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TECHNISCHER
BEREICH DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein infrarotempfindliches Bolometer
und spezieller ein infrarotempfindliches Bolometer, das ein bolometrisches Zinkoxidelement
enthält.
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STAND DER
TECHNIK
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Ein
Strahlungsdetektor ist eine Vorrichtung, die ein Ausgangssignal
erzeugt, das eine Funktion der Menge an Strahlung ist, die auf einem
aktiven Bereich des Detektors auftrifft. Infrarotempfindliche Detektoren
sind solche Detektoren, die empfindlich sind gegenüber einer
Strahlung im infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums.
Es gibt zwei Arten von infrarotempfindlichen Detektoren, nämlich thermische
Detektoren einschließlich
Bolometern und Photonendetektoren.
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Die
Photonendetektoren funktionieren in Abhängigkeit von der Anzahl an
Photonen, die auf einem Wandlerbereich des Detektors auftreffen
und mit Elektronen darin Wechselwirken. Da sie in Abhängigkeit
von direkten Wechselwirkungen zwischen Elektronen und Photonen arbeiten,
sind die Photonendetektoren kochempfindlich und haben verglichen
mit den Bolometern eine hohe Ansprechgeschwindigkeit. Sie haben
jedoch einen Nachteil insofern, als die Photonendetektoren lediglich
bei niedrigen Temperaturen gut arbeiten, was zu einer Notwendigkeit
führt,
darin ein zusätzliches
Kühlsystem zu
beinhalten.
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Die
Bolometer arbeiten andererseits in Abhängigkeit von einer Änderung
der Temperatur des Wandler- bzw. Umsetzerbereichs des Detektors
aufgrund der Absorption der Strahlung. Die Bolometer liefern ein
Ausgangssignal, d.h. eine Änderung
des Widerstands des Materials (genannt bolometrische Elemente),
das proportional zu der Temperatur des Wandlerbereichs ist.
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Die
bolometrischen Elemente wurden sowohl aus Metallen wie auch Halbleitern
hergestellt. In Metallen beruht die Widerstandsänderung im wesentlichen auf Änderungen
der Trägermobilität, die typischerweise
mit der Temperatur abnimmt. Eine größere Empfindlichkeit kann mit
bolometrischen Halbleiterelementen hohen spezifischen Widerstands
erzielt werden, bei denen die freie Trägerdichte eine Exponentialfunktion
der Temperatur ist.
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In
den 1 und 2 sind eine perspektivische
Ansicht und eine Querschnittsansicht gezeigt, in Darstellung eines
Dreiniveaubolometers 100 nach dem Stand der Technik, das
offenbart ist in der US-Anmeldung mit dem Titel "Bolometer Having An Increased Fill Factor". Das Bolometer 100 umfaßt ein Aktivmatrixniveau
bzw. eine Aktivmatrixebene 110, ein Trägerniveau bzw. eine Trägerebene 120,
ein Paar Stützen 170 und
ein Absorptionsniveau bzw. eine Absorptionsebene 130.
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Das
Aktivmatrixniveau 110 hat ein Substrat 112, das
eine integrierte Schaltung (nicht gezeigt) aufweist, ein Paar Verbindungsanschlüsse 114 und eine
Schutzschicht 116. Jeder der aus Metall hergestellten Verbindungsanschlüsse 114 ist
an der Oberseite des Substrats 112 angeordnet. Die beispielsweise
aus Siliciumnitrid (SiNx) hergestellte Schutzschicht 116 deckt
das Substrat 112 ab. Das Paar Verbindungsanschlüsse 114 ist
elektrisch mit der integrierten Schaltung verbunden.
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Das
Trägerniveau 120 weist
ein aus Siliciumnitrid (SiNx) hergestelltes
Paar Brücken 140 auf,
wobei jede der Brücken 140 eine
an ihrer Oberseite ausgebildete Leitung 165 hat. Jede der
Brücken 140 ist mit
einem Verankerungsabschnitt 142, einem Schenkelabschnitt 144 und
einem erhabenen Abschnitt 146 versehen, wobei der Verankerungsabschnitt 142 ein Durchgangsloch 152 aufweist,
durch das ein Ende der Leitung 165 elektrisch mit dem Verbindungsanschluß 114 verbunden
ist und wobei der Schenkelabschnitt 144 den erhabenen Abschnitt 146 trägt bzw. stützt.
