JP2020532713A

JP2020532713A - 高速酸化グラフェンボロメータおよびその製造方法

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Publication number: JP2020532713A
Application number: JP2020511504A
Authority: JP
Inventors: エイファー，エドワード，エイチ．; クリーブランド，エリン; ジャーニガン，グレン，ジー．; ノルデ，ジル，エー．
Original assignee: ザガバメントオブザユナイテッドステイツオブアメリカ，アズリプレゼンテッドバイザセクレタリーオブザネイビー
Priority date: 2017-08-25
Filing date: 2018-08-27
Publication date: 2020-11-12
Also published as: EP3673250A1; EP3673250A4; US11085830B2; WO2019040933A1; US20200191659A1

Abstract

ボロメータおよびそれを形成する方法が提供される。基板、少なくとも１つのＳｉＧｅ層および少なくとも１つのＳｉ層を含む支持構造物、還元型酸化グラフェンを含む吸収体、ならびに部分還元型酸化グラフェンを含むサーミスタを含むボロメータが記載される。ボロメータおよびそこに含有される部品を形成するための方法も記載される。【選択図】図４Ｂ

Description

本発明は、概して、ボロメータおよびその製造方法に関する。

ボロメータは、材料中にどのくらいの熱が発生したかを温度依存抵抗で測定することによって入射電磁放射線のパワーを測定する装置である。図１は、従来のボロメータの一種の基本的な構成要素の概略図である。光子１０２は、低いサーマルマス（ｔｈｅｒｍａｌｍａｓｓ）を有する吸収体１０４によって吸収される。吸収体１０４は、膜１０６と熱的に接触している。膜１０６は、吸収体１０４よりはるかに小さいサーマルマスを有する。吸収体１０４および膜１０６はともに、ボロメータブリッジアセンブリ１０７を形成する。アセンブリ１０７は、熱的に分離しているが電気伝導性である脚１０８Ａおよび１０８Ｂによって機械的に支持される。脚１０８Ａおよび１０８Ｂは、電子読み出し集積回路（ＲＯＩＣ）１１０上の端子１０９Ａおよび１０９Ｂに接触する。

吸収体１０４によって吸収された光子１０２のエネルギー（Ｅ_ｐｈ）は、アセンブリ１０７の温度のわずかな上昇を引き起こす熱に変換される。膜１０６は、電気抵抗が温度で変動する材料から既知の方法で作られる。したがって、膜１０６の抵抗の変化はアセンブリ１０７の温度の変化に対応することになり、それは光子１０２のエネルギーに対応する。脚１０８Ａおよび１０８Ｂは、見込まれる動作温度範囲にわたって、膜１０６のそれに対して低くかつ変化しない電気抵抗を有するように配列される。小さいバイアス電流が、抵抗損失を通したアセンブリ１０７の無視できる自己発熱に寄与するように較正され、ＲＯＩＣ１１０によって膜１０６にわたって印加される。これらの条件下では、膜１０６の抵抗（Ｒ）は、端子１０９Ａと端子１０９Ｂとの間の電圧差（Ｖ_ｍｅａｓ）の、かけられたバイアス電流（ｉ_ｂ）に対する比、Ｒ＝Ｖ_ｍｅａｓ／ｉ_ｂから監視され得、吸収体１０４中への光子束１０２に直接関連し得る。

赤外線（ＩＲ）ボロメータは、図１に示すボロメータと同様の方法で機能する。ＩＲボロメータは、光子吸収時の、温度依存性の電子的性質の変化を検出する。典型的には、温度依存性の性質は、サーミスタの抵抗（Ｒ）である。サーミスタは、大きい抵抗温度係数

を有する薄膜であり得る。いくつかのＩＲボロメータでは、バイアス電流ｉ_ｂは、読み出し集積回路（ＲＯＩＣ）によって供給され、ボロメータからの信号出力は、ｉ_ｂＲ・ＴＣＲ・ΔΤに比例し、式中、ΔΤは光子誘起温度変化である。しかしながら、当業者なら認識するように、抵抗ボロメータには、入射する光子の強い吸収、吸収体アセンブリ１０７の極めて低いサーマルマスまたは熱容量、およびこのアセンブリの高い熱的分離が必要である。

