувати енергетичні та часові параметри лазерного зонда.

3. Дослідити надпровідні властивості та шумові характеристики найбільш підходящих ВТНП матеріалів з точки зору болометричних використань та оптимізувати технологію формування приймальних структур на їх основі з метою створення діючих зразків перетворювача ІЧ зображення. Розробити методики, вимірювальні установки та провести експериментальне дослідження детектуючих властивостей такого перетворювача ІЧ зображення.

Об'єкт дослідження - процеси локального формування рухливих областей, чутливих до зовнішнього ІЧ випромінювання, у ВТНП широкоформатній болометричній структурі, що забезпечують реєстрацію просторового розподілення теплового поля об'єктів.

Предмет дослідження - багатоелементний ВТНП перетворювач ІЧ зображення з поелементним зчитуванням інформації за допомогою лазерного зонда.

Методи дослідження. Теоретична оцінка просторової розрізняльної здатності ВТНП перетворювача ІЧ зображення з поелементним зчитуванням інформації за допомогою лазерного зонда та оптимальних часових та енергетичних параметрів цього зонда основувалися на вирішенні тримірного рівняння теплопровідності для реальної системи плівки YBaCuO на підкладці SrTiO₃ з конкретними граничними умовами. Розв'язання знаходилось чисельними методами. Стаціонарна задача вирішувалась методом Лібмана, нестаціонарна ? методом прогонки. Плівки YBa₂Cu₃O_7-Х на підкладках SrTiO₃ вирощувалися широко відомими та апробованими методами: методом ВЧ катодного розпилу з послідовним високотемпературним випалюванням (ex situ процес); методом прямого синтезу ВТНП з'єднання з потоку матеріалу мішені, утвореного при імпульсному лазерному випаровуванні (in situ процес). Катіонний склад плівок YBa₂Cu₃O_7-Х визначався методами атомно-емісійної спектроскопії та резерфордівського зворотного розсіювання. Дослідження струмонесучої структури плівок YBa₂Cu₃O_7-Х проводились методами лазерної скануючої мікроскопії. Формування геометрії болометричних мікроструктур на основі плівок YBa₂Cu₃O_7-Х на підкладці SrTiO₃ здійснювалося методом електронно-променевої літографії та хімічного травлення. Вимірювання спектральних характеристик чутливості болометричних структур здійснювалося методом порівняння з еталонним приймачем. Представлені в роботі експериментальні результати одержано на основі вимірювань, здійснених за допомогою приладів, які серійно випускаються та пройшли метрологічну повірку.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Запропоновано та обгрунтовано новий підхід щодо поелементного виділення інформації про просторове розподілення зовнішнього теплового поля за допомогою широкоформатної ВТНП болометричної структури, який базується на використанні її високої температурної чутливості в області надпровідного переходу та локалізації такого стану на окремих ділянках приймальної поверхні цієї структури за допомогою додаткової просторово обмеженої теплової дії, створеної лазерним зондом.

2. Теоретично встановлені часові та просторові залежності теплового розтікання температурного рельєфу, що виникає на приймальній поверхні реальної системи плівки YBaCuO на підкладці SrTiO₃ при поглинанні випромінювання від теплового об'єкта, що реєструється, або комутуючого випромінювання джерела локальної теплової дії та визначено просторову розрізняльну здатність багатоелементного відтворення теплового поля відповідно запропонованого підходу. Теоретично встановлено залежність теплового зв'язку між сусідніми чутливими елементами, які формуються (опитуються) за допомогою додаткової локальної теплової дії від частоти опитування. Теоретично виявлені та підтверджені експериментально оптимальні енергетичні та часові параметри джерела локальної теплової дії, необхідні для ефективного зчитування інформації про просторовий розподіл зовнішнього теплового поля.

3. Встановлена залежність параметрів граничної чутливості до зовнішнього ІЧ випромінювання окремих елементів, які формуються на ділянках суцільної ВТНП болометричної структури за допомогою додаткової локальної теплової дії, від теплового зв'язку цієї структури з теплостоком та якості надпровідних плівок. Запропоновано критерій для оцінки якості ВТНП плівок з точки зору болометричних використань, який дозволяє для елементів різної конфігурації оцінювати обмеження виявляльної здатності. Показано, що незважаючи на різницю в природі шумових процесів, кристалографічна орієнтація плівок YBaCuO відносно підкладки не є вирішальним фактором для болометричного використання.

4. Експериментально підтверджена можливість практичної реалізації запропонованого підходу для реєстрації просторового розподілення теплових полів. Досліджено детектуючі властивості такого перетворювача та проведено кількісну оцінку параметрів чутливості та просторової розрізняльної здатності з орієнтацією на створення широкоформатного перетворювача ІЧ зображення.