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Das
Absorptionsniveau 130 ist mit einem serpentinenförmigen,
bolometrischen Element 185 versehen, das von einem Absorber 195 umgeben
ist und einer IR-empfindlichen Absorberschicht 197, die oben
auf dem Absorber 195 ausgebildet ist. Der Absorber 195 wird
hergestellt durch Abscheiden von Siliciumnitrid vor und nach der
Ausbildung des serpentinenförmigen,
bolometrischen Elements 185, um das serpentinenförmige, bolometrische
Element 185 zu umgeben. Titan (Ti) wird als Material für das bolometrische
Element 185 gewählt
aufgrund der Leichtigkeit, mit der es ausgebildet werden kann.
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Der
Widerstand in dem bolometrischen Titanelement 185 zeigt,
wie in 3 dargestellt, eine positive, lineare Abhängigkeit
von der Temperatur. Der Temperaturkoeffizient des Widerstands (TCR) des
bolometrischen Titanelements 185 ist 0,25% K–1 bei
300 K.
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Wieder
zurückkehrend
zu 1 und 2, ist jede der Stützen 170 zwischen
dem Absorptionsniveau 130 und dem Trägerniveau 120 angeordnet. Jede
der Stützen 170 weist
einen elektrischen Leiter bzw. eine elektrische Leitung 172 aus
einem Metall wie beispielsweise Titan (Ti) auf und ist umgeben von einem
isolierenden Material 174, das beispielsweise aus Siliciumnitrid
(SiNx) hergestellt ist. Das obere Ende des
elektrischen Leiters 172 ist elektrisch mit einem Ende
des serpentinenförmigen,
bolometrischen Elements 185 verbunden und das untere Ende des
elektrischen Leiters 172 ist elektrisch mit der Leitung 165 auf
der Brücke 140 derart
verbunden, daß beide
Enden des serpentinenförmigen
bolometrischen Elements 185 in dem Absorptionsniveau 130 elektrisch
mit der integrierten Schaltung des Aktivmatrixniveaus 110 über die
elektrischen Leiter 172, die Leitungen 165 und
die Verbindungsanschlüsse 114, verbunden
ist.
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Wenn
es einer Infrarotstrahlung ausgesetzt ist, so erhöht sich
der spezifische Widerstand des serpentinenförmigen bolometrischen Elements 185 und
bewirkt eine dementsprechende Strom- und Spannungsänderung.
Der veränderte
Strom oder die Spannung wird durch die integrierte Schaltung verstärkt, derart,
daß der
verstärkte
Strom oder die Spannung von einer Erfassungsschaltung bzw. Erkennungsschaltung
(nicht gezeigt) ausgelesen wird.
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Es
gibt gewisse Unzulänglichkeiten
im Zusammenhang mit oben beschriebenem Dreiniveaubolometer 100.
Da Siliciumnitrid (SiNx) nur bei relativ hohen
Temperaturen, beispielsweise über
850°C geformt
bzw. ausgebildet werden kann, beispielsweise bei der Ausbildung
des Absorbers 195 aus Siliciumnitrid (SiNx),
wird das das serpentinenförmige,
bolometrische Element 185 bildende Titan (Ti) leicht oxidiert,
was wiederum seinen Temperaturkoeffizienten des Widerstands (TCR)
nachteilig beeinflußt.
Da das bolometrische Element 185 aus einem Titan hergestellt
ist, ist des weiteren die Empfindlichkeit des Bolometers 100 schlechter
als erwünscht.
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Das
Dokument WO 93/09414 offenbart eine pyroelektrische Dünnschichtabbildungsfläche, wobei Zinkoxid
als mögliche
Wahl aus sechs Materialien erwähnt
wird. Das Dokument
US 5,572,029 offenbart einen
thermischen Detektor mit thermischer Isolierung.
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OFFENBAHRUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist daher ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung, ein infrarotempfindliches
Bolometer vorzusehen, das ein bolometrisches Element aufweist, das
bei hohen Temperaturen stabil ist und einen hohen Temperaturkoeffizienten
des Widerstands (TCR) hat.