入射する光子の強い吸収を達成するために、従来のボロメータは、金属薄膜が鏡の上λ／４ミクロンに懸垂されてλを中心とする共振吸収ピークを有する光学キャビティを形成するブリッジ構造設計を採用する。懸垂された金属膜が自由空間のものに近いインピーダンス（３７７Ω）を有する場合、入射ＩＲ放射線の１００％近い吸収が吸収され得る。自由空間のインピーダンスを懸垂金属膜のそれと合わせるために、懸垂金属膜は、典型的には厚さ１０〜５０ｎｍのＮｉＣｒの膜を使用して形成される。ブリッジは、典型的には、薄い誘電体によってＮｉＣｒ吸収体から電気的に分離した酸化バナジウム（ＶＯｘ）またはアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）の１００ｎｍの層で提供されるサーミスタも含む。

これらの層は、機械的支持のための厚さ４００〜５００ｎｍの窒化ケイ素（ＳｉＮ_ｘ）の層の上に堆積され、ブリッジをＲＯＩＣに取り付けるために、対向する角から側方に伸びる蛇行脚を使用する。ＳｉＮ_ｘ脚は、典型的には、長さ２５〜５０ミクロンおよび断面積１μｍ^２未満である。

しかしながら、この従来のＩＲボロメータ設計にはいくつかの欠点がある。第１に、設計は、ボロメータの速さおよび空間分解能を制限する。ボロメータの速さ（すなわち、光子束の変化を記録するのにかかる時間）は、Ｃ／Ｇに等しいその熱時定数（ＴＴＣ）によって決定され、式中、Ｃ（Ｊ／Ｋ）はブリッジの熱容量であり、Ｇ（Ｗ／Ｋ）はブリッジからその環境への合計熱コンダクタンスである。ノイズを最小限にするために、放射伝達限界（Ｇ〜１０ｎＷ／Ｋ）に近いＧの値を達成することが必須であり、上記の蛇行脚構造物の使用を促す。ＶＯｘまたはａ−Ｓｉサーミスタ、ならびにＮｉＣｒおよびＳｉＮｘ吸収体および支持構造物を合わせたサーマルマスの結果として、ブリッジの熱容量は、Ｇの小さい値に対して依然として大きいため、熱時定数は典型的には１０ｍｓ以上である。さらに、側方蛇行脚構造物の使用は、典型的には、そうでなければ光子の収集に使用され得る画素中の領域を犠牲にする必要があり、光学フィルファクタを低減する。所与のＧについて、フィルファクタは画素サイズとともに減少し、１７ミクロンよりはるかに小さい画素ピッチを有するサーマルイメージングアレイの製造を非常に困難にするため、ボロメータは、典型的には、今日のＩＲイメージングの基準からするとわずかな空間分解能を提供する。したがって、現在の設計を改良するボロメータを開発することは有利であろう。

１つまたは複数の上記制限は、本明細書に記載の構造物および方法によって減らされ得る。

一実施形態では、ボロメータおよびそれを形成する方法が提供される。ボロメータは、基板、少なくとも１つのＳｉＧｅ層および少なくとも１つのＳｉ層を含む支持構造物、還元型酸化グラフェンを含む吸収体、ならびに部分還元型酸化グラフェンを含むサーミスタを含む。

別の実施形態では、ボロメータを形成する方法が提供される。複数のＳｉＧｅ層およびＳｉ層が、鏡を含む基板上に形成される。複数のＳｉＧｅ層およびＳｉ層は、交互に配列される。複数のＳｉＧｅ層およびＳｉ層は、エッチングされて複数の支持構造物を形成する。犠牲層が、犠牲層の表面および各支持構造物の少なくとも１つの表面がおおよそ同一平面上にあるように、複数の支持構造物の周りに形成される。部分還元型酸化グラフェンを含むサーミスタ、還元型酸化グラフェンを含む吸収体、および分離層を含むボロメータブリッジが、犠牲層の表面および支持構造物の少なくとも１つの表面上に提供される。犠牲層は、ボロメータブリッジが支持構造物によって支持されるように除去される。

特許請求されかつ／または本明細書で説明される教示は、例示的実施形態によってさらに説明される。これらの例示的実施形態は、図面を参照して詳細に説明される。これらの実施形態は、非限定的な例示的実施形態であり、図面のいくつかの図を通して、類似の参照番号は同様の構造物を表す。

