автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Неохлаждаемый микроболометрический многоэлементный приемник инфракрасного излучения



Всероссийский научный центр Государственный оптический институт им. С.И.Вавилова

На правах рукописи УДК 535.231.6

ЗЕРОВ Владимир Юрьевич

НЕОХЛАЖДАЕМЫЙ МИКРОБОЛОМЕТРИЧЕСКИЙ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ ПРИЕМНИК ИНФРАКРАСНОГО

ИЗЛУЧЕНИЯ

(специальность 05.11.07 - оптические и оптико-электронные приборы и

комплексы)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург-2003

Работа выполнена в ФГУП «ВНЦ «Государственный оптический институт им. С.И.Вавилова»»

Научный руководитель - кандидат технических наук

Хребтов Игорь Анатольевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Белоусов Юрий Иванович

кандидат технических наук, доцент Грунин Виктор Константинович

Ведущая организация - ОАО «ЛОМО»

Защита состоится «_» ___________ 2003 г. в часов на заседании

диссертационного совета Д - 407.001.01 ВНЦ «Государственный оптический институт им. С.И.Вавилова» по адресу 199034, Санкт-Петербург, Биржевая линия, 12

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОИ им С.И.Вавилова

Автореферат разослан «_»_2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

РОС. НАЦИвНАЛЬНА БИБЛИОТЕКА С. Петербург , , 09 ЮОЗа«т70/

Степанов А.И.

Общая характеристика работы.

Актуальность темы. Одной из тенденций развития современных многоэлементных ИК приемников излучения, наряду с повышением их чувствительности, является снижение их стоимости, весо-габаритных параметров и энергопотребления. Это связано с расширением сферы применения тепловизионных и других ИК приборов в промышленности, для * экологического мониторинга, на транспорте, в охранных системах, в

медицине и др. За рубежом активно проводятся разработки таких приборов ' на основе неохлаждаемых микроболометрических одномерных и двумерных

» матриц. Появление высокочувствительных неохлаждаемых

многоэлементных инфракрасных приемников излучения расценивается специалистами как наиболее значительное достижение ИК-техники за последние четверть века [1-4].

Эти приемники по чувствительности в средней ИК области приближаются к криогенным фотонным многоэлементным приемникам и выгодно отличаются от них неселективностью в широком спектральном интервале и значительно меньшей стоимостью, вследствие применения более дешевых материалов и совместимости технологии их изготовления с процессами современной технологии кремниевых интегральных микросхем. Это дает возможность изготавливать массивы чувствительных элементов и считывающую электронику на одной базовой кремниевой подложке. К основным преимуществам, отличающим ИК приборы на основе неохлаждаемых микроболометрических многоэлементных приемников, помимо отсутствия системы криогенного охлаждения, относится возможность работы без модуляции регистрируемого потока излучения.

Отмеченное выше позволяет создавать на основе микроболометрических приемников инфракрасные приборы, имеющие малые габариты, вес, энергопотребление и стоимость в 10-100 раз меньшую, чем у приборов на основе криогенных фотонных приемников ИК излучения. Это открывает возможность использование таких приборов не только для решения оборонных задач, но и во многих гражданских применениях [5, 6].

Помимо задач, решаемых с помощью двумерных крупноформатных (320x240 и более) неохлаждаемых матриц, существует ряд задач, где вполне достаточно использование одномерных матриц (линеек), причем среднего формата (-1x100). Это, например, тепловизионные приборы для автоматического контроля пожароопасных устройств и помещений, системы ориентации космических аппаратов по ИК излучению Земли и автоматического контроля некоторых производственных процессов в различных отраслях промышленности. Неохлаждаемые

микроболометрические линейки (МБЛ) еще более просты в изготовлении и эксплуатации, дешевле и экономичнее, чем матрицы.

В нашей стране работы по неохлаждаемым болометрическим многоэлементным приемникам начаты всего несколько лет назад и находятся в стадии лабораторных разработок, что в значительной степени сдерживает разработку малогабаритных и дешевых тепловизионных приборов широкого назначения.

Основной задачей диссертационной работы являлась разработка неохлаждаемого микроболометрического многоэлементного приемника (

излучения для использования в малогабаритных ИК приборах малой стоимости.

Решение поставленной задачи требовало выполнения следующих исследований и разработок:

1. Исследование электрофизических и шумовых свойств тонкопленочных полупроводниковых материалов для термочувствительного слоя приемного элемента и особенностей их применения в неохлаждаемых микроболометрах.