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In Übereinstimmung
mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein infrarotempfindliches Bolometer
vorgesehen, das umfaßt:
ein Aktivmatrixniveau, das ein Substrat und wenigstens ein Paar Verbindungsanschlüsse aufweist;
ein Trägerniveau, das
mit wenigstens einem Paar Brücken
versehen ist, wobei jede der Brücken
eine Leitung aufweist und ein Ende der Leitung elektrisch mit dem
entsprechenden Verbindungsanschluß verbunden ist; ein Absorptionsniveau
mit einem bolometrischen Zinkoxidelement, das von einem Absorber
umgeben ist; und wenigstens ein Paar Stützen, wobei jede der Stützen zwischen
dem Absorptionsniveau und dem Trägerniveau
angeordnet ist und einen elektrischen Leiter aufweist, der von einem
isolierenden Material umgeben ist, wobei jedes Ende des bolometrischen
Elements des Absorptionsniveaus elektrisch mit dem jeweiligen Verbindungsanschluß über den
entsprechenden elektrischen Leiter und die entsprechende Leitung
verbunden ist.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
obigen und andere Ziele und Merkmale der vorliegenden Erfindung
werden offensichtlich aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsbeispiele
im Zusammenhang mit den beigefügten
Zeichnungen, in denen:
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1 eine
perspektivische Ansicht zeigt unter Wiedergabe eines zuvor offenbarten
infrarotempfindlichen Bolometers;
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2 eine
schematische Querschnittsansicht wiedergibt unter Darstellung des
in 1 gezeigten infrarotempfindlichen Bolometers;
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3 Widerstandsänderungen
in dem bolometrischen Titanelement als Funktion der Temperatur zeigt;
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4 eine
schematische Querschnittsansicht zeigt unter Darstellung eines infrarotempfindlichen
Bolometers in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung; und
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5 Widerstandsänderungen
in dem bolometrischen Zinkoxidelement als Funktion der Temperatur
liefert.
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AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
DER ERFINDUNG
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In
den 4 und 5 sind eine schematische Querschnittsansicht
in Darstellung eines infrarotempfindlichen Bolometers 200 bzw.
Widerstandsänderungen
in dem bolometrischen Zinkoxidelement als Funktion der Temperatur
in Übereinstimmung
mit einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, wiedergegeben.
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Das
in der 4 gezeigte Bolometer 200 umfaßt ein Aktivmatrixniveau 210,
ein Trägerniveau 120,
wenigstens ein Paar Stützen 260 und
ein Absorptionsniveau 230.
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Das
Aktivmatrixniveau 210 hat ein Substrat 212, das
eine integrierte Schaltung (nicht gezeigt) aufweist, ein Paar Verbindungsanschlüsse 214 und eine
Schutzschicht 216. Jeder aus einem Metall hergestellte
Verbindungsanschluß 214 ist
auf der Oberseite des Substrats 212 angeordnet. Das Paar
Verbindungsanschlüsse 214 ist
elektrisch mit der integrierten Schaltung verbunden. Die beispielsweise aus
Siliciumnitrid (SiNx) hergestellte Schutzschicht 216 deckt
das Substrat 212 ab.
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Das
Trägerniveau 220 weist
ein Paar Brücken 240 auf,
die aus einem isolierenden Material, wie beispielsweise Siliciumnitrid
(SiNx), Siliciumoxid (SiO2)
oder Siliciumoxynitrid (SiOxNy)
hergestellt sind, wobei jede der Brücken 240 eine Leitung 255 hat
und die Leitung 255 aus einem Metall wie beispielsweise
Aluminium (Al), Lead (PT) oder Titan (Ti) hergestellt ist und oben
darauf ausgebildet ist. Jede der Brücken 240 ist mit einem
Verankerungsabschnitt 242, einem Schenkelabschnitt 244 und
einem erhabenen Abschnitt 246 versehen, wobei der Verankerungsabschnitt 242 ein
Durchgangsloch 252 aufweist, durch das ein Ende der Leitung 255 elektrisch mit
dem Verbindungsanschluß 214 verbunden
ist, wobei der Schenkelabschnitt 244 den erhabenen Abschnitt 246 trägt.