5. Набула подальшого розвитку концепція композитної схеми побудови болометричних детекторів. Показано, що розділення функцій між чутливим і приймальним елементами у ВТНП болометричних структурах на основі плівок YBa₂Cu₃O_7-Х на підкладках SrTiO₃ дозволяє підвищити ефективність перетворювання ІЧ випромінювання за рахунок зниження теплового зв'язку внаслідок зменшення лінійних розмірів YBa₂Cu₃O_7-Х мікротермометрів і використання підкладки SrTiO₃, яка має низьку теплопровідність та ефективне поглинання випромінювання у широкому спектральному діапазоні.

Практичне значення одержаних результатів.

1. У результаті проведених теоретичних та експериментальних досліджень обґрунтована можливість практичного створення завершених багатоелементних ВТНП болометричних перетворювачів ІЧ зображення на основі плівок YBa₂Cu₃O_7-Х на підкладках SrTiO₃ з лазерним виділенням та скануванням елементів. Виявляльна здатність таких елементів може бути не гірше D^*? 5•10⁹см•Гц^1/2/Вт при їх розмірі менше 100 х 100 мкм.

2. Встановлені у роботі теоретичні залежності та отримані експериментальні результати дають можливість розробки високоефективних багатоелементних болометричних перетворювачів ІЧ зображення з лазерним виділенням та скануванням елементів на основі плівок YBa₂Cu₃O_7-Х на підкладках SrTiO₃ та подальшого покращення їх характеристик перетворювання. Виготовлення таких пристроїв не потребує складних специфічних технологічних процесів і широкомасштабного застосування мікроелектронної технології.

3. Запропонована технологія формування суцільних ВТНП мікроструктур зі смужковою та меандровою геометрією на основі плівок YBaCuO може стати основою практичної технології виготовлення багатоелементних ІЧ болометричних детекторів різного призначення.

4. Розроблений метод визначення поглинаючої здатності болометричних елементів може бути застосовано для проведення вимірювань при виготовленні та дослідженні детекторів різної конфігурації.

Особистий внесок здобувача. Автором особисто запропоновано та досліджено формування та переміщення чутливих до зовнішнього випромінювання ділянок у суцільній болометричній ВТНП структурі за допомогою лазерного сканування з метою створення широкоформатного перетворювача теплових зображень [1]. Експериментально досліджені шумові та надпровідні властивості плівок YBa₂Cu₃O_7-Х на підкладках SrTiO₃ з різною кристалографічною орієнтацією відносно підкладки та проведено їх порівняння з точки зору болометричних використань [2]. Обгрунтована і розроблена технологія виготовлення ВТНП болометричних структур на основі плівок YBa₂Cu₃O_7-Х на підкладках SrTiO₃ для перетворювача теплових зображень з лазерним скануванням [3]. Експериментально досліджено характеристики використаних ВТНП болометричних структур, розроблено та створено діючий зразок перетворювача ІЧ зображення з лазерним скануванням [5,6,7]. Запропоновано та досліджено багатоелементний ВТНП болометричний приймач ІЧ випромінювання форматом 2 х 16 елементів, в якому функції чутливих елементів виконують YBa₂Cu₃O_7-Х мікротермометри, а поглинаючим елементом є підкладка SrTiO₃ [2]. Запропоновано та експериментально реалізовано метод визначення коефіцієнта поглинання випромінювання болометричних елементів з просторово неоднорідним поглинанням [4].

Апробація результатів роботи. Результати роботи доповідалися й обговорювалися на таких міжнародних конференціях та симпозіумах: SPIE Defense & Security Symposium “Infrared technology and applications XXXI” (Orlando, USA, 2005); VII European conference on applied superconductivity EUCAS'05 (Vienna, Austria, 2005); 4-й Міжнародній конференції “Теория и техника передачи, приема и обработки информации“ (“Новые информационные технологии”) (Харків, Україна, 1998); ХYIII-у семінарі з прикладної надпровідникової електроніки та біомагнитизму (Жукін, Україна, 1995); XYI-у семінарі з прикладної надпровідникової електроніки та біомагнитизму (Жукін, Україна, 1993).

Публікації за темою дисертації. Матеріали дисертації опубліковані в 7 наукових працях, в тому числі у 4 статтях, опублікованих у наукових спеціалізованих виданнях, що входять до переліку ВАК України [1,2,3,4], а також 3 збірниках доповідей міжнародних конференцій [5,6,7].

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел (118 джерел). Дисертація викладена на 168 сторінках основного тексту, включає 49 рисунків і 8 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і визначено задачі дослідження, наведено наукову новизну отриманих результатів та їх практичну цінність, розглянуто особистий внесок здобувача і наведено відомості про апробацію основних положень роботи.

У першому розділі розглянуто стан сучасних перспективних розробок охолоджуваних детекторів ІЧ діапазону. Особливу увагу приділено багатоелементним конструкціям на основі фотонних і теплових приймачів.

У звичайній фоновій обстановці для побудови компактних тепловізійних систем перевагу віддають азотному рівню охолодження чутливих елементів. Відсутність високочутливих напівпровідникових приймачів випромінювання азотного рівня охолодження в діапазоні довжин хвиль, більших за 20 мкм, обумовлює велику зацікавленість ВТНП як матеріалом для побудови надпровідникових болометрів з розширеним спектральним діапазоном чутливості.

