DE2740385A1

DE2740385A1 - Strahlungsempfaenger

Info

Publication number: DE2740385A1
Application number: DE19772740385
Authority: DE
Inventors: Robert Jacob Von Gutfeld
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1976-12-20
Filing date: 1977-09-08
Publication date: 1978-06-29
Also published as: FR2374745B1; US4072864A; FR2374745A1; CA1085966A; JPS5376778A; GB1538824A

Description

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Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 1O5O4 bu/bm

Strahlungsempfänger

Die Erfindung betrifft eine Anordnung wie sie dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu entnehmen ist.

Die Veröffentlichung "Enhancement of Transverse Thermoelectric Voltages in Thin Metallic Films" von Gutfeld und Caswell in "Applied Physics Letters", Bd. 25, Nr. 12, 15, Dez. 1974, Seiten 691 bis 693 bringt eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme, die hier unter Fig. 1 gezeigt ist und das Ergebnis des Aufdampfens von Molybdän auf ein Substrat zeigt, das während des Aufdampfvorgangs in einem Winkel von 70° mit Bezug auf die Horizontale geneigt angeordnet gewesen ist. Die reihenweise angeordneten Zacken bilden eine Struktur, die die einzelnen Zacken, sich in einer Größenordnung von 1000 A in die Tiefe und von 300 A seitlich erstreckend, deutlich in Erscheinung treten läßt, wobei sie annähernd um den gleichen Betrag voneinander getrennt sind. Diese reihenweise angeordneten Zacken zeigen in Richtung des Partikeleinfalls bei der vorausgegangenen Aufdampfung. Es besteht Grund zur Annahme, daß sich die Zackenstruktur bis zum Substrat erstreckt.

In der Veröffentlichung "Temperature Dependence of Transverse Planar Voltages in Laser-irradiated Pt und Pd Films" von Gutfeld und Tynan, "Applied Physics Letters", Bd. 26, Nr. 12, 15 Juni 1975, Seiten 6ΘΟ bis 682 ist eine Hypothese angegeben, die erklärt, auf welche Heise schräg-aufgedampfte Molybdän-Dünnfilme unter Laserstrahleinwirkung anisotrope planare Transversal-Thermokräfte auszulösen vermögen. In der zuletzt genannten Veröffentlichung wird fernerhin darauf hingewiesen, daß die Struktur eines schräg-aufgedampften Dünnfilms als

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Modell durch eine große Anzahl sehr dünner Metallzackenreihen
(Fig. 2A), die parallel zueinander verlaufen, dargestellt werden können. Hierbei ist angenommen, daß das Material in seiner Zusammensetzung für die Zackenreihen und Zwischenräume in seiner Zusammensetzung variiert; und zwar ausgehend von der Überlegung, daß mehr Sauerstoffatome im Bereich zwischen den Zackenreihen als in den Zackenreihen selbst eingefangen werden.
Ein Modell, das auf einer Zusammensetzungs- und Temperaturperiodizität in der Ebene des Aufdampfungsniederschlags
beruht, ist in den Darstellungen der Fign. 2A bzw. 2B angedeutet. Die Pfeile in Fig. 2A deuten dabei eine Lasereinstrahlung an. In beiden Darstellungen stellen die Bereiche A die
durch Schrägeinfall hervorgerufenen Zackenreihen dar. Die Zwischenraumbereiche zwischen den Zackenreihen sind mit B bezeichnet. Bei einer derartigen Struktur sind dann auch die sich ergebenden Thermokraft-Anteile ebenfalls periodisch, wenn erstens eine erhöhte Fehlordnung aufgrund der eingefangenen Sauerstoffmoleküle im Bereich B im Vergleich zu der des Bereichs A
aufgrund des höheren Verhältnisses des restlichen Sauerstoffs
gegenüber den Metallatomen während des vorangegangenen Niederschlags zu verzeichnen ist und/oder zweitens ein Erhöhen der
Abmessungseffekte für die dünneren Bereiche B im Vergleich zu
Bereichen A festzustellen ist.

Für die periodische Temperaturfluktuation des in Fig. 2A angedeuteten Modells (asymmetrisch bezüglich der Mittellinie des
Bereichs A) entspricht jedes Streifenelement AB einem Mikrothermoelernent, so daß sich für die Gesamtthermokraft ergibt:

V - nL (S_A -S_B) (T₁ -T₀) (1)

Hierin bedeuten:

η die Anzahl der Zackenreihen pro Längeneinheit

L die durch das Laser-Licht erfaßte transversale Länge

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S_Ä und S_ die Thermokräfte der Bereiche A bzw. B.