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Das
Absorptionsniveau 230 ist mit einem bolometrischen Element 285 versehen,
das von einem Absorber 295 umgeben ist, einer reflektierenden Schicht 275,
die am Boden des Absorbers 295 ausgebildet ist und einer
IR-Strahlung absorbierenden Schicht 297, die oben auf dem
Absorber 295 angeordnet ist. Der Absorber 295 ist
aus einem isolierenden Material wie beispielsweise Siliciumnitrid
(SiNx), Siliciumoxid (SiOx)
oder Siliciumoxynitrid (SiOxNy) hergestellt,
das durch eine niedrige Wärmeleitfähigkeit
gekennzeichnet ist. Die reflektierende Schicht 275 ist
aus einem Metall, wie beispielsweise Al oder Pt hergestellt und
wird dazu verwendet, um die übersandte
IR-Strahlung an den Absorber 295 zurückzuführen. Die IR-Strahlung absorbierende
Beschichtung 297 ist aus Schwarzgold hergestellt und wird dazu
verwendet, den Absorptionswirkungsgrad für die einfallende IR-Strahlung
zu verstärken.
Bei Auswahl eines Materials für
das bolometrische Element 285 ist es wichtig, die Materialeigenschaften
in Betracht zu ziehen. Nebendem, daß das Material einen hohen
Temperaturkoeffizienten des Widerstands (TCR) aufweisen muß, muß es bei
hohen Temperaturen stabil sein, da die auf Silicium basierenden
Materialien zur Ausbildung der Bolometer üblicherweise bei hohen Temperaturen
ausgebildet werden. Zu diesem Zwecke wird Zinkoxid als Material
für das
bolometrische Element 285 nach der vorliegenden Erfindung
gewählt.
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Die
Leitfähigkeit
des Zinkoxids (ZnOx) hängt von dessen Dicke und Oxidationsleerstelle
ab. Experimentell wurde herausgefunden, daß der maximale Temperaturkoeffizient
des Widerstands (TCR) erzielbar ist bei einem bolometrischen Zinkoxidelement 285 mit
einer Dicke von 100 Å–10 μm mit einem
Molverhältnis
(x) in einem Bereich von 0,5–1,5.
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5 liefert
graphisch eine Beziehung zwischen dem spezifischen Widerstand und
der Temperatur des bolometrischen Zinkoxidelements 285.
Das bolometrische Zinkoxidelement 285, anders als das bolometrische
Titanelement 185 des Bolometers 100 nach dem Stand
der Technik, zeigt eine negative Temperaturabhängigkeit und der Temperaturkoeffizient
des Widerstands (TCR) des bolometrischen Zinkoxidelements 285 ist –2,75% K–1 bei
300 K.
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Wieder
zurückkehrend
zu 4, ist jede der Stücken 260 zwischen
dem Absorptionsniveau 230 und dem Trägerniveau 220 angeordnet.
Jede der Stützen 260 weist
einen elektrischen Leiter bzw. eine elektrische Leitung 262 aus
Metall, wie beispielsweise Aluminium (Al), Lead (Pt) oder Titan
(Ti) auf, der von einem isolierenden Material 264 beispielsweise aus
Siliciumnitrid (SiNx), Siliciumoxid (SiOx) oder Siliciumoxynitrid (SiOxNy) umgeben ist. Das obere Ende des elektrischen
Leiters 262 ist elektrisch mit einem Ende des bolometrischen
Zinkoxidelements 285 verbunden und das untere Ende des
elektrischen Leiters 262 ist elektrisch mit der Leitung 255 auf
der Brücke 240 derart
verbunden, daß beide
Enden des bolometrischen Zinkoxidelements 285 in dem Absorptionsniveau 230 elektrisch
mit der integrierten Schaltung des Aktivmatrixniveaus 210 über die
elektrischen Leiter 262, die Leitungen 255 und
die Verbindungsanschlüsse 214,
verbunden ist. Wird Energie im Infrarotbereich absorbiert, so mindert
sich der spezifische Widerstand des bolometrischen Zinkoxidelements 285,
was durch eine Erfassungs- bzw. Erkennungsschaltung (nicht gezeigt)
ausgelesen wird.
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Bei
dem infrarotempfindlichen Bolometer 200 nach der vorliegenden
Erfindung ist das bolometrische Element 285 aus einem Zinkoxid
hergestellt, das eine Stabilität
bei hohen Temperaturen aufweist, was wiederum die Anwendung von
Hochtemperaturprozessen während
der Herstellung des Bolometers 200 ermöglicht. Des weiteren hat das
bolometrische Zinkoxidelement 285 einen hohen Temperaturkoeffizienten
des Widerstands, was dem Bolometer 200 eine relativ hohe
Empfindlichkeit verleiht.