Більшість сучасних робіт, присвячених створенню та дослідженню ВТНП болометрів, розглядають використання плівок YBa₂Cu₃O_7-Х з температурою надпровідного переходу Т_С ? 90 К. Аналіз показує, що найкращими з точки зору рівня шумів, просторової однорідності структури, крутизни надпровідного переходу, густини критичного струму та тривалої стабільності характеристик є плівки, вирощені на підкладках з SrTiO₃.

Проведений аналіз стану сучасних розробок ВТНП болометричних детекторів дозволяє зробити висновок про те, що створення приймача з виявляльною здатністю D^* ? 10¹⁰см•Гц^1/2/Вт в середньохвильовій та довгохвильовій областях ІЧ спектра, здатного стати основою для побудови багатоелементних детекторів для високоякісного тепловізійного знімання, є реальною задачею. І все ж таки, розробка ВТНП болометричних матриць продовжує знаходитись тільки на початковому рівні. Основною невирішеною проблемою є організація поелементного зчитування інформації з масиву таких приймачів. Тільки в невеликій кількості робіт йдеться про практичну реалізацію пристроїв, які складаються лише з декількох окремих чутливих елементів, але питання організації поелементного зчитування інформації, здатної стати основою для побудови завершених багатоелементних систем, не розглядається.

У другому розділі обгрунтовано технологію формування плівок YBa₂Cu₃O_7-Х з різною орієнтацією осі “С” кристалу відносно підкладки та досліджено їх характеристики з точки зору болометричних використань.

Спочатку розглянуто концепцію технології вирощування епітаксіальних плівок YBa₂Cu₃O_7-Х різної кристалографічної орієнтації на підкладках SrTiO₃, яка дозволяє отримувати плівки з мінімальною кількістю великомасштабних дефектів, з високою густиною критичного струму та різкою температурною залежністю опору в області надпровідного переходу.

Плівки з переважною орієнтацією осі “С” кристала паралельно поверхні підкладки вирощувались ex situ методом ВЧ катодного розпилу з подальшим високотемпературним випалюванням. Встановлено, що вирішальний вплив на можливість отримання високоякісного надпровідникового з'єднання YBa₂Cu₃O_7-X чинить упорядкованість атомів ітрію та барію впродовж осі “С” кристала під час випалювання. При високотемпературному випалюванні YBa₂Cu₃O_7-X в суміші інертного газу (Аr, He) з киснем отримані С₌? плівки з високими надпровідними характеристиками. Плівки з переважною орієнтацією осі “С” кристала перпендикулярно поверхні підкладки вирощувались in situ методом імпульсного лазерного випаровування. У результаті оптимізації температури процесу та використання при випаровуванні короткохвильового лазерного випромінювання (л = 0,533 мкм) вирощені С₊ ? плівки з високими надпровідними характеристиками.

Далі розглядаються питання, пов'язані з визначенням якості отриманих ВТНП плівок та вибором критерію для її оцінки з точки зору болометричних використань. Чутливість болометра обмежується впливом ряду складових шумів. На практиці найчастіше це вплив надлишкових шумів, який може бути значно зменшено за рахунок якості ВТНП матеріалів.

У роботі запропоновано як критерій оцінки якості ВТНП плівок використовувати відношення приведеної шумової напруги до відносного температурного коефіцієнта опору, що дозволяє для елементів різної конфігурації оцінювати обмеження виявляльної здатності:

, (1)

де U_Ш - напруга шуму чутливого елемента; U_СМ - напруга зсуву; (1/R)/(ДR/ДT) ? відносний температурний коефіцієнт опору ВТНП плівки. Ця величина має розмірність температури та еквівалентна флуктуаціям температури зразка, що відповідають зареєстрованому шуму. Отже, максимально можлива продетектована потужність випромінювання NEP та виявляльна здатність D^* обмежуються еквівалентними температурними флуктуаціями чутливого елемента К_Т, які визначаються шумовими та надпровідними параметрами використаних ВТНП плівок: ; , де G - тепловий зв'язок чутливого елемента з теплостоком.

Для оцінки та порівняння якості плівок YBa₂Cu₃O_7-X на підкладці SrTiO₃ за визначеним вище критерієм К_Т у роботі були проведені детальні дослідження температурних залежностей їх шумових напруг та електричного опору. Були розглянуті зразки, близькі до монокристалічних, з переважною паралельною та перпендикулярною орієнтаціями осі “С” кристалу відносно підкладки. Проведена для окремих складових шумів оцінка показала наявність у досліджуваних плівках додаткового шуму, який перевищує такі основні складові як шум теплопровідності та шум Джонсона. У зв'язку з цим визначений критерій К_Т має відповідати надлишковому шуму. Характерно, що незалежно від кристалографічної орієнтації зразків, температурні залежності К_Т мають мінімум в області надпровідного переходу, де розташована робоча точка болометра (рис. 1). Цей мінімум критерію К_Т обумовлюється особливостями температурного ходу опору та наявністю додаткових джерел шуму в низькоомній частині переходу. Крім того, мінімальні температурні флуктуації, еквівалентні надлишковому шуму, для обох зразків з паралельною та перпендикулярною орієнтаціями осі “С” мають близькі значення (2 ч 3)•10^-8 К. Іншими словами, незважаючи на розбіжність у природі флуктуаційних процесів, для болометричних використань при значному ступені структурного упорядкування орієнтація плівок відносно підкладки не є визначальним фактором.