2. Отработка технологических методик напыления термочувствительного слоя с необходимыми электрофизическими, шумовыми и технологическими свойствами.

3. Проведение расчетного • анализа параметров микроболометров и многоэлементного приемника на их основе.

4. Разработка топологии, структуры и технологических методик изготовления микроболометрической линейки. ,

5. Создание макетного образца неохлаждаемой микроболометрической линейки и исследование характеристик ее элементов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Исследования шумовых свойств тонких пленок оксида ванадия (\ЮХ) выявили, что основным источником избыточного токового шума, в том числе и при комнатной температуре, являются особенности фазового перехода металл-полупроводник зерен диоксида ванадия. Величина токового М/ шума зависит от мелклзернистости пленки и процентного содержания У02.

2. Показана возможность использования большой крутизны зависимости ЩТ) в области фазового перехода только при условии импульсного питания болометра, для чего изучены особенности работы болометра на основе пленки УОх с преимущественным содержанием диоксида ванадия в широком температурном интервале, включающем фазовый переход металл-полупроводник.

3. Разработана методика расчета основных параметров неохлаждаемых микроболометров, в которой параметром оптимизации является ток смещения.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Использование микроболометра на основе пленки диоксида ванадия в области фазового перехода полупроводник-металл имеет следующие особенности:

- повышение вольтовой чувствительности за счет большой крутизны температурной зависимости сопротивления требует импульсного смещения, исключающего влияние гистерезисного характера перехода;

- при смещении постоянным током чувствительность микроболометра уменьшается, т.к. оказывается пропорциональной сопротивлению пленки У02 и температурному коэффициенту сопротивления полупроводниковой фазы пленки.

2. Пленки оксида ванадия УОх с содержанием кислорода, определяемым соотношением 2<х<2,5, и мелкозернистой структурой не имеют фазового перехода и обладают значительно меньшим токовым М/ шумом по сравнению с пленками диоксида ванадия. Применение таких пленок в качестве термочувствительного слоя неохлаждаемых микроболометров расширяет область рабочих температур до 80-90°С и повышает обнаружительную способность в 5-7 раз.

3. Разработанная технология изготовления микроболометрических линеек, реализованные величины теплоемкости чувствительных элементов и тепловой проводимости их связи с теплостоком, полученный низкий уровень токового \// шума пленок \ЮХ обеспечивает достижение обнаружительной способности до 10 см

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработан, изготовлен и исследован один из первых отечественных макетных образцов неохлаждаемой 65-элементной микроболометрической линейки.

2. Разработанная технология изготовления многоэлементного неохлаждаемого микроболометрического приемника мембранного типа может быть использована в дальнейшем при промышленном выпуске таких приемников, а также при разработке охлаждаемых микроболометрических приемников излучения.

3. Даны практические рекомендации и намечены пути улучшения характеристик неохлаждаемых микроболометров посредством

уменьшения тепловой проводимости и выбора состава и структуры пленки.

4. Методики расчета и результаты проведенных исследований болометрических свойств полупроводниковых тонкопленочных материалов могут быть использованы при разработке разнообразных неохлаждаемых микроболометрических приемников ИК излучения.

5. Опыт создания макетов неохлаждаемых МБЛ мембранного типа является основой разработки базирующихся на них фотоприемных устройств, в промышленном выпуске которых заинтересованы разработчики различных малогабаритных ИК приборов малой стоимости.

Апробация. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

1. Всероссийском симпозиуме с участием ученых из стран СНГ "Аморфные и микрокристаллические полупроводники" (С. Петербург, 1998 г.)

2. Международных конференциях "Прикладная оптика 98" и "Прикладная оптика-2000" (С. Петербург, 1998, 2000 гг.)

3. XV и XVI Международных научно-технической конференциях по фотоэлектронике, электронным и ионно-плазменным технологиям. (Москва, 1998, 2000 гг.)

4. Международной конференции молодых ученых и специалистов "Оптика-99" (С. Петербург, 1999 г.)

5. II Международной конференции "Аморфные и микрокристаллические полупроводники" (С. Петербург, 2000 г.)

6. 16th International Conference on Noise in Physical Systems and 1/f Fluctuations ICNF-16 (Gainesville, USA, 2001).

7. Научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Санкт-петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» (С. Петербург, 1999-2002 г.г.)