Transversale periodische Temperaturfluktuationen haben sich unter Anwenden eines elektrostatischen Analogverfahrens empirisch erschließen lassen. Der Wert T₁ -T_Q ist auf dem Grund des Bereichs A gemessen und zwar von links nach rechts im Modell nach Fig. 2A. T. ist, wie gezeigt, größer als T_Q, da die Spitze dem der Strahlung R ausgesetzten Zackenende relativ nahe liegt. Die Differenz T₁ -T beträgt wie sich herausgestellt hat etwa 5 % der Temperaturdifferenz zwischen Kamm und Grund einer Zackenreihe, bei Zackenreihen die gegenüber der normalen Richtung um 60° geneigt sind. Ist diese Neigung O, dann ist die Temperaturdifferenz T₁ -T_ und der daraus resultierende Wert V ebenfalls 0. Die Gleichung (1) führt zu Werten für V, die mit denen bei Raumtemperatur beobachteten konsistent sind und nahe den Phononen-Abbremsspitzen für den Differenzwert S_A -S_D = AS in der Größenordnung von 1 .«V/K bei

Ad I

Platin liegen. Bei Raumtemperatur führt diese Differenz, die nur von Abmessungseffektmessungen bei Platin abgeleitet ist, zu einem Differenzwert AS^O,7 μ V/K bei Platindünnfilmen. Die empirisch ermittelte Thermokraftänderung bei Raumtemperatur unter dem Einfluß von O₂ in einem Vanadiumblock beträgt etwa 0,3 -μ V/K · Atom-Gew.% von 0«. Eine Änderung gleicher Größenordnung läßt sich für Platin im Bereich B erwarten. Eine quantitative Abschätzung für As bei niedrigen Temperaturen ist schwierig aufgrund des Fehlens von Daten entsprechender Dünnfilme sehr geringer Abmessungen. Ganz allgemein läßt sich sagen, daß Fehlordnungsstreuprozesse, die üblicherweise erhaltene Phononenabbremsungsthermokraft herabsetzen. Eine entsprechende Abnahme sollte speziell im Bereich B auftreten.

Es ergibt sich somit, daß die Zackenreihen offensichtlich Serien mikroskopischer Thermoelemente darzustellen scheinen, die in sehr langen Serienanordnungen hintereinandergeschal-

tet sind, so daß hierdurch eine nennenswerte Thermokraft YO 976 039

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herbeigeführt wird.

In der deutschen Offenlegungsschrift 2417 004 ist eine Photozelle beschrieben, bei der ein dielektrisches Substrat mit einem Dünnfilmniederschlag eines Metalls hohen Schmelzpunktes wie Mo oder W überzogen ist, so daß Anisotropie auftritt. Ein Paar elektrischer Anschlußkontakte ist an zwei Punkten dieses Dünnfilmniederschlags angebracht. Ein Laser-Lichtimpuls wird auf die Dünnfilmoberfläche zum Einfluß gebracht, so daß ein entsprechend hoher Spannungsimpuls an den Anschlußkontakten auftritt, wobei die Amplitude proportional der des einfallenden Lichtimpulses ist.

In einer Veröffentlichung "Phonon-induced planar voltages in thin metallic films" von Gutfeld, Tynan und Budd, in "Applied Physics Letters", Bd. 2, 15, Januar 1976, Seiten 78 bis 80, wird gezeigt, daß jede Energie die Phononen hervorzurufen vermag, wie z.B. Licht, Wärme oder eine andere Strahlungsenergieart/· eine transversale Thermokraft in schräg-aufgedampften Dünnfilmen herbeizuführen im Stande ist. Im übrigen sind bereits unter Schrägbedampfung hergestellte Halbleiterdünnfilme bekannt, die bei optischer Einstrahlung photoelektrisches Verhalten zeigen. In der zuletztgenannten Veröffentlichung wird jedoch klargestellt, daß bei metallischen Dünnfilmen anstatt eines optischen Effektes der Wärmeeffekt die bedeutsame Rolle spielt.