Показано, що вклад компоненти надлишкового шуму в обмеження граничної чутливості може бути мінімізований при реалізації величини теплового зв'язку G чутливого елемента болометра з теплостоком, який задовольняє умові: . Це може бути досягнуто за рахунок зменшення лінійних розмірів чутливого елемента. Визначено, що для розглянутих у даній роботі плівок ВТНП лінійний розмір чутливого елемента, для якого температурні флуктуації, еквівалентні надлишковому шуму, не є переважними, має бути меншим за 30 ч 50 мкм.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В останній частині розділу описана запропонована нами технологія формування планарних ВТНП мікроструктур на основі епітаксіальних плівок YBa₂Cu₃O_7-X на підкладці SrTiO₃, яка заснована на використанні електронно-променевої літографії та хімічного травлення. Для опрацювання та оптимізації розглянутої технології було виготовлено серію ВТНП зразків з геометрією у вигляді смужки шириною 3 мкм, яка утворювала меандр, що займав площу 50 х 50 мкм. Показано, що запропонований технологічний процес не призводить до деградації надпровідних властивостей ВТНП плівки, забезпечує високу точність формування геометрії та відтворювання параметрів виготовлених структур і може бути основою при створенні поодиноких та великоформатних матричних болометричних детекторів.

Третій розділ присвячено розробці та обгрунтуванню нового підходу щодо перетворення ІЧ зображення в часову послідовність електричного сигналу та принципу побудови багатоелементного болометричного детектора на основі ВТНП з неелектродним поелементним формуванням інформації про просторове розподілення інтенсивності випромінювання в тепловому об'єкті.

У першій частині розділу запропоновано для перетворення ІЧ зображення використовувати керування чутливістю окремих ділянок суцільної ВТНП болометричної структури за допомогою додаткової локальної теплової дії. Показано, що аномально висока температурна чутливість до зовнішнього теплового випромінювання може бути локалізована на окремій ділянці плівчатої ВТНП структури, що знаходиться у надпровідному стані, у вигляді резистивної області невеликих розмірів за допомогою додаткової просторово обмеженої теплової дії. Оскільки така чутлива область може бути сформована на будь-якій дільниці ВТНП структури, то шляхом переміщення додаткової локальної теплової дії може бути забезпечено неперервне сканування теплового зображення, яке реєструється. На цій основі можна будувати пристрої, чутливі не тільки до інтенсивності ІЧ випромінювання, а й до його просторового розподілення.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Спочатку розглянуто болометричну структуру у вигляді вузької ВТНП смужки на підкладці. При поглинанні ІЧ випромінювання від теплового об'єкта на поверхні смужки формується просторовий температурний рельєф Т = f(Х), який відображує розподілення інтенсивності у випромінюванні, що реєструється (рис. 2). При цьому приріст температури ДТ_Хi у кожній умовно взятій області Х_i у загальному випадку буде пропорційний частці потужності падаючого випромінювання Р_Хi та зворотно пропорційний величині теплового зв'язку G_Хi кожної з цих областей з теплостоком. Початкова температура теплостоку Т_О обирається таким чином, щоб вся смужка знаходилась у надпровідному стані, а просторовий температурний рельєф ніде не перебільшував критичної температури Т_С. Отже, електричний опір усього зразка дорівнює нулю. Наступною задачею є зчитування цього температурного рельєфу та однозначна прив'язка значень приросту температури ДТ_Хi до положення на поверхні ВТНП смужки. З цією метою нами запропоновано використовувати лазерне випромінювання, сфокусоване на локальній ділянці смужки, яке створює її перегрів на ДТ_ЛОК та обумовлює перехід цієї ділянки в резистивний стан, де з'являється значна температурна залежність опору. У цьому разі опір усієї смужки дорівнює опору тільки локальної ділянки, яка підігрівається лазерним променем, а його величина буде пропорційна сумі температур Т_О, ДТ_ЛОК та приросту температури ДТ_Хi цієї ділянки, викликаного поглинанням просторової частки потужності випромінювання від теплового об'єкта. Оскільки температури Т_О та ДТ_ЛОК припускаються постійними, то при переміщенні лазерного зонда вздовж смужки її електричний опір буде промодульовано функцією просторового температурного рельєфу Т = f(Х), а при подачі напруги зсуву на кінцях смужки з'являтиметься змінний електричний сигнал, огинаюча якого повторює просторове розподілення інтенсивності випромінювання теплового об'єкта, який реєструється. Це рівноцінно послідовному опитуванню ланцюжка окремих елементарних приймачів. Слід зазначити, що на відміну від традиційних багатоелементних приймальних пристроїв, де чутливі елементи мають чіткі розміри та фізично відокремлені один від одного, у даному випадку поняття „окремий елемент” є умовним. Проте, як показано в даній роботі, для чутливої області, виділеної на поверхні ВТНП смужки за допомогою лазерного зонду, можуть бути визначені розміри та виміряні її характеристики чутливості. Тому термін „багатоелементний приймач” відносно ВТНП структури, яка розглядається, є справедливим. Очевидно, що надпровідникова смужка може бути розглянута як лінійка приймачів, ВТНП структура в формі меандру ? як двомірна матриця детекторів.