Объем работы. Диссертация состоит из введения, основной части, содержащей 4 главы, заключения, списка литературы, списка публикаций автора и приложения. Диссертация содержит 140 страниц, включая 36 рисунков на 35 страницах, 10 таблиц и 93 библиографические ссылки на 9 страницах.

Основное содержание работы.

Введение. Обсуждается актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, определена научная новизна и практическая ценность, приведены защищаемые положения диссертационной работы.

Первая глава носит обзорный характер. Проведен анализ публикаций, касающихся разработки и создания неохлаждаемых микроболометрических линеек и матриц. Определены основные требования, предъявляемые к выбору термочувствительного слоя и конструкции чувствительного элемента. Рассмотрены тонкопленочные материалы, такие как оксид ванадия, аморфный гидрогенизированный кремний, германий и их Ф соединения, аморфный УВаСиО, манганиты, титан, которые уже

используются или могут быть использованы при создании неохлаждаемых I микроболометров. Обсуждаются конструктивные особенности

чувствительных элементов микроболометрических многоэлементных приемников излучения, отмечены преимущества и недостатки использования того или иного термочувствительного материала. Приведены основные характеристики созданных за рубежом неохлаждаемых микроболометрических линеек и матриц. Наиболее перспективными термочувствительными материалами являются оксид ванадия и аморфный гидрогенизированный кремний, однако требует дальнейшего исследования природа избыточного токового шума в этих материалах. Кроме того, необходимо выяснение особенностей поведения болометра на основе пленки УОг в области фазового перехода металл-полупроводник.

Во второй главе приведены результаты сравнительных исследований сэндвичных и плоскостных тонкопленочных структур на основе, соответственно, аморфного гидрогенизированного кремния аБкН и оксида ванадия УОх с преобладающим содержанием диоксида У02, как наиболее перспективных термочувствительных материалов для создания 1 неохлаждаемой микроболометрической линейки. Площадь сэндвичей была

100*100 мкм2, термочувствительный участок в плоскостных структурах I имел размеры 100х70мкм2 (второй размер - зазор между электродами - в

I некоторых образцах был 30 мкм). Подложками сэндвичных структур были

пластинки ситалла, а плоскостных - кремния (со слоями 8Ю2 или 31зЫ4) толщиной 0,5 мм.

Пленки аБкН были получены методом плазмохимического газофазного осаждения (ПХГФО). Электродами служили пленки Сг. Требуемое полное сопротивление структур (5 - 20 кОм) достигали слабым легированием пленок аЭкН фосфором.

Для оценки электрофизических свойств изготовленных структур (как сэндвичных, так и плоскостных) проводили измерения вольт-амперных характеристик (ВАХ), температурных зависимостей сопротивления в диапазоне температур 18 - 40°С и спектров шума в диапазоне частот 101000 Гц при пропускании токов от 1 до 12 мкА.

Для получения низкошумящих омических контактов электродов с термочувствительной пленкой в сэндвичные структуры вводили приконтактные слои с повышенной концентрацией носителей (п+-слои) разной толщины и степени легирования. Варьировали также степень легирования термочувствительной пленки с целью оптимизации величины сопротивления и энергии активации. В результате был получен образец с сопротивлением 9 кОм и температурным коэффициентом сопротивления 1,7 %/К. Основной вклад в измеренное напряжение шума вносил токовый фликкер-шум и тепловой (джонсоновский) шум сопротивления. При токе 1,1 мкА на частоте 30 Гц избыточный токовый шум образца превышал джонсоновский шум в 1,7 раза.

Пленки оксида ванадия для плоскостных структур получали методом реактивного магнетронного ионно-плазменного распыления ванадиевой мишени. В качестве электродов использовали полученные магнетронным распылением пленки титана с поверхностным сопротивлением 100 Ом. Для устранения контактного шума проводили очистку приконтактных зон пленки УОх в плазме тлеющего разряда перед напылением пленки Тк Температурный коэффициент сопротивления образцов при 25 °С имел величину от 2,3 до 3 %/К при удельном сопротивлении 0,3 - 1 кОм-см. Результирующее напряжение шума лучшего образца на частоте 30 Гц при токе 10 мкА в 4 раза превышает напряжение джонсоновского шума, а при токе 1 мкА - равно ему.

