Термочувствительные тонкопленочные элементы на основе полуметаллов для приемников электромагнитного излучения

В статье представлены обобщенные результаты работ авторов по исследованию тонких пленок полуметаллов, которые можно использовать при разработке универсальных приемников электромагнитного излучения. Показано, что тонкопленочные материалы на основе полуметаллов обладают высокой термочувствительностью, низким уровнем собственных шумов и повышенным коэффициентом поглощения излучения в миллиметровой области спектра. Образцы пленок висмута и системы висмут–сурьма были получены методом вакуумно-термического напыления. Было проведено исследование термоэлектрических свойств тонких пленок системы висмут–сурьма в интервале температур от температуры жидкого гелия до комнатной, с целью применения данных пленок в виде чувствительного элемента болометрического типа в диапазоне от инфракрасного до радиочастотного. Представлены схема и описание экспериментальной установки для измерения вольтамперных характеристик и величины сопротивления образцов в интервале температур 1.4–400 K. В ходе исследования были получены вольтамперные характеристики и зависимости сопротивления образцов пленок толщиной 80 и 20 нм от температуры. Были измерены характеристики изготовленного макетного приемника и на их основе сделаны оценочные расчеты по возможности разработки приемников болометрического типа с повышенной пороговой чувствительностью. Измерена пороговая чувствительность (NEP – Noise Equivalent Power) изготовленных приемников на частоте 147 ГГц, которая при комнатной температуре составляет ≈(0.3÷1)∙10^–9 В Гц^1/2 и может быть существенно улучшена при охлаждении приемника до температур жидкого азота и жидкого гелия.

излучение миллиметрового диапазона, болометрический приемник, пленки полуметаллов

1. Андрюшин С.Я., Кравченко Н.В., Кулыманов А.В., Либерова Г.В., Таубкин И.И., Тришенков М.А., Филачев А.М., Эскин Ю.М. Состояние разработок микроболометрических матриц в Государственном научном центре «НПО Орион» // Прикладная физика. 2000. № 5. С. 5–17.

2. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы «смотрящего типа». М.: «ЛОГОС», 2004. 443 c.

3. Lianjun Sun, Benkang Chang, Junju Zhang. Analysis and measurement of thermal-electrical performance of microbolometer detector // Proceedings of the SPIE. 2007. V. 6782. Optoelectronic Materials and Devices II, 678231. https://doi.org/10.1117/12.745347

4. Ufuk Senveli S., Yusuf Tanrikulu M., Tayfun Akin. A thermal conductance optimization approach for uncooled microbolometers // Proceedings SPIE. 2011. V. 8012. Infrared Technology and Applications XXXVII, 80121T. https://doi.org/10.1117/12.890234

5. Dumas M.J., Lail B.A. A parametric analysis of microbolometer pixel designs // Proceedings SPIE. 2011. V. 8155. Infrared Sensors, Devices and Applications, Single Photon Imaging II, 815517. https://doi.org/10.1117/12.894170

6. Sun L., Chang B., Zhang J., Qian Y., Qiu Y. Thermal and electrical performance of α-Si microbolometer focal plane arrays» // Proceedings SPIE. 2007. V. 6423. 64232D. https://doi.org/10.1117/12.779855

7. Gauntt J.Li, Cabarcos O.M., Basantani H.A., Venkatasubramanian C., Bharadwaja S.S.N. Microstructure of vanadium oxide used in microbolometers // Proceedings SPIE. 2011. V. 8012. Infrared Technology and Applications XXXVII, 80123T. https://doi.org/10.1117/12.884161

8. Luukanen A., Miller A.J. and Grossman E.N. Passive hyperspectral terahertz imagery for security screening using a cryogenic microbolometer // Proceedings SPIE. 2005. 5789. P. 127–134. https://doi.org/10.1117/12.608838

9. Прохоров А.М., Шиляев А.А., Валиев К.А. и др. Датчик для регистрации плотности потока энергии электромагнитного излучения. Авторское свидетельство № 1225342, декабрь 1985.

10. Емохонов В.Н., Клягин А.С., Тальрозе В.Л., Шиляев А.А. Приемник электромагнитного излучения: патент 1 825 246 РФ. № 4641108/25; заявл. 26.12.1988; опубл. 10.04.1995.

11. Кик М.А., Шиляев А.А., Сигов А.С., Шампаров Е.Ю., Завьялов В.В., Богомолов Г.Д., Емохонов В.Н., Терехова Е.В., Шиляева А.А., Денискин В.В. Широкополосный измерительный приемник излучения миллиметрового диапазона с независимой калибровкой: патент 2 616 721 РФ. № 2015154123; заявл. 17.12.2015.; опубл. 18.04.2017. Бюл. № 11.

12. Комник Ю.Ф. Физика металлических плёнок. M.: Атомиздат, 1979. 263 c.

13. Кик М.А., Шиляев А.А., Сигов А.С., Емохонов В.Н., Завьялов В.В., Шампаров Е.Ю., Денискин В.В. Приемник для измерения мощности электромагнитного излучения в широком диапазоне длин волн. // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. 2015. Т. 15. № 4. С. 164–169.