In der deutschen Offenlegungsschrift 2056 228 ist eine Strahladressierbare Speicher- und Bildschirmröhre gezeigt, bei der jedem Speicherelement ein Löschelement zugeordnet ist, das durch einen entsprechend gerichteten Strahl anregbar ist. Die von einem jeweiligen Löschelement bei Anregung abgegebene Energie wird dann in das zugeordnete Speicherelement eingekoppelt, so daß sich dessen Speicherungszustand ändert. Bei dieser bekannten Anordnung bedient man sich also zweier

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benachbarter Materialschichten, von denen eine durch einen einfallenden Energiestrahl wie z.B. Licht anregbar ist, um seinerseits Energie, im allgemeinen in Form von Wärme oder Licht, bereitzustellen. Die so bereitgestellte Energie in Form von Wärme oder Licht, wird dann direkt in das jeweils zugeordnete Speicherelement eingekoppelt, um dessen Speicherungszustand zu ändern. Bei dieser bekannten Anordnung jedoch sind die jeweils zugeordneten Bildpunktelemente nicht aus gleichem Material vorgesehen, ganz abgesehen davon, daß keine transversale Thermokraft bereitgestellt wird.

Des weiteren ist angestrebt worden, die Ausbeute eingangs genannter Bauelemente dadurch zu verbessern, daß die Dicke der schräg-aufgedampften Dünnfilme erhöht wird. Es zeigt sich jedoch, daß größere Dicken den jeweiligen Abstand zwischen den Zackenreihen aus Metall verringern, so daß der thermo-elektrische Effekt überhaupt zum Erliegen kommt. Besitzt der Dünnfilm einmal eine Stärke von etwa 1500 8, dann ergeben sich für darüberhinausgehende Dickenabmessungen bis zu etwa 50OO Ä praktisch keine Spannungsänderungen mehr, während bei Dicken, die größer als 5000 A* sind, die oben erwähnte Spannungsabnahme aufgrund der Abstandsverringerungen zwischen den Zackenreihen zu verzeichnen ist.

Unter diesen Voraussetzungen besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen Strahlungsempfänger bereitzustellen, der nicht nur eine höhere Ausbeute als bisher bietet, sondern auch im Ansprechen äußerst empfindlich ist und dabei auch unter Hochtemperaturbedingungen zu zufriedenstellenden Ergebnissen führt; insbesondere soll der Empfindlichkeitsbereich bei Wellenlängen zwischen O,33 bis 10,6 um liegen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst wie es dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 zu entnehmen ist. Gemäß der Erfindung ist demnach ein Substrat bestehend aus einem

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thermisch leitenden dielektrischen Material mit einem ersten Dünnfilmniederschlag, elektrisch und thermisch leitenden Materials, überzogen, das außerdem eine induzierte Anisotropie aufweist. Hierüber ist ein zweiter Dünnfilmniederschlag, bestehend aus elektrisch-isolierendem jedoch thermisch-leitendem Material, aufgebracht. Ein dritter Dünnfilmniederschlag, bestehend ebenfalls aus elektrisch und thermisch-leitendem Material, mit induzierter Anisotropie überdeckt den zweiten Dünnfilmniederschlag. Der erste und der dritte Dünnfilm sind elektrisch mit zumindest einem Paar von Anschlußkontakten verbunden, so daß aufgrund der transversalen Thermokraft zwischen diesen Anschlußkontakten bei Anregung ein elektrisches Spannungssignal auftritt. Die Anregung erfolgt durch Einwirken äußerer Energiequellen, die einen Temperaturgradienten in Richtung der Normalen der Dünnfilmoberflächen herbeizuführen vermögen.

Das elektrisch leitende Material besteht gemäß der Erfindung vorzugsweise aus Metall. Ein hierzu vorteilhaftes Metall sollte einen hohen Schmelzpunkt aufweisen und der Gruppe der übergangselernente zugeordnet sein. Geeignete Metalle bestünden demnach aus Titan, Vanadium, Chrom, Kobalt, Nickel, Eisen, Tantal, Wolfram, Dran, Osmium, Indium, Platin und Molybdän.