従来のボロメータの断面図である。一実施形態によるボロメータの断面図である。別の実施形態によるボロメータの断面図である。一実施形態によるボロメータブリッジの断面図である。酸化グラフェン膜を形成する方法のステップを示すフローチャートである。赤外線吸収体の断面図である。図３Ａに示す赤外線吸収体の反射率対波長のグラフである。一実施形態によるボロメータの断面図である。別の実施形態によるボロメータの断面図である。支持構造物の断面図である。一実施形態によるボロメータの斜視図である。図６Ａに示すボロメータの断面図である。図６Ａに示すボロメータの別の断面図である。図６Ａに示すボロメータのさらに別の断面図である。ボロメータを形成するステップを示すフローチャートである。一実施形態による、構築のある段階のボロメータの断面図である。一実施形態による、構築の別の段階のボロメータの断面図である。一実施形態による、構築のさらに別の段階のボロメータの断面図である。図７Ａに概説されたステップによって形成されたボロメータの断面図である。別の実施形態によって形成された、構築のある段階の別のボロメータの断面図である。図７Ａに概説されたステップによって形成された他のボロメータの断面図である。

同じ構成要素を識別するために、図の異なるものは、少なくともいくつかの同じ参照番号を有してよいが、そのような各構成要素の詳細な説明は、各図に関して下記で提供されない場合がある。

態様例に従って、ボロメータおよびそれを形成する方法が本明細書に記載される。

図２Ａは、一実施形態による、赤外線（ＩＲ）ボロメータ２００の断面図である。とりわけ、基板２０２、鏡２０４、支持構造物２０６、およびボロメータブリッジ２０８が提供される。鏡２０４は、シリコンのような半導体から形成されてよい基板２０２上に配置さる。鏡２０４は、赤外領域の放射線を反射するように作られ、好ましい実施形態では、チタンおよびパラジウムまたは赤外領域で高い反射率を有する任意の他の材料で形成されてよい。次に、ＳｉＯ_２などのスペーサが、光学キャビティ２０６を形成するために提供される。別の実施形態では、光学キャビティを形成するために、複数の構造物が代わりに使用され得る。例えば、図２Ｂでは、２つの支持構造物２０６Ａおよび２０６Ｂが、エアギャップ光学キャビティ２０６を作り出すために提供される。光学キャビティ２０６の上に、ボロメータブリッジ２０８がある。ボロメータブリッジ２０８は、図２Ｃに示すように、吸収体２１０、分離層２１２、およびサーミスタ２１４を含む複数の要素から形成されてよい。一実施形態では、吸収体２１０は還元型酸化グラフェン（ＲＧＯ）を含み、サーミスタ２１４は部分還元型酸化グラフェン（ＰＲＧＯ）を含む。以下で議論されるように、酸化グラフェンの機械的、熱的、および電気的性質が、この材料を吸収体２１０およびサーミスタ２１４での使用によく適したものにし、蛇行脚の必要性を排除する。ここで、それぞれ吸収体２１０およびサーミスタ２１４での使用に適した還元型または部分還元型酸化グラフェン膜を調製するステップを示す図２Ｄに注意を向ける。

酸化グラフェンは、粉末形態（例えば、ＡＣＳ品番ＧＮＯ１Ｐ００５）で商業的に入手され得る。市販の酸化グラフェン粉末は、典型的には３０〜４０重量％の酸素／炭素組成を有する。この酸素濃度は、吸収体２１０およびサーミスタ２１４での使用には高すぎる。したがって、酸素含有量を許容レベルまで低減するために一連のステップが実施される。まず、ステップＳ２０１で、酸化グラフェン粉末を溶液に溶解させる。これは、５０ｍｇの酸化グラフェン粉末を２５ｍｌの水に溶解させ、溶液を２時間超音波処理することによって達成され得る。溶液１ｍｌ当たり０．５ｍｇの酸化グラフェン粉末（．５ｍｇ／ｍＬ）を得るために、エタノールも溶液に加える。スピンキャストプロセス中に溶媒が蒸発するように、エタノールで溶液を希釈することが必要である。次に、Ｓ２０３で、溶液を遠心分離機に入れて任意の未溶解固体を除去する。次いで、Ｓ２０５で、溶液を基板上にドロップキャストする。

酸化グラフェン膜は、例えば、親水性サファイア、Ｓｉ、またはＳｉＯ_２を含む、様々な基板上に形成されてよい。しかしながら、まず、ドロップキャストする前に基板を洗浄することが必要である。これは、サファイア基板については、ＳＣ１洗浄プロセス（８０°のＮＨ_４ＯＨ：Ｈ_２Ｏ_２：Ｈ_２Ｏ中で１０分）またはピラニアエッチング（Ｈ_２ＳＯ_４：Ｈ_２Ｏ_２で１０分）、続いて５〜１０分間の低エネルギー酸素プラズマ曝露を使用して行われてよい。ＳＣ１洗浄は、ＳｉまたはＳｉＯ_２が基板に使用される場合にも有効である。好ましい実施形態では、溶液は、Ｎ_２ガスが基板の上を流れ、基板が所定の回転速度（好ましくは３０００ｒｐｍ）で回転しながら、表面全体をコーティングするのに十分な体積で基板上にドロップキャストされる。この手法は、表面を覆うのに必要な溶液の体積を１アリコート（例えば、１０ｍｍ×１０ｍｍ基板で５０マイクロリットル）として、４アリコートの溶液当たり平均で１層の酸化グラフェン単層を作り出すであろう。