Важливою особливістю запропонованого підходу є спрощення технології виготовлення та, як наслідок, підвищення надійності. При цьому суттєво спрощується організація опитування окремих елементів, яка не потребує великої кількості електричних контактів і з'єднань. Для формування ІЧ зображення може використовуватись тільки два електричних з'єднання з приймальною ВТНП структурою.

Далі розглянуті питання, пов'язані з визначенням граничної чутливості елементів, які локалізуються. Показано, що гранична чутливість кожного окремого елемента в основному визначається шумом теплопровідності тільки локальної виділеної області та надлишковим шумом усієї структури. Для досягнення максимальної чутливості має бути мінімізований тепловий зв'язок окремого елемента, а вся ВТНП плівка повинна мати якомога менший рівень надлишкових шумів. Оскільки величина теплового зв'язку може бути знижена, наприклад, за рахунок зменшення лінійних розмірів чутливого елемента, то основним принциповим фактором, обмежуючим чутливість, є технологічні труднощі, пов'язані з необхідністю формування досконалих ВТНП плівок та необхідністю реалізації надпровідникових структур мікронних розмірів.

У другій частині розділу наведені результати експериментальних досліджень, які підтверджують можливість практичної реалізації підходу, що обговорюється в роботі, для побудови багатоелементних ВТНП болометричних детекторів. З цією метою нами було проведено детектування зовнішнього просторово неоднорідного випромінювання (з відомим законом просторового розподілення інтенсивності) надпровідниковою структурою у вигляді смужки YBa₂Cu₃O_7-Х розміром 40 х 3000 мкм (рис. 3 а)) на підкладці LaAlO₃ (має схожі теплофізичні параметри з SrTiO₃). Як джерело локальної теплової дії використовувався напівпровідниковий лазерний діод з довжиною хвилі випромінювання 0,63 мкм та потужністю 5 мВт. Експериментально показано, що переміщення лазерного зонду вздовж ВТНП смужки забезпечує зчитування інформації про просторове розподілення випромінювання від теплового об'єкта (рис. 3 б)).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Встановлено, що теплові ефекти в досліджуваній структурі та зв'язане з ними розтікання температури на поверхні системи ВТНП плівка - підкладка приводять до того, що розмір локальної чутливої області перебільшує розмір лазерного зонду.

У третій частині розділу представлено результати дослідження математичної моделі для розрахунку температурного рельєфу вздовж приймальної площини реальної системи плівки YBaCuO на підкладці SrTiO₃ при поглинанні зовнішнього ІЧ випромінювання, яке реєструється, та випромінювання від джерела додаткової локальної теплової дії. З цією метою розв'язувалось нестаціонарне тримірне рівняння теплопровідності:

. (2)

Розв'язання знаходилось чисельним методом за таких припущень. Властивості матеріалу не змінюються від точки до точки і, отже, коефіцієнти теплопровідності є величини постійні і не залежать від температури (оскільки температура структури при поглинанні випромінювання змінюється незначно). Реальну двошарову систему плівка - підкладка, яка розглядається, можна вважати одношаровою з наступних причин: товщина надпровідникової плівки набагато менша товщини підкладки, теплофізичні властивості матеріалів YBa₂Cu₃O_7-Х та SrTiO₃ практично однакові. Як обговорювалося в ряді робіт, тепловим опором на границі плівка - підкладка можна зневажити.

Було розглянуто два випадки: поодинока ВТНП приймальна площадка розміром 50 х 50 мкм на підкладці такого ж розміру та поодинока ВТНП приймальна площадка розміром 50 х 50 мкм на масивній підкладці розміром 3000 х 3000 мкм. Для обох випадків досліджувались максимальний розігрів приймальної площадки при поглинанні зовнішнього випромінювання з фіксованою потужністю та час виходу системи на стаціонарний температурний стан.

Для випадку приймальної площадки на масивній підкладці досліджувалися процеси розтікання температури вздовж структури (теплова дифузія). Наведено результати чисельного дослідження просторових і часових параметрів температурного розтікання. Визначені обмеження просторової розрізняльної здатності. Показано, що мінімальний лінійний розмір чутливої області, яка формується за допомогою додаткової локальної теплової дії, з урахуванням розсіювання ІЧ випромінювання оптичною системою (з типовим кружком найменшого розсіювання 50 мкм) та довжини теплової дифузії, має складати 86 мкм та обмежує просторову розрізняльну здатність відтворення теплового поля.