In vorteilhafter Heiterbildung der Erfindung wird besagter Temperaturgradient herbeigeführt, indem die Laminatoberfläche örtlich aufgeheizt wird, wobei hierzu in vorteilhafter Weise ein Laserstrahl, ein Elektronenstrahl oder irgendeine andere geeignete Strahlungsquelle, die zur Erzeugung von Phononen geeignet ist, herangezogen werden kann.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die elektrisch-leitenden Dünnfilmniederschläge durch Schrägeinfall der Metallpartikel beim Aufdampfen aufgebracht, so daß hierdurch eine transversale Thermokraft angeregt wird, wenn ein

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Temperaturgradient vorzugsweise Im wesentlichen in Richtung der Normalen der Dünnfilmoberflächen zur Einwirkung gebracht wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird anschließend anhand einer Ausführungsbeispiel sbeschreibung mit Hilfe der unten aufgeführten Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Rasterelektronenmikroskopbild eines thermoelektrischen Dünnfilms, bestehend aus einem Molybdänniederschlag auf einem Substrat, hergestellt bei Schrägbedampfung von 70°,

Fig. 2A ein Modellschema für die Zackenreihen des aufgedampften Metalls unter Einfluß einer Energiestrahlung ,

Fig. 2B eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung der Temperaturschwankungen in Längsrichtung zum in Fig. 2A gezeigten Modell,

Fig. 3 ein Laminat aus aufeinanderfolgend schräg-aufgedampften Dünnfilmen, die jeweils durch eine aufgedampfte dielektrische Schicht voneinander elektrisch-isoliert angeordnet sind,

Fig. 4 ein erfindungsgemäßes Laminat aus Dünnschichten, die alle aus einer einzigen Richtung schräg aufgedampft sind,

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Fig. 5 ein Laminat, bei dem die elektrisch-leitenden Dünnfilme jeweils aus abwechselnden Richtungen schräg aufgedampft sind.

Das in Fig. 3 gezeigte Laminat besteht aus einem dielektrischen Substrat 10 wie Saphir, Quarz, Hartglas und dergleichen, welches thermisch-leitend ist. Ein Dünnfilmniederschlag 12 mit einer Dicke von 1500 A ist unter Schrägbedampfung auf das Substrat 10 in an sich bekannter Weise aufgebracht. Die Aufdampfung geschieht mit Hilfe eines Induktionsofens, eines Elektronenstrahls oder anderer Vakuumverdampfungsanordnungen und zwar ausgehend von einer einzigen, fest umgrenzten Quelle wie z.B. von einem Tiegel oder Schiffchen unter einem im wesentlichen einzigen Winkel der Sichtlinie von der Quelle zum Substrat, so daß die Schrägbedampfungsablagerung relativ gleichförmig über dem gesamten Substrat erfolgt. Vorzugsweise ist das Substrat mit Bezug auf die horizontale Orientierung um einen Neigungswinkel von etwa 60 bis 70° gekippt.

Ein zweiter Dünnfilm mit geringerer Stärke, bestehend aus elektrisch-isolierendem Material oder einem Dielektrikum 14, wird dann mit einer Stärke von 300 bis 500 8 unter Einfall in Richtung der Oberflächennormalen durch entsprechende Substratdrehung in der Vakuumkammer in die Horizontale auf den Dünnfilmniederschlag 12 durch Vakuumaufdampfung vorzugsweise in der gleichen Vakuumkammer, jedoch von einer getrennten VerdampfungsguelIe, aufgebracht, indem entsprechende Masken über dem Verdampfungsniederschlag 12 durch Steuerung von außerhalb der Vakuumkammer zur Einwirkung gebracht werden. Der dielektrische Dünnfilm 14 ist ein guter Wärmeleiter und kann aus einem Material wie Perylen, Siliciumdioxid oder Siliciummonoxid bestehen.

Der anschließend aufgebrachte Niederschlag 16 ist ein zweiter unter Schrägbedampfung im Vakuum niedergeschlagener

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Dünnfllm, nachdem selbstverständlich das Substrat 10 wiederum um den entsprechenden Neigungswinkel in der Vakuumkammer gekippt ist. Auch bei diesem Dünnfilm beträgt die Stärke etwa 1500 α, indem eine andere Oberzugsmaske über die zuvor niedergeschlagene dielektrische Schicht 14 zur Einwirkung gebracht worden ist.

Hierauf wird dann wiederum eine dielektrische Dünnschicht 18 vorzugsweise von 500 A* Dicke unter Vakuumaufdampfung bei Einfallswinkel in Richtung der Normalen aufgebracht, nachdem natürlich zuvor das Substrat IO wiederum in die Horizontallage zurückgekippt worden ist. Zuvor ist jedoch eine entsprechende Maske oberhalb der Dünnschicht 16 angebracht.