次に、Ｓ２０７で、膜は、１×１０^−５トル以下のベース圧力の高真空（ＨＶ）システム中で脱酸素され、１０分間アニールされる規定温度まで１℃／秒の速度で上げられる。高真空中での膜の脱酸素は、酸化物基の一部またはすべての膜からの脱離を引き起こす。脱離量は、分解温度とアニール温度との間の関係に依存する。アニール温度が分解温度以上である場合、膜は完全に還元され得る。アニール温度が分解温度以下である場合、膜は部分的にのみ還元され得る。したがって、アニール温度を制御することによって、酸化物脱離量は制御され得る。

上述のように、サーミスタ２１４は、部分還元型酸化グラフェン膜（ＰＲＧＯ）を含む。ＰＲＧＯ膜は、（上記のように形成された）厚さ１０〜１５ｎｍのＧＯ膜を２００〜３５０℃のアニール温度でＨＶアニールすることによって形成されてよい。結果として得られるＰＲＧＯ膜は、１〜１００ＭΩ／□のシート抵抗を有し、サーミスタ２１４が単純なｄｃバイアス操作を受けることを可能にするのに十分に低い自己発熱電力損失を提供し、サーミスタ２１４を高インピーダンスａ−Ｓｉボロメータ用に開発された既存のＲＯＩＣと適合させる。上述のように、吸収体２１０は、完全還元型酸化グラフェン膜（ＲＧＯ）を含む。吸収体２１０用のＲＧＯ膜は、厚さ５０ｎｍのＧＯ膜を８００℃までＨＶアニールすることによって形成されてよい。ＧＯ膜は、その基板から希フッ酸を使用することによって除去され得る。

図３Ａは、上記の手法によって形成されたＲＧＯ膜を含む吸収体２１０を含む吸収体構造３００を示す。図３Ｂは、プラズマ強化化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）によって堆積された厚さ０．５、０．７、および０．９ミクロンの（キャビティ２０６を形成する）酸窒化ケイ素（ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ）スペーサを有する構造３００の形態の吸収体構造に対して３５°の角度でのＩＲ反射対波長（ミクロン）のプロットである。図３Ｂに示すように、屈折率≒１．８を有する０．５ミクロンのＳｉＯ_ｘＮ_ｙスペーサは、５ミクロンのＩＲ放射線の１００％近い吸光度をもたらす。垂直入射では、共振波長はわずかにより短いであろう。

それぞれサーミスタ２１４および吸収体２１０での使用のためのＰＲＧＯおよびＲＧＯ膜について説明したので、次に図４Ａに注意を向ける。図４Ａは、ボロメータブリッジ２０８の詳細が示されていることを除いて、図２Ａと実質的に同様である。したがって、要素２０２、２０４、２０６、および２１０は、図２Ｃで上に記載されたものと同じである。ＲＧＯ吸収体２１０の上に、好ましい実施形態では、ＰＲＧＯサーミスタ２１４とＲＧＯ吸収体２１０との間の高い熱伝導を可能にしながら、電気分離を提供するのに十分である厚さ１０ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３の層の原子層堆積によって形成されてよい分離層２１２が配置される。Ａｌ_２Ｏ_３の薄い層は、熱容量の無視できる増加も提供する。Ａｌ_２Ｏ_３層が適切な位置にある場合、それは、その上にＰＲＧＯ膜が上記の手法によってスピンコーティングされ得る基板の役割を果たし得る（抵抗温度係数（ＴＣＲ）を最適化するために２００〜５００℃でＨＶアニールする）。結果として得られるボロメータブリッジ２０８は、したがって、好ましい実施形態では、厚さ１０ｎｍのＰＲＧＯサーミスタ２１４、厚さ１０ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３分離層２１２、および厚さ５０ｎｍのＲＧＯ吸収体２１０を含む。したがって、ボロメータブリッジの合計の厚さは、好ましい実施形態では、およそ７０ｎｍである。もちろん、これらの厚さは、あるトレードオフに従ってある範囲内で変動することを当業者なら認識するであろう。例えば、ボロメータの速さが応答性より優先される場合、光吸収を犠牲にしてサーマルマスを低減するために、厚さわずか２０〜３０ｎｍのＲＧＯ吸収体２１０を有する超薄型ブリッジ２０８が利用されてよい。または、より低い自己発熱のために、より高抵抗のサーミスタが、５ｎｍ以下の厚さのＰＲＧＯ膜２１４を使用して作製されてよい。ブリッジアセンブリはまた、２ｎｍの薄さのハフニウムゲート誘電体の使用などの、より薄い電気分離層２１２を使用して、吸収または抵抗の変化なしに厚さを低減され得る。また、吸収体２１０の厚さを増やすことは、遠赤外またはテラヘルツの、より長波長帯の吸収を増やすのに役立ち得る。スピン堆積および真空アニール手順によるＰＲＧＯサーミスタおよびＲＧＯ吸収体膜の厚さに制限はほとんどないため、幅広い用途向けにボロメータ構造を自由に最適化できる。