Спектральная плотность мощности токового шума как сэндвичных, так и плоскостных структур соответствовала известной эмпирической формуле Хоуге:

Бу = К

12Л2

V/"

/ - ток через образец, Я - сопротивление образца, V - объем образца, / -частота и а - показатель степени частотной зависимости, К= ац /п -шумовой параметр, ан - параметр Хоуге, п - концентрация носителей. Параметр К характеризует шумовые свойства конкретного образца, позволяет сравнивать образцы из разных материалов и разной конфигурации и не требует знания величины концентрации носителей. Показатель а для сэндвич-структур был ~1,0, а для плоскостных изменялся в пределах 0,9-1,2. Шумовой параметр К для лучших сэндвич-структур составил 1,2-10"20 см3, а для плоскостных - 8-10"20 см3.

Были проведены исследования оптических свойств сэндвичных и плоскостных структур на образцах размерами 5*10 мм2 и 100x100 мкм2, которые получали совместно на одной подложке. В сэндвич-структурах

поверхностное сопротивление электродов (380 и 20 Ом) и толщина пленки аБкН были выбраны так, чтобы получить оптический резонатор, "настроенный" на длину волны 10 мкм. Так как такие структуры не пропускают излучения, то их спектр отражения дает полную информацию о спектре поглощения. Коэффициент поглощения сэндвичных образцов составил не менее 60% в интервале 6...12 мкм и 78 - 81% на 8 мкм.

В образцах плоскостного типа спектр поглощения формируют многослойные структуры, включающие кремниевую подложку. Так, плоскостной образец, представляющий собой пленку УОх толщиной 0,3 мкм, заключенную между двумя пленками БЮг толщиной 0,8 мкм в диапазоне 8... 12 мкм поглощал 40 - 67 % излучения.

По результатам сравнительных исследований для дальнейшей разработки микроболометрической линейки были выбраны плоскостные структуры на основе оксида ванадия.

Третья глава посвящена исследованию особенностей применения оксида ванадия в качестве термочувствительного слоя микроболометра. Отличительной чертой пленок УОх, содержащих в своем составе диоксид ванадия, является наличие фазового перехода полупроводник-металл, присущего именно диоксиду ванадия. Причем этот фазовый переход имеет гистерезисный характер. Для тонких пленок с преимущественным содержанием У02 фазовый переход обычно наблюдается при температуре 45 - 60°С, а петля гистерезиса имеет ширину 5 - 15 К.

В работе исследовалась возможность работы болометра с термочувствительной пленкой в широком температурном интервале, * включающем область фазового перехода, и влияние фазового перехода на

чувствительность болометра. Была измерена температурная зависимость I сопротивления специально изготовленного макета болометра, из которой

V рассчитали величину тепловой проводимости б и температурную

зависимость крутизны сШ/с1Т, которая имеет абсолютный максимум в области фазового перехода. Затем, изменяя температуру болометра, измеряли болометрический отклик на одиночный оптический сигнал лазера с длиной волны Я = 3,36 мкм, на повторный оптический сигнал и на излучение того же лазера, модулированное с частотой 12,5 Гц. Температурная зависимость вольтовой чувствительности, соответствующей одиночному облучению болометра, повторяет расчетную зависимость от температуры крутизны, что согласуется с формулой для чувствительности. Температурная зависимость вольтовой чувствительности, соответствующей повторному облучению и модулированному излучению качественно повторяет температурную зависимость сопротивления болометра.

Такое поведение вольтовой чувствительности объясняется гистерезисным характером фазового перехода в диоксиде ванадия. Находясь при температуре, соответствующей началу фазового перехода, и подвергаясь воздействию одиночного оптического сигнала, болометр нагревается и его сопротивление уменьшается по нисходящей ветви петли гистерезиса перехода. После прекращения облучения болометр охлаждается и его сопротивление уменьшается. Однако, если перегрев за счет облучения не превзошел ширины петли гистерезиса, уменьшение сопротивления происходит только за счет температурной зависимости микрообластей, находящихся в полупроводниковой фазе. Далее, при повторном облучении болометра, его сопротивление увеличивается также только за счет полупроводниковых микрообластей. При модулированном излучении ситуация аналогична.

Таким обр<ном, большая крутизна температурной зависимости сопротивления в области фазового перехода влияет на вольтовую чувствительность только при первом облучении, а при повторном облучении и при модулированном излучении вольтовая чувствительность пропорциональна сопротивлению болометра и ТКС не всей термочувствительной пленки, а только той части, которая находится в полупроводниковой фазе. Однако, существует возможность использования большой крутизны зависимости Я(Т), если за время отсутствия оптического сигнала возвращать болометр в полностью полупроводниковое состояние и опять выводить его в рабочую точку на фазовом переходе.