Auf den dielektrischen Dünnfilm 18 wird dann in gleicher Weise wie zuvor, ebenfalls unter Anwenden einer entsprechenden Maske, der Dünnfilra 2O mit geringster Flächenausdehnung des Laminats unter entsprechender Schrägbedampfung aufgebracht.

Die in Fig. 3 gezeigte Struktur besteht demnach aus einem Laminat mit einigen unter Schrägeinfall aufgedampften thermoelektrischen Dünnfilmen, die gegenseitig voneinander elektrisch-isoliert angeordnet sind, so daß die Absorption eines optimalen Anteils der von der Strahlungsquelle 22 zur Einwirkung gebrachten Energie absorbiert wird und hierbei ein thermischer Gradient in Richtung der Normalen zur Substratoberfläche hervorgerufen wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel wirkt dann das Substrat 10 als Wärmesenke. Jedoch läßt sich ι das Substrat 10 umgekehrt auch als Wärmequelle verwenden. In ^! diesem Falle gelangt dann die Strahlungswärme von Substrat 10 der Reihe nach durch die Dünnfilme 12, 16, 18 und 20, wobei der gleiche thermoelektrische Effekt herbeigeführt wird. Für die Erfindung ist es in jedem Falle von Bedeutung, daß ein Wärmegradient zur Herbeiführung der Thermokraft existiert bzw. dieser zugrunde liegt.

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Die Strahlungsquelle 22 kann durch einen Laser, einer Elektronenstrahlquelle oder einer Infrarotlichtquelle und dergleichen dargestellt sein. Die notwendige und hinreichende Bedingung für eine derartige Strahlungsquelle 22 besteht darin, daß sie in der Lage sein muß, einen Wärmegradienten im Laminat herbeizuführen, der von der Oberfläche zum Substrat bzw. umgekehrt im in Fig. 3 gezeigten Strahlungsempfänger hervorzurufen. Anstelle der oben angegebenen Masken zur Herstellung des Substrats lassen sich auch verschiebbare Blenden anwenden, um das gezeigte abgestufte Laminatmodell zu erhalten, das für die Erfindung insofern vorteilhaft und bedeutsam ist, als die hierdurch freigelassenen Bereiche auf den einzelnen Dünnfilmen zum Anbringen von Anschlußkontakten vorteilhaft sind; ganz abgesehen davon, daß sich hierdurch auch ungewollte Kurzschlüsse zwischen den einzelnen, elektrisch-leitenden Dünnfilmen vermeiden bzw. ausschließen lassen. Der jeweils unter Normalen-Richtungseinfall aufgebrachte dielektrische Dünnfilm von etwa 5OO Ä Dicke gewährleistet jeweils eine vernünftige Oberflächenglätte zum unmittelbar darauffolgenden Niederschlag unter Schrägeinfall des elektrisch und thermisch-leitenden Dünnfilms.

Der Dünnfilm 12 ist auf gegenüberliegenden Seiten mit den Anschlußkontakten 8 versehen, die ihrerseits mit den Anschlußleitungen 24 bzw. 25 verbunden sind. Die Anschlußkontakte 8 sind vorzugsweise mittels ültraschallötung unter Verwendung eines etwa O,125 mm starken Indiumkupferdrahtes angelötet. In gleicher Weise ist der Dünnfilm 16 über hierauf angebrachte Anschlußkontakte 8 mit den Anschlußleitungen 26 und 27 und der Dünnfilm 2O über hierauf angebrachte Anschlußkontakte 8 mit den Anschlußleitungen 28 und 29 verbunden. In einer Alternativausführung können die Endflächen der Dünnfilme mit Silberoder Aluminiumauflagen versehen sein, an die dann die elektrischen Zuführungsleitungen in üblicher Weise anzubringen sind. Die Anschlußleitungen 24, 26, 28, 29, 27 und 25 lassen

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sich in gewünschter Weise miteinander zum Erzielen einer maximalen Spannung bzw. eines maximalen Stromes miteinander verbinden, je nachdem, wie die relativen Sehrägeinfallsbedampfungswinkel, wie noch im Zusammenhang mit den Pign. 4 und 5 näher erläutert, hierbei berücksichtigt werden.

Ein derartig aufgebauter Strahlungsempfänger ist, wie sich gezeigt hat, empfindlich auf elektro-magnetische Strahlung im Spektralbereich von mindestens 0,33 um bis mindestens 1O,6 um Wellenlänge.