上記の手法を通して、ボロメータブリッジ２０８は、１００ｎｍ未満の全体の厚さで作られてよい。さらに、それぞれサーミスタ２１４および吸収体２１０を含むＰＲＧＯおよびＲＧＯ膜の利点の１つは、それらの機械的強度である。それぞれの厚さが１０ｎｍおよび５０ｎｍでも、ＰＲＧＯおよびＲＧＯ膜は自立し、従来のボロメータでボロメータブリッジを支持するために典型的に必要とされる厚さ５００ｎｍのＳｉＮ_ｘバックボーン層の必要性を取り除く。結果として、従来のボロメータに見られる蛇行脚構造は、好適に高い熱抵抗および電気コンダクタンスの垂直支柱に置き換えられてよい。バックボーン層を有する従来のボロメータに対するボロメータブリッジ２０８の利点の１つは、厚さの５倍の減少が、熱容量の５倍の減少に相当することである。今度は、この熱容量の減少が、バックボーン層を有する従来のボロメータと比較して、非冷却ボロメータ２００の速さの５倍の増加に変わる。

図４Ａは、光学キャビティ２０６を形成するために連続的なスペーサを使用して作られたボロメータ２００を示しているが、別の実施形態では、図４Ｂに示すように、（図２Ｂに示すような）支持構造物２０６Ａおよび２０６Ｂが、光学キャビティ２０６を作製するために代わりに使用されてよい。図４Ｂは、スペーサが支持構造物２０６Ａおよび２０６Ｂに置き換えられていることを除いてボロメータ２００と実質的に同様のボロメータ４００の断面図である。上記のように、ＰＲＧＯおよびＲＧＯ膜の機械的強度は、サーミスタ２１４および吸収体２１０が自立することを可能にする。したがって、ボロメータブリッジ２０８を支持するために、固体スペーサまたは厚いバックボーンのような下部支持構造物を有する必要はない。好ましい実施形態では、支持構造物２０６Ａおよび２０６Ｂは、電気伝導性でありながら、ボロメータブリッジ２０８と鏡２０４と基板２０２との間の熱的分離を提供する。支持構造物２０６Ａおよび２０６Ｂは、図５に関連して以下に記載されるように、異なる材料層の交互配列を使用することによって実装されてよい。

図５は、支持構造物２０６Ａまたは２０６Ｂとして使用されてよい例示的支持構造物５００を示す。支持構造物５００は、第１の材料５０２_１…５０２_ｉ（一般に５０２）および第２の材料５０４_１…５０４_ｉ（一般に５０４）の交互の層を含む。第１および第２の材料は、ボロメータブリッジ２０８と基板２０２との間の熱的分離を提供し、同時に電気的接続を提供する。好ましい実施形態では、第１の材料５０２はＳｉＧｅであってよく、第２の材料５０４はＳｉであってよい。図５では、第１の材料５０２が底部にあり、第２の材料５０４が頂部にあるが、その構成は単なる例示にすぎない。第１の材料５０２または第２の材料５０４いずれも、構造の底部または頂部にあってよい。ＳｉＧｅ材料５０２は、両端を含めてＳｉ_８０％Ｇｅ_２０％〜Ｓｉ_９０％Ｇｅ_１０％の範囲内であってよい。ＳｉＧｅ／Ｓｉ支持構造物５００を、各ＳｉＧｅ材料層５０２および各Ｓｉ材料層５０４が、４〜２０ｎｍの範囲の同じ厚さを有するように成長させてよい。ＳｉＧｅ／Ｓｉ支持構造物５００の全体の厚さは、典型的には、波長１０ミクロンを中心とする長波長の赤外帯のためのλ／４エアギャップキャビティ構造、または厚さ約２．５ミクロンを実装するように調整されるが、他の波長帯に対応するそのような構造の実現に実用的な任意の厚さであってよい。ＳｉＧｅ／Ｓｉ支持構造物５００を、例えば、Ｓｉ基板上に、１００〜５００℃の温度範囲で、分子線エピタキシーによって成長させてよい。その温度範囲のより高温端は、結晶性材料の形成を促進する傾向があるが、その温度範囲のより低温端は、多結晶性材料の成長を促進する傾向がある。いずれの場合にも、両方の種類の材料は適している。ＳｉＧｅ／Ｓｉ支持構造物５００を電気伝導性にするために、層５０２および５０４は、ドープ剤でドーピングされて１．０×１０^−１８ｃｍ^−３以下１．０×１０^−２０ｃｍ^−３以上の範囲のｎ型ドーピングレベルを生成してよい。一実施形態では、ドープ剤は亜リン酸であってよい。