Исследование поведения избыточного токового шума в области фазового перехода выявили некоторые особенности. В точке максимума «

крутизны зависимости Я(Т), когда сопротивление уменьшилось в семь раз, напряжение шума уменьшилось всего в два раза. Кроме того, на частотах I

<30 Гц степень частотной зависимости токового шума уменьшалась. %

Оценка, проведенная на основании исследований поведения УО^ болометра в области фазового перехода, показывает, что возможный выигрыш в обнаружительной способности составит 5-7,5 раз.

Проводились исследования зависимости болометрических свойств пленок оксида ванадия в зависимости от их состава и структуры. Исследования проводилось на серии образцов с разным содержанием диоксида ванадия, о чем свидетельствовала температурная зависимость сопротивления. Пленки с большим содержанием У02 имели ярко выраженный фазовый переход, с уменьшением содержания диоксида ванадия перепад сопротивления до и после перехода уменьшался, вплоть до исчезновения перехода.

Исследования показали, что чем меньше в пленке диоксида ванадия, и чем более мелкозернистая структура пленки, тем меньше напряжение избыточного токового I//' шума. Это объясняется природой фазового перехода в диоксиде"ванадия, а именно, изменением кристаллической решетки, что приводит к появлению механических напряжений и сопутствующих им дислокаций в пленке. Фазовый переход начинается с и появления зародышей новой фазы в толще старой, и чем больше величина

зерна, тем большее количество этих зародышей в нем может появиться и тем I труднее механическим напряжениям разрядится путем вытеснения

дислокаций на границу зерна. Зародыши новой фазы упорядочиваются в доменную сверхструктуру с появлением механических напряжении на стенках доменов. Уже при комнатной температуре в зернах У02 активно происходит процесс появления и исчезновения зародышей металлической фазы, что приводит к флуктуациям механических напряжений и рассеяния электронов проводимости на напряженных доменных стенках, что и является источником токового 1//шума.

В четвертой главе проведено расчетное моделирование основных характеристик микроболометрической линейки, описана топология макетного образца 65-элементных МБЛ, приведены результаты исследования характеристик отдельных элементов линейки и намечены пути улучшения этих характеристик.

Основные характеристики микроболометра рассчитывали для чувствительного элемента (ЧЭ) мембранного типа, который представляет собой приемную площадку, вывешенную на двух ножках над вытравленной Ь в подложке полостью. Значения тепловой проводимости б и постоянной

времени, принятые в расчете, получены из возможной топологии ЧЭ и I удельных теплопроводности и теплоемкости тонкопленочных материалов.

I» Сопротивление микроболометра и шумовой коэффициент К выбраны,

исходя из результатов предварительных исследований болометрических свойств пленок диоксида ванадия.

Получены расчетные зависимости от тока смещения вольтовой чувствительности, обнаружительной способности микроболометров и разность температур, эквивалентная шуму (АгЕТО) ТВП, использующего 64-элементую МБЛ. Расчет показал, что используя пленку с К~ 10"2' и имея й = 2-10'7 Вт/К, можно достигнуть обнаружительной способности /)* = 109 см Гц'/2/Вт. Тепловизионный прибор, использующий такую линейку, может иметь частоту кадра до 1,5 Гц и ИЕТБ до 60 мК.

Созданный макетный образец МБЛ представляет собой кристалл с четырьмя 65-элементными линейками мембранного типа с растрами

разводки. ЧЭ линеек отличаются длиной, шириной и конфигурацией ножек. Площадь приемной поверхности 46*46 мкм2, шаг в линейки 50 мкм.

По измеренным ВАХ и температурным зависимостям сопротивления рассчитаны ТКС, электрическая вольтовая чувствительность и тепловая проводимость элементов всех типов линеек, выбрана наилучшая топология ЧЭ. Для нескольких микроболометров получен болометрический отклик на излучение АЧТ с температурой 104°С. Обнаружительная способность ,

микроболометров на частоте 12,5 Гц составила (4,5-5)* 10 см Гц"2/Вт при постоянной времени 4-3 мс.

Исследованные микроболометры имели избыточный токовый \//шум, ^

обусловленный микроструктурой УОх пленок. По величине коэффициента токового шума, приведенного к единице объема, микроболометры близки к тестовым структурам, не подвергшимся химической обработке.