Fig. 4 stellt ein Beispiel eines Dünnfilmlaminats dar, bei dem alle Schrägaufdampfungsdünnschichten unter gleichem Einfallswinkel niedergeschlagen sind. Hierbei sind vier alternierend vorgesehene Metalldünnfilme zur Bildung des Strahlungsempfängers aufgebracht, nämlich die Dünnfilme 12', 16', 2O' und 32', die durch die Isolationsfilme 14', 18' und 30' elektrisch voneinander isoliert sind.

Zum Erzielen einer maximalen Spannung ist die Hintereinanderschaltung der Anschlußleitungen A, A', A", A'", B, B', B" und B'" erforderlich, indem nämlich der Anschlußkontakt A mit dem Anschlußkontakt B* der Anschlußkontakt A' mit dem Anschlußkontakt B" der Anschlußkontakt A" mit dem Anschlußkontakt B¹" verbunden wird. Auf diese Weise ergibt sich eine wirksame Ausgangsspannung zwischen den Anschlußkontakten A'" und B von angenähert dem 4-fachen Betrag der Spannung, die sich zwischen den Anschlußkontakten A und B einstellt, also der eines üblichen Strahlungsempfängers.

Fig. 5 zeigt eine ähnliche Laminatstruktur wie die in Fig. 4, wobei jedoch die elektrisch und thermisch-leitenden Dünnfilme abwechselnd unter entgegengesetzt geneigten Aufdampfungswinkeln aufgedampft sind. So sind die Zacken in den Dünnschichten 12" und 20" nach links geneigt, während die Dünnfilme 16" und 32" unter Rechtsneigung aufgedampft sind. Auch hler wiederum

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dienen dielektrische Dünnfilme 14", 18" und 30" zur gegenseitigen Isolierung aufeinanderfolgender metallisch leitender Dünnfilme.

Un eine maximale Spannung von diesem Laminat bei Anregung zu erhalten, sind Verbindungen von den Anschlußkontakten A nach A', B¹ nach B" und A" nach A¹" vorgenommen. Die sich ergebende Spannung wird dann zwischen den Anschlußkontakten A und B'" abgenommen.

In Grenzen der verwendeten Impulslängen, d.h., größenordnungsmäßig eine Mikrosekunde oder mehr, ergibt sich für den Temperaturgradienten im Ansprechen auf einen Laserimpuls, der in Richtung der Normalen auf die Laminatoberfläche zur Einwirkung gebracht wird, die Beziehung:

Hierin bedeuten:

ρ die pro Flächeneinheit einfallende Energie k die mittlere Wärmeleitfähigkeit des Laminats T die Temperatur.

Für die Spannung V eines derartigen Strahlungsempfängers bei Reihenschaltung der einzelnen Dünnfilme, wie oben angegeben, ergibt sich angenähert:

VaßVT = β p/k Hierin bedeuten:

β das Verhältnis der effektiven Metalldicke zur Gesamtdicke, in der der Wärmegradient zur Ausbildung gelangt.

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Unter der Beschränkung auf einen gleichförmigen Gradienten wird die Ansprechempfindlichkeit eines derartigen Strahlungsempfängers angenähert mit der Anzahl der Dünnfilme bei Serienschaltung erhöht. Ein derartiges Resultat ist völlig unterschiedlich von einem solchen, daß sich bei einem einfachen metallischen Dickfilm ergibt, da

1. sich die Reihenstruktur der Dickfilme nicht über die gesamte Filmtiefe erstreckt,

2. die Spannung eines derartigen Dickfilms nicht mit ansteigender Dicke anwächst, wenn τ als Filmdicke etwa 1500 A übersteigt.

In dieser Beziehung wird darauf hingewiesen, daß eine Laminatstruktur wie sie in Fig. 5 gezeigt ist, eine Serienschaltung der einzelnen Dünnfilme in besonders vorteilhafter Weise gestattet. Im letztgenannten Ausführungsbeispiel sind alternierend entgegengesetzte Zackenneigungen in der Zeilenstruktur für aufeinanderfolgende elektrisch und thermisch-leitende Dünnfilme gezeigt, wobei alle Zwischenverbindungen ohne Anschlußüberkreuzungen möglich sind.