ＳｉＧｅ／Ｓｉ支持構造物５００はドーピングによって電気伝導性になり、サーミスタ２１４がバイアス電流を印加されることを可能にする。好ましい実施形態では、ＳｉＧｅ／Ｓｉ層５０２および５０４は、ブリルアンゾーン界面散乱とフォノンスペクトルのギャップの形成との組み合わせによって、音響フォノン輸送（熱）を強力に抑制し、１Ｗ／ｍ・Ｋの範囲の熱伝導率をもたらす。

図６Ａ〜６Ｄは、例示的ボロメータ６００の図を示す。図６Ａは、ボロメータ６００の斜視図である。図６Ｂは、図６Ａの線Ａに沿ったボロメータ６００の断面図である。図６Ｃは、図６Ａの線Ｂに沿ったボロメータ６００の別の断面図である。図６Ｄは、図６Ａの線Ｃに沿ったボロメータ６００のさらに別の断面図である。

図６Ａ〜６Ｄでは、鏡６０４は基板６０２上に配置される。好ましい実施形態では、基板６０２は、シリコンおよびＲＯＩＣ（図示せず）を含む。上記のボロメータでのように、鏡６０４は金属、好ましくは、それぞれ厚さ１００Ａおよび１５００Ａのチタン／パラジウムである。もちろん、例えば、銅、銀または金を含む、他の金属が使用され得ることを当業者なら認識するであろう。加えて、チタンおよびパラジウム構成要素の厚さは、有効性を失うことなくそれぞれの範囲内で調節され得る。例えば、チタン構成要素は５０〜３００Åであってよく、パラジウム構成要素は８５０〜２５００Åであってよい。鏡６０４は、上記の手法によって形成されたＲＧＯ吸収体６１０、分離層６１２、およびＰＲＧＯサーミスタ６１４で構成されるボロメータブリッジ６２４の下に配置される。

図６Ａ〜６Ｄでは、支持構造物６０６および６０８は、それぞれコンタクトパッド６１６Ｂおよび６１６Ａ上に配置される。パッド６１６Ｂおよび６１６Ａは、支持構造物６０６および６０８とＲＯＩＣ（図示せず）との間の電気的接続を提供する。上述のように、支持構造物６０６および６０８は電気伝導性であり、したがってサーミスタ６１４がＲＯＩＣの制御下で駆動されることを可能にする。図６Ａ〜６Ｄでは、パッド６１６Ａおよび６１６Ｂは、サーミスタ２１４とＲＯＩＣとの間で電気回路を完成させるために、コネクタ６２０Ａおよび６２０Ｂによってバス６１８Ａおよび６１８Ｂにそれぞれ接続される。

図５に関連して上で議論されたように、支持構造物は、ＳｉＧｅ層６０６ＡおよびＳｉ層６０６Ｂの交互配列によって形成される。支持構造物６０６および６０８は、電気経路を提供しながらボロメータブリッジ６２４を基板６０２から熱的に分離するように機能するため、ＳｉＧｅ層６０６Ａおよび６０８ＡまたはＳｉ層６０６Ｂおよび６０８Ｂのいずれかが、それぞれパッド６１６Ａおよび６１６Ｂと接触し得る。支持構造物６０６および６０８の上に、上記の手法によって形成されたＲＧＯ吸収体６１０が配置される。ＲＧＯ吸収体２１０のように、ＲＧＯ吸収体６１０は、好ましくは厚さ５０ｎｍである。ＲＧＯ吸収体６１０の上に、分離層６１２が配置される。分離層２１２のように、分離層６１２は、好ましくは、原子層堆積によって形成されたＡｌ_２Ｏ_３を含み、厚さ１０ｎｍである。サーミスタ６１４が、上記の手法によって分離層２１２の上に配置される。サーミスタ２１４のように、サーミスタ６１４は、部分還元型酸化グラフェンを含む。図６Ａ〜６Ｄに示す構成要素について説明したので、次に、図７Ａ〜７Ｄに関連して、ボロメータ６００を形成するための１つの手法に注意を向ける。