Количество дефектных элементов (с нарушенной структурой или с 1

сопротивлением, отличающимся более чем в 1,5 раза от среднего) в кристалле с четырьмя МБ Л составило менее 3%. Некоторые линейки вообще не содержали дефектных пикселей. Разброс по сопротивлению в них не превышал 9%, а по ТКС - 3%.

Одним из путей улучшения характеристик микроболометров является, во-первых, уменьшение тепловой проводимости С посредством удлинения и уменьшения ширины ножек подвески. Проведенные расчеты показали, что уменьшение С в 3,5 раза приводит к увеличению обнаружительной способности в 2,7 раза. Другим путем увеличения обнаружительной способности является снижение уровня избыточного токового М/шума. Это возможно при использовании пленок УОч с пониженным содержанием *

диоксида ванадия. Наименьший шумовой параметр К для пленок со слабо выраженным фазовым переходом был на два порядка меньше, чем I

наименьший К пленок, использованных при создании МБЛ. Расчетный «

анализ показывает, что это даст выигрыш в обнаружительной способности в 7 раз, что примерно соответствует возможному выигрышу при работе на фазовом переходе пленки У02.

Проведенные исследования временной стабильности характеристик микроболометров показали, что сопротивление микроболометров, изначально имеющих удовлетворительную структуру, незначительно увеличилось, а значение избыточного токового шума уменьшилось. Это, по-видимому, связано с захватом пленкой УОх избыточного кислорода, содержащегося в пассивирующей пленке диоксида кремния, и заполнении оборванных связей. Улучшилась и обнаружительная способность этих микроболометров.

Проведены исследования влияния давления окружающего воздуха на вольтовую чувствительность микроболометра. Конвективная теплопроводность при нормальном атмосферном давлении в нашем случае оказывается почти на порядок больше теплопроводности по ножкам. Тепловая проводимость по ножкам становится определяющей начиная с давления -0,1 мм.рт.ст.. Увеличение давление окружающего воздуха приводит к снижению вольтовой чувствительности, но улучшает быстродействие микроболометра.

Проведенные комплексные исследования характеристик микроболометрических элементов мембранного типа неохлаждаемой МБЛ показали перспективность данного типа приемников ИК-излучения, благодаря малой стоимости и простоте при возможности достижения обнаружительной способности ~ 109 см Гц1/2/Вт.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы.

Основные результат ы работы:

1. Проведенный аналитический обзор литературы показал, что наиболее перспективными термочувствительными материалами для микроболометров являются оксид ванадия и аморфный гидрогенизированный кремний, однако остаются открытыми вопросы природы избыточного токового шума в этих материалах и особенности поведения болометра на основе пленки У02 в области фазового перехода металл-полупроводник.

2. Проведенные сравнительные исследования болометрических свойств тонкопленочных структур на основе выбранных термочувствительных материалов показали преимущества тонкопленочного оксида ванадия для применения в многоэлементных микроболометрических приемниках с чувствительным элементом плоскостного типа. Пленки аморфного гидрогенизированного кремния (аБШ) и пленки УОх почти одинаковы по основным болометрическим свойствам - значению ТКС и шумового параметра К. Однако, большое удельное сопротивление пленок аБкН предполагает либо сэндвичный вариант построения чувствительного элемента, либо использование полевых транзисторов в считывающей электронике.

3. Избыточный шум пленок как аБШ, так и УОх в полупроводниковой фазе имеет токовый характер и зависимость Б у ~ 12//т', а ~ 1. В области фазового перехода избыточный шум пленок УОх более сложным образом зависит как от тока, так и от частоты, что указывает на проявление источника шума, обусловленного особенностями фазового перехода зерен УОг-

4. Наименьшим токовым шумом обладают мелкозернистые образцы пленок УОх с минимальным содержанием диоксида ванадия. Кроме того, при значениях х от 2 до 2,5 пленки УОх не имеют фазового перехода в области температур 15-90°С, что способствует расширению диапазонов линейности и/или рабочих температур микроболометров.

5. В ходе проведенных исследований поведения болометра на основе УОх-пленки с преимущественным содержанием УОз в широком температурном интервале, включая фазовый переход, установлено, что при постоянном смещении, вследствие гистерезисного характера перехода вольтовая чувствительность оказывается пропорциональна крутизне перехода йЛ/йТ только при первом облучении. Чувствительность при повторном облучении и к модулированному оптическому сигналу пропорциональна сопротивлению и ТКС полупроводниковой фазы пленки У02.