Оптимізовано енергетичні та часові параметри лазерного зонду, необхідні для ефективного формування чутливих елементів на поверхні ВТНП структури. Чисельно досліджено тепловий зв'язок між сусідніми елементами при їх формуванні (опитуванні). Показано, що тепловий зв'язок, який виявляється в наявності температурного градієнту на відстані від чутливої області, яка опитується, внаслідок розтікання температури локального перегріву, створеного лазерним зондом, може бути мінімізований при зменшенні часу опитування. Для реальної системи визначено, що частота опитування, при якій взаємний тепловий вплив сусідніх елементів не перевищує еквівалентних температурних флуктуацій приймальної площини, має бути більше 24 кГц. Наведено теоретичні та експериментальні частотні характеристики чутливості для реальної ВТНП структури та показана можливість практичної реалізації такої частоти опитування.

У четвертому розділі представлені результати експериментальних досліджень розроблених багатоелементних ВТНП болометричних детекторів.

На початку розділу описано експериментальні установки, розроблені та збудовані нами для проведення досліджень шумових характеристик, частотних і спектральних характеристик чутливості ВТНП болометричних детекторів у широкому температурному діапазоні. Запропоновано та експериментально реалізовано метод визначення коефіцієнта поглинання композитних болометрів шляхом вимірювання потужності його власного випромінювання другим ІЧ детектором. Запропонований метод дозволяє уникнути принципових труднощів проведення вимірювання існуючими стандартними методами для болометричних структур з просторово неоднорідним поглинанням випромінювання. Проведена оцінка точності вимірювань, які виконуються.

Далі представлені результати експериментальних досліджень багатоелементного ВТНП болометричного приймача ІЧ випромінювання форматом 2 х 16 детекторів, у якому функції чутливих елементів виконують YBa₂Cu₃O_7-Х плівкові мікротермометри, а поглинаючим елементом є підкладка SrTiO₃. Показано, що розділення функцій приймального та чутливого елементів дозволяє підвищити ефективність перетворювання ІЧ випромінювання за рахунок зниження теплового зв'язку в результаті зменшення лінійних розмірів мікротермометрів і використання підкладки SrTiO₃, яка має низьку теплопровідністю та забезпечує поглинання випромінювання в широкому спектральному діапазоні. Одержані значення виявляльної здатності D^* ? 10⁹см•Гц^1/2/Вт та їх розкид (22 %) дозволяє зробити висновок про перспективність використаного підходу для створення багатоелементних ВТНП болометричних детекторів за умови вирішення проблеми комутації елементів.

В останній частині розділу представлені результати дослідження багатоелементного ВТНП детектора, в якому окремі елементи формуються в суцільній ВТНП болометричній структурі у вигляді резистивних ділянок, чутливих до зовнішнього теплового випромінювання, за допомогою додаткової локальної теплової дії. Структура була виготовлена на основі плівки YBa₂Cu₃O_7-Х на підкладці SrTiO₃ товщиною 500 мкм. Геометрія зразка, меандр площиною 1,5 х 1,5 мм, створювалась за допомогою електронно-променевої літографії за технологією, розглянутою у другому розділі. Меандр являв собою 23 смужки ВТНП шириною 50 мкм та довжиною 1500 мкм з зазором між ними 10 мкм (рис. 4). Для проведення експериментальних досліджень було розроблено та виготовлено макет приймального пристрою на основі цієї структури. В якості джерела локальної теплової дії використовувався лазерний напівпровідниковий діод з довжиною хвилі 0,63 мкм та потужністю 5 мВт. Сканування структури лазерним зондом здійснювалося з мінімальним кроком по горизонталі та вертикалі 8 мкм. Результати сканування подавалися у графічній формі на екрані монітора у вигляді зображення форматом 256 х 256 точок.

Оптимізовано параметри температурного режиму та визначена робоча температура структури, при якій локальні елементи мають максимальну чутливість.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Визначені лінійні розміри окремого локального чутливого елемента. Одержаний результат добре погоджується з результатами математичного моделювання теплових процесів у системі плівки YBaCuO на підкладці SrTiO₃ з еквівалентними геометричними параметрами при поглинанні зовнішнього випромінювання. З урахуванням одержаних результатів, досліджувана ВТНП приймальна структура може бути розглянута як матриця детекторів форматом 12 х 14 елементів.

Представлено результати вимірювання шумової напруги структури у смузі частот 200 Гц ч 20 кГц, а також її окремих спектральних складових. Встановлено, що реалізована чутливість окремих елементів D^*=1,3•10⁸ см•Гц^1/2/Вт обмежується надлишковими шумами використаної ВТНП плівки та може бути поліпшена до D^*? 5•10⁹ см•Гц^1/2/Вт при використанні більш якісних надпровідникових плівок.