図７Ａは、ボロメータ６００を形成する好ましい方法のステップを示すフローチャートである。まず、ステップＳ７０１で、鏡６０４、コンタクトパッド６１６、および任意選択の電気的分離スペーサ７０２を含む平坦化レベルが、コンタクトパッド６１６がＲＯＩＣのバイアス回路部分に接続されるように、ＲＯＩＣ（図示せず）を含むＳｉ基板６０２上に形成される。次に、Ｓ７０３で、（上記の手法から作製された）ＳｉＧｅおよびＳｉ層が、ウエハ接合によってウエハレベルでＳｉ基板２０２に転写される。任意選択で、ウエハ接合を促進するために、コンタクトパッド６１６と接触することになるＳｉＧｅ／Ｓｉ層の１つに金属薄膜が適用されてよい。図７Ｂは、ステップＳ７０３後のボロメータを示す。図７Ｂは、複数の第１の材料層５０２_１…５０２_ｉおよび複数の第２の材料層５０４_１…５０４が、互いの上に交互に配置されているのを示す。上で議論されたように、好ましい実施形態では、第１の材料層５０２は、ＳｉＧｅまたはＳｉ層の一方であってよく、第２の材料層５０４は他方であってよい。次に、Ｓ７０５で、第１の材料層５０２および第２の材料層５０４は、ＳｉＧｅ／Ｓｉ支持構造物５００（図６Ａの６０６および６０８）を形成するために、高異方性エッチング手法（例えば、金属アシスト化学エッチング）を介してエッチングされる。この時、任意の金属ウエハ接着層も除去される。次に、Ｓ７０７で、構造は、犠牲材料（例えば、フォトレジスト）で埋め戻されかつ平坦化され、支持構造物５００の頂部は、露出しかつ埋め戻された材料の表面と同一平面にある状態になる。次に、Ｓ７０９で、ボロメータブリッジ６２４が、支持構造物５００に取り付けられる。

ボロメータブリッジ６２４は、少なくとも２つの構成で取り付けられてよい。第１の構成では、図６Ａ〜６Ｄおよび図７Ｄ〜７Ｅに示すように、ボロメータブリッジ６２４は、サーミスタ６１４が上にある、すなわち、サーミスタ６１４が、基板６０２から遠位の最上層であるように取り付けられてよい。その場合、支持構造物５００とサーミスタ６１４との間の電気的接続を提供するために、スルーホールがボロメータブリッジ６２４中に形成され、かつ導電材料６２２Ａで充填されなければならない。しかしながら、ＲＧＯ吸収体２１０とＲＯＩＣとの間の電気的接続性を防止するために、誘電材料６２２Ｂも、スルーホール中で、少なくともＲＧＯ吸収体２１０の領域で導電材料６２２Ａを取り囲んで提供されなければならない。第２の構成では、ボロメータブリッジは、図７Ｆおよび図７Ｇに示すように、サーミスタ６１４が支持構造物５００および犠牲層７０４と接触するように、支持構造物５００に取り付けられてよい。この構成では、サーミスタは支持構造物と直接接触するため、導電材料６２２Ａおよび誘電材料６２２Ｂは不要である。次に、ボロメータブリッジ６２４を支持構造物５００に確実に接着させるために、ボロメータは低温熱処理を受ける。その後、Ｓ７１１で、犠牲層が除去されてボロメータ７００（図７Ｅ）または８００（図７Ｇ）が完成する。

本発明の様々な実施形態例が上に記載されているが、それらは例として提示されており、限定ではないことが理解されるべきである。形態および詳細の様々な変更をそこに行うことができることが、関連する当業者には明らかである。したがって、本開示は、上記の実施形態例のいずれかによって限定されるべきではなく、以下の特許請求の範囲およびそれらの均等物に従って定義されるべきである。

加えて、図面は例示のみを目的として提示されていることが理解されるべきである。本明細書に提示された実施形態例のアーキテクチャは、添付の図面に示されたもの以外の方法で利用されかつ導かれてよいように、十分に柔軟かつ構成可能である。