Das zur Schrägaufdampfung der Dünnfilme verwendete Metall besteht vorzugsweise aus einem Ubergangselement mit hohem Schmelzpunkt. Geeignete Metalle hierfür sind: Titan, Vanadium, Chrom, Kobalt, Nickel, Eisen, Tantal, Wolfram, Uran, Osmium, Indium, Platin und Molybdän.

Die Spannung hierbei ist proportional dem Einfallswinkel beim Aufdampfen des jeweiligen Dünnfilms und dem Wärmegradienten zwischen Ober- und Unterseite des Dünnfilms. Darüber hinaus wird dieser Dünnfilm weniger haftfähig, wenn der Neigungswinkel beim Aufdampfen oberhalb von etwa 70°, gerechnet von der Vertikalen zur Substratoberfläche, liegt. Oberhalb von 70° folgen nämlich die Zackenreihen nicht sehr gut der Aufdamp-

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fungsstrahlrichtung. Ein Aufdampfungswinkel von 60 ist zweckmäßig und liefert gute Resultate.

Es hat sich gezeigt, daß die erfindungsgemäßen Strahlungsempfänger äußerst gut für Hochtemperaturmessungen in entsprechender Umgebung geeignet sind, da die verwendeten Materialien gerade für solche Umgebungsbedingungen sehr viel besser sind als übliche Strahlungsempfänger.

Spannungen aufgrund der transversalen Thermekraft sind bei erfindungsgemäß hergestellten Strahlungsempfängern an Zuführungen eines Laminats, bestehend aus zwei Molybdän-Dünnfilmen, die durch eine dielektrische Siliciumdioxidschicht elektrisch voneinander isoliert angeordnet sind, gemessen worden. Die aufgedampften Molybdän-Dünnfilme waren jeweils etwa 4000 A* dick und der aufgesprühte Siliciumdioxid-Dünnfilm hatte eine Dicke von etwa 60OO A*. Eine derartige Laminatstruktur gestattete optische Abtastung mit einem fokussierten Laserstrahl sowohl auf der unteren Schicht als auch auf der oberen Schicht des Laminats entweder unabhängig voneinander oder bei beiden gleichzeitig. Der untere Dünnfilm war rechteckig und etwas größer in seinem Flächenbereich als der obere Dünnfilm, so daß sich Teile des unteren Dünnfilms weit über den Rand des kleinflächigeren oberen Dünnfilms hinaus erstreckten. Auf diese Weise war es möglich, den Laserstrahl auf einen kleinen Flächenteil oder Fleck des unteren Dünnfilms zu richten, ohne daß der obere Dünnfilm gestreift bzw. aufgeheizt wurde. Außerdem war es bei Einstrahlung des oberen Dünnfilms möglich, beide Dünnfilme gleichzeitig anzuregen, um eine thermo-elektrische Spannung zu erzeugen. Unter Überwachung der Ausgangsspannung von jedem Dünnfilm hatte sich gezeigt, daß für die speziell verwendete Struktur der obere Dünnfilm zweimal so empfindlich war als der untere. Der Grund hierfür war nicht im Vorhandensein des SiIiciumdioxid-Dünnfilms zu suchen, da andere Experimente mit Siliciumdioxidüberzug über Schrägaufdampfungsdünnfilmnieder-

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schlage keine irgendwie geartete Beeinträchtigung beim Schräg auf dampfungsdünnfilm zeigten. Die festgestellte Abweichung lag sicherlich innerhalb des Experimentierfehlerbereichs, wobei unter Umständen auch ein umgekehrtes Resultat vorgelegen haben könnte. Waren beide Dünnfilme jedoch in Serie geschaltet und wurde ein derartiges Laminat von obenher bestrahlt, dann addierten sich die einzelnen Spannungen, so daß sich eine entsprechend erhöhte Ausgangsspannung ergab. Dieser Effekt tritt auf bei Einstrahlung durch Lichtimpulse, die zur Einstellung eines Gleichgewichtszustandes hinreichend lang sind, so daß angenähert ein konstanter Temperaturgradient in Richtung der Normalen zur Oberflächenebene der Struktur herbeiführbar ist; nämlich entsprechend der Beziehung:

p/K

Bei Raumtemperatur erfordert dies Impulse mit einer Dauer in der Größenordnung von wenigstens 100 NanoSekunden, damit sich der angestrebte Gradient in einer 15 um dicken Laminatstruktur herbeiführen läßt. In untenstehender Tabelle sind die Daten für eine derartige Laminatstruktur angegeben, wobei die Spannungen auf verschiedene Weise gemessen wurden und die einfallende Leistung 100 mW bei 6471 8 Wellenlänge bei den drei verschiedenen Messungen nämlich 1, 2, 3 betrug.