Представлено результати дослідження спектральних характеристик чутливості в діапазоні 3 ч 18 мкм. Незважаючи на незначні змінювання чутливості в досліджуваному спектральному діапазоні (не більше 20 %), проведені вимірювання показують принципову можливість створення неселективних болометричних детекторів на основі ВТНП.

ВИСНОВКИ

1. Розглянуто стан сучасних перспективних розробок охолоджуваних багатоелементних детекторів ІЧ випромінювання. Результати, отримані в ряді робіт, дозволяють прогнозувати можливість створення конкурентоздатних високочутливих болометричних детекторів з розширеним спектральним діапазоном чутливості на основі ВТНП. Проте розробка багатоелементних ВТНП детекторів знаходиться тільки на початковому рівні. Принципові технологічні труднощі не дозволили дотепер будувати завершені ВТНП перетворювачі ІЧ зображення. Основною невирішеною проблемою є організація поелементного зчитування інформації в таких пристроях. Вирішення цієї проблеми може бути досягнуто завдяки застосуванню нових підходів до побудови матриць детекторів та комутації елементів.

2. Встановлено, що найбільш перспективним матеріалом для побудови ВТНП болометричних детекторів є епітаксіальні плівки YBa₂Cu₃O_7-Х на підкладках Si та SrTiO₃. Обгрунтовано концепцію технології формування плівок YBa₂Cu₃O_7-Х на підкладках SrTiO₃ з різною орієнтацією осі “С” кристала відносно підкладки, яка дозволяє отримувати плівки з мінімальною кількістю дефектів, високою густиною критичного струму (J_С(77К) ? 3•10⁵А/см² для С ? паралельних плівок та J_С(77К) ? 10⁶А/см² для С ? перпендикулярних плівок) та різкою температурною залежністю опору в області надпровідного переходу. Запропоновано критерій для оцінки якості ВТНП плівок з точки зору болометричних використань, який дозволяє для елементів різної конфігурації оцінювати обмеження виявляльної здатності. Запропонований критерій дозволяє також знайти розміри чутливого елемента болометра, при яких надлишковий шум надпровідникових плівок не є визначальним в обмеженні граничної чутливості. Показано, що незважаючи на різницю в природі та поведінці шумових процесів, для болометричного застосування кристалографічна орієнтація плівок відносно підкладки не є визначальним фактором.

3. Запропоновано та оптимізовано технологію формування болометричних мікроструктур на основі плівок YBa₂Cu₃O_7-Х на підкладках SrTiO₃ з використанням електронно-променевої літографії та хімічного травлення, яка не приводить до деградації надпровідних властивостей ВТНП плівок, забезпечує високу повторюваність надпровідних і геометричних параметрів структур. Запропонована технологія забезпечує точність формування геометрії з відхиленням розмірів від заданих не більше 2 % та може бути основою для створення як поодиноких, так і великоформатних багатоелементних болометричних детекторів.

4. Запропоновано та обгрунтовано новий спосіб формування ІЧ зображення теплових об'єктів за допомогою широкоформатної ВТНП болометричної структури, заснований на локалізації та переміщенні на її поверхні області невеликих розмірів з високою чутливістю до зовнішнього випромінювання за допомогою додаткової просторово обмеженої теплової дії. Запропонований спосіб набув подальшого розвитку у напрямку побудови багатоелементного болометричного детектора, в якому окремі чутливі елементи формуються на ділянках суцільної ВТНП структури з геометрією у формі смужки чи меандру, яка знаходиться у надпровідному стані, у вигляді резистивної області з різкою температурною залежністю електричного опору за допомогою лазерного зонду. Сканування ВТНП структури лазерним зондом забезпечує переміщення вказаної чутливої області вздовж рядків зображення, а при подачі напруги зсуву на кінцях структури з'являється електричний сигнал, промодульований по амплітуді, огинаюча якого повторює просторове розподілення інтенсивності випромінювання теплового об'єкта, який реєструється. Виготовлення таких пристроїв не потребує складних специфічних технологічних процесів та широкомасштабного застосування мікроелектронної технології. При цьому суттєво спрощується організація опитування окремих елементів, яка не потребує великої кількості електричних з'єднань між матрицею детекторів та мультиплексором. Для формування ІЧ зображення може використовуватись тільки два електричних з'єднання з приймальною ВТНП структурою. Показано, що гранична чутливість кожного окремого елемента в основному визначається шумом теплопровідності тільки локальної виділеної області та надлишковим шумом усієї ВТНП структури. Для досягнення максимальної чутливості має бути мінімізований тепловий зв'язок виділеної області, а якість ВТНП плівки повинна забезпечувати низький рівень надлишкового шуму. Показано, що для багатоелементного детектора з розглянутим принципом роботи на основі плівок YBa₂Cu₃O_7-Х на підкладці SrTiO₃ може бути реалізована виявляльна здатність D^* ? 5•10⁹ см•Гц^1/2/Вт на елемент.