さらに、要約の目的は、米国特許商標庁および一般市民、特に特許または法律用語または表現に精通していない科学者、技術者および当業者が、一見して、本出願の技術開示の特質および本質を迅速に決定できるようにすることである。要約は、いかなる形でも、本明細書に提示された実施形態例の範囲を限定することを意図していない。特許請求の範囲に列挙された手順は、提示された順序で実施される必要はないことも理解される。

Claims

基板と、
少なくとも１つのＳｉＧｅ層および少なくとも１つのＳｉ層を含む支持構造物と、
還元型酸化グラフェンを含む吸収体と、
分離層と、
部分還元型酸化グラフェンを含むサーミスタと
を含むボロメータブリッジと
を含む、ボロメータであって、
前記支持構造物は、前記サーミスタと前記基板との間の電気的接続を形成し、
前記支持構造物は、前記ボロメータブリッジと前記基板との間の熱的分離を提供する、
ボロメータ。
前記基板と前記ボロメータブリッジとの間に配置された少なくとも１つのＳｉＧｅ層および少なくとも１つのＳｉ層を含む別の支持構造物をさらに含み、
前記他の支持構造物は、前記サーミスタと前記基板との間の電気的接続を形成する、
請求項１に記載のボロメータ。
前記支持構造物は、交互に配列された複数のＳｉＧｅ層および複数のＳｉ層を含み、
前記他の支持構造物は、交互に配列された別の複数のＳｉＧｅ層および別の複数のＳｉ層を含む、
請求項２に記載のボロメータ。
前記ＳｉＧｅ層は、両端を含めてＳｉ_．８Ｇｅ_．２とＳｉ_．９Ｇｅ_．１の間の組成を有する合金である、請求項２に記載のボロメータ。
前記吸収体の厚さは２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である、請求項１に記載のボロメータ。
前記サーミスタの厚さは５ｎｍ以上３００ｎｍ以下である、請求項１に記載のボロメータ。
前記分離層は前記吸収体の上に配置され、前記サーミスタは前記分離層の上に配置される、請求項１に記載のボロメータ。
前記分離層は誘電体を含み、
前記分離層の厚さは２ｎｍ以上２０ｎｍ以下である、
請求項７に記載のボロメータ。
前記支持構造物は、１．０×１０^−１８ｃｍ^−３以下１．０×１０^−２０ｃｍ^−３以上の範囲のｎ型ドーピングレベルにドーピングされる、請求項１に記載のボロメータ。
前記サーミスタは、前記吸収体に比べて前記基板に近接している、請求項１に記載のボロメータ。
前記吸収体は、前記サーミスタに比べて前記基板に近接している、請求項１に記載のボロメータ。
複数のＳｉＧｅ層およびＳｉ層を、鏡を含む基板上に形成することであって、前記複数のＳｉＧｅ層およびＳｉ層は交互に配列される、形成することと、
前記複数のＳｉＧｅ層およびＳｉ層をエッチングして複数の支持構造物を形成することと、
犠牲層を前記複数の支持構造物の周りに形成することであって、前記犠牲層の表面および各支持構造物の少なくとも１つの表面はおおよそ同一平面上にある、形成することと、
部分還元型酸化グラフェンを含むサーミスタ、還元型酸化グラフェンを含む吸収体、および分離層を含むボロメータブリッジを、前記犠牲層の前記表面および前記支持構造物の前記少なくとも１つの表面上に提供することと、
前記ボロメータブリッジが前記支持構造物によって支持されるように前記犠牲層を除去することと
を含む、ボロメータを形成する方法。
前記複数の支持構造物は、前記サーミスタと前記基板との間の電気的接続を形成する、請求項１２に記載の方法。
前記複数のＳｉＧｅ層は、両端を含めてＳｉ_．８Ｇｅ_．２とＳｉ_．９Ｇｅ_．１の間の組成を有する合金である、請求項１２に記載の方法。
前記吸収体の厚さは２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である、請求項１２に記載の方法。
前記サーミスタの厚さは５ｎｍ以上３０ｎｍ以下である、請求項１２に記載の方法。
前記分離層は前記吸収体の上に配置され、前記サーミスタは前記分離層の上に配置される、請求項１２に記載の方法。
前記分離層は誘電体を含み、前記分離層の厚さは２ｎｍ以上２０ｎｍ以下である、請求項１２に記載の方法。
前記ボロメータブリッジは、前記サーミスタが前記吸収体に比べて前記基板に近接しているように提供される、請求項１２に記載の方法。
前記ボロメータブリッジは、前記サーミスタが前記サーミスタに比べて前記基板に近接しているように提供される、請求項１２に記載の方法。