Licht nur auf unterem Film

Licht oben; gemessen unten

Licht auf oberem Filnwgemessen an oberem Film

zwei Filme in Serie geschaltet

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TABEL LE

(D (2) (3)

2,5«V+O,2 2,5pV+O,2 2,5pV+O,2

2,5μν+Ο,2 2,OuV+O,2 2,OuV+O,2

4,6uV+O,2 4,8μν+Ο,2 4,8μν+Ο,2

6,8μν+Ο,4 6,8μν+Ο,2 6,8μν+Ο,2 809826/0491

Leerseite

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Strahlungsempfänger unter Verwendung eines auf einem isolierenden Substrat niedergeschlagenen, elektrisch und thermisch leitenden Dünnfilms mit induzierter Anisotropie, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisch isolierender, thermisch leitender zweiter Dtinnfilm (14) den obengenannten ersten Dünnfilm (12) überdeckt, daß ein elektrisch und thermisch leitender dritter Dünnfilm (16) mit induzierter Anisotropie auf den zweiten Dünnfilm (14) aufgebracht ist usw., und daß der erste (12), dritte (16), usw. Dünnfilm jeweils über ein Anschlußkontaktpaar (28, 29; 24, 25) bzw. (26, 27) elektrisch miteinander verbunden sind, um bei Anregung des Strahlungsempfängers jeweils ein elektrisches Signal bereitzustellen, indem ein Temperaturgradient in den Dünnfilmen in Richtung der Normalen der Dünnfilmoberflächen herbeifuhrbar ist.
2. Strahlungsempfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch und thermisch leitenden Dünnfilme (12, 16, 20) aus Metall bestehen.
3. Strahlungsempfänger nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Hervorrufen des Temperaturgradienten gerichtete Strahlungsquellen (22) zum örtlichen Aufheizen des obersten Dünnfilms (20) dienen.
4. Strahlungsempfänger nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Hervorrufen des Temperaturgradienten ein Wärmefluß ausgehend vom Substrat (10) in Richtung auf die Dünnfilme ausnutzbar ist, wobei das Substrat (10) aus elektrisch-isolierendem, dielektrischen Material mit zumindest mittlerer Wärmeleitfähigkeit besteht.

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5. Strahlungsempfänger nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (12), dritte (16) usw., Dünnfilm jeweils durch Aufdampfen unter Schrägeinfall der Metallpartikel bereitgestellt sind, so daß eine Thermokraft im Ansprechen auf einen zur Einwirkung gebrachten Wärmegradienten im ersten, dritten usw. Dünnfilm in Richtung der Normalen der Dünnschichten hervorrufbar ist.
6. Strahlungsempfänger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß unter Hervorrufen einer transversalen Thermokraft die thermo-elektrische Spannung längs der Richtung des Aufdampfungsschrägeinfalls quer zur Schichterstreckung zur Auswirkung gelangt.
7. Strahlungsempfänger nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall des ersten, dritten usw. Dünnfilms durch ein Übergangsmetall dargestellt ist.
8. Strahlungsempfänger mindestens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (22) zum örtlichen Aufheizen durch einen Laser dargestellt ist.
9. Strahlungsempfänger mindestens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (22) zum örtlichen Aufheizen aus einer Elektronenstrahlquelle besteht.
10. Strahlungsempfänger nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die örtliche Aufheizung des Dünnfilmlaminats unter Einwirken impulsweise zugeführter Strahlungsenergie erfolgt.

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ORIGINAL INSPECTED
11. Strahlungsempfänger nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Ubergangselement für das metallische Material des ersten, dritten usw. Dünnfilms Titan, Vanadium, Chrom, Kobalt, Nickel, Eisen, Tantal, Wolfram, Uran, Osmium, Indium, Platin und/oder Molybdän dienen.
12. Strahlungsempfänger nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtflächengrößen, beginnend vom Substrat (10), nach oben kleiner werden
13. Strahlungsempfänger nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Laminate mit maximal vier voneinander elektrisch isolierter Dünnfilme (12¹, 16', 20', 30'), die elektrisch und thermisch leitend sind, bereitgestellt sind.

YO 976 O39

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