5. Теоретично встановлено часові та просторові залежності розтікання температурного рельєфу (теплової дифузії) вздовж приймальної площини системи плівки YBaCuO на підкладці SrTiO₃ при поглинанні зовнішнього випромінювання. Визначені обмеження просторової розрізняльної здатності багатоелементного детектора з виділенням (опитуванням) чутливих елементів за допомогою лазерного зонду. Встановлено, що мінімальний лінійний розмір чутливої області, яка формується за допомогою лазерного зонду, з урахуванням розсіювання ІЧ випромінювання від теплового об'єкта типовою оптичною системою та довжини теплової дифузії, має складати 86 мкм та обмежує просторову чутливість. Теоретично виявлено оптимальні енергетичні та часові параметри лазерного зонду, необхідні для ефективного поелементного зчитування інформації про просторове розподілення інтенсивності випромінювання теплового об'єкта. Чисельно досліджена залежність теплового зв'язку між сусідніми елементами при їх опитуванні від частоти опитування. Показано, що тепловий зв'язок, який виявляється в наявності температурного градієнту на відстані від чутливої області, яка опитується, внаслідок розтікання температури локального перегріву, створеного лазерним зондом, може бути мінімізований при збільшенні частоти опитування. Для реальної системи визначено, що частота опитування, при якій взаємний тепловий зв'язок не перевищує еквівалентних температурних флуктуацій приймальної площини, відповідних шуму, має бути більше 24 кГц.

6. Вперше експериментально реалізовано та досліджено скануючий багатоелементний ВТНП болометричний детектор ІЧ випромінювання на основі суцільної структури YBa₂Cu₃O_7-Х на підкладці SrTiO₃ з поелементним зчитуванням інформації за допомогою лазерного зонда. Показана можливість створення завершених багатоелементних перетворювачів ІЧ зображення на основі ВТНП. Встановлено, що досліджувана болометрична структура з геометрією у формі меандру площиною 1,5 х 1,5 мм, який являє собою 23 смужки ВТНП шириною 50 мкм з зазором між ними 10 мкм, еквівалентна матриці детекторів форматом 12 х 14 елементів розміром 95 х 95 мкм. Встановлено, що реалізована виявляльна здатність локальних елементів D^*=1,3•10⁸см•Гц^1/2/Вт обмежується надлишковими шумами та може бути поліпшена при використанні більш якісних ВТНП плівок.

Набула подальшого розвитку концепція композитної схеми побудови болометричних детекторів, в яких функції приймального та чутливого елементів розділені. Запропоновано та експериментально досліджено багатоелементний ВТНП болометричний детектор форматом 2 х 16 елементів, в якому функції чутливих елементів виконують YBa₂Cu₃O_7-Х плівкові мікротермометри, а поглинальним елементом є підкладка SrTiO₃. Показано, що розділення функцій приймального та чутливого елементів дозволяє підвищити ефективність перетворення ІЧ випромінювання за рахунок зниження теплового зв'язку у результаті зменшення лінійних розмірів мікротермометрів і використання підкладки SrTiO₃, яка має низьку теплопровідність та забезпечує ефективне поглинання випромінювання в широкому спектральному діапазоні. Отримані значення виявляльної здатності D^* ? 10⁹смГц^1/2/Вт та розкиду її значень 22 % дозволяють зробити висновок про перспективність застосованого підходу для побудови багатоелементних ВТНП болометричних детекторів.

Запропоновано та експериментально реалізовано метод визначення коефіцієнта поглинання випромінювання композитних болометричних елементів шляхом вимірювання потужності його власного випромінювання іншим ІЧ-детектором. Запропонований метод дозволяє уникнути принципових труднощів реалізації вимірювань з використанням існуючих стандартних методів для болометричних структур з просторово неоднорідним поглинанням.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Гордиенко Э.Ю., Ефременко В.Г., Слипченко Н.И., Пишко В.В. Высокотемпературный сверхпроводниковый болометрический приемник с оптоэлектронным сканированием // Радиотехника. - 2004. - N139. - С.120?124.

2. Гордиенко Э.Ю., Слипченко Н.И., Гарбуз А.С. Высокотемпературные сверхпроводниковые микротермометры для многоэлементных приемников ИК излучения // Радиоэлектроника и информатика. - 2002. - N3. - С.38?41.

3. Гордиенко Э.Ю., Ефременко В.Г., Новосад В.А. Технология изготовления высокотемпературного сверхпроводникового микроболометра // Технологии приборостроения. - 2003. - N1. - С.15?17.

4. Гордиенко Э.Ю. Экспериментальное определение поглощательной способности комбинированных высокотемпературных сверхпроводниковых болометрических детекторов // Радиотехника. - 2002.? N130. - С.204?207.

5. Yefremenko V., Gordiyenko E., Shustakova G., Bader S.D., Novosad V. Superconducting microbolometer with controllable coordinate sensitivity; An alternative approach to FPA design // Proc. SPIE. - 2005. -V.5783. - p.967?973.