6. Экспериментально установлено, что для обеспечения возможности работы микроболометра с УСЬ термочувствительной пленкой в области фазового перехода и исключения влияния петли гистерезиса перехода необходимо использовать импульсное питание. Оно должно обеспечивать выведение микроболометра в рабочую точку на переходе в момент считывания с него сигнала и последующее возвращение в полностью полупроводниковое состояние.

7. Разработана методика расчета основных характеристик неохлаждаемых микроболометров и многоэлементных приемников на их основе, где в качестве параметра оптимизации выбран ток смещения.

8. Разработана сравнительно простая технология, позволяющая « изготавливать линейки неохлаждаемых микроболометров методом групповой обработки пластин со сформированной на них электроникой I считывания. Это снижает трудоемкость и стоимость изготовления % одного линейного приемника.

9. Созданы макетные образцы МБЛ с различной топологией элемента. В результате исследования теплофизических свойств отдельных микроболометров выбрана оптимальная топология. Микроболометры изготовленных 65-элементных линеек на постоянном токе смещения и частоте 12,5 Гц имеют обнаружительную способность ~5х 107 см-Гц1/2/Вт и постоянную времени 3-4 мс.

10. Полученная теплоемкость микроболометров «2,2-10"9 Дж/К допускает возможность увеличения их чувствительности путем уменьшения теплопроводности ножек подвески чувствительного элемента. Другим способом повышения чувствительности является снижение уровня избыточного токового шума.

11. Расчетный анализ с использованием экспериментально полученных результатов показал, что можно достигнуть значения обнаружительной способности ~ 109 смТц"2/Вт. Показана возможность создания на основе 64-элементной линейки сканирующего тепловизионного прибора с частотой кадра до 1,5 Гц, имеющего NETD = 60 мК.

12. Повторные исследования характеристик микроболометров после 14 месяцев хранения показали отсутствие существенной деградации элементов, изначально имеющих хорошую микроструктуру, независимо от условий хранения (вакуумирование или его отсутствие).

Реакция на опубликование сведений о параметрах разработанных макетных образцов МБЛ показала заинтересованность в их промышленном выпуске разработчиков ИК-приборов различного назначения - систем ориентации космических аппаратов по ИК излучению Земли, многоканальных газоанализаторов, простых тепловизионных приборов для контроля технологических процессов и предупреждения о пожароопасности оборудования и помещений, комплексированных приборов, имеющих в своем составе ИК канал в качестве дополнительного.

В приложение включены некоторые расчетные зависимости характеристик микроболометров, не вошедшие в основную часть. Также в приложении содержатся заключения организаций, заинтересованных в продолжении работ по неохлаждаемым МБЛ и подготовке их серийного выпуска.

Основные результаты по теме диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

1. Груздева А.П., Зеров В.Ю., Коновалова О.П., Куликов Ю.В., Маляров В.Г., Хребтов И.А., Шаганов И.И. Болометрические и шумовые свойства элементов на основе пленок диоксида ванадия для неохлаждаемых инфракрасных матриц // Оптический журнал. -1997. -Т.64, №12. -С.38-42.

2. Зеров В.Ю., Куликов Ю.В., Маляров В.Г., Феоктистов H.A., Хребтов И.А. Болометрические свойства кремниевых пленочных структур, полученных методом плазмохимического газофазного осаждения // Письма в ЖТФ. -1997. -Т.23, вып. 12. -С.63-68.

3. Голубев В.Г., Зеров В.Ю., Куликов Ю.В., Маляров В.Г., Феоктистов H.A., Хребтов H.A. Шумовые и оптические свойства болометрических структур на основе пленок a-Si:H. // Тезисы докладов Всероссийского симпозиума с участием ученых из стран СНГ "Аморфные и микрокристаллические полупроводники". -1998. -Санкт-Петербург. -С.133.

4. Зеров В.Ю., Куликов Ю.В., Леонов В.Н., Маляров В.Г., Хребтов И.А., Шаганов И.И, Чувствительность и избыточный шум VCb-болометра вблизи фазового перехода // Сборник тезисов Международной конференции "Прикладная оптика 98". -1998. -Санкт-Петербург. -С.90.

5. Зеров В.Ю., Куликов Ю.В., Маляров В.Г., Феоктистов H.A., Хребтов И.А., Шаганов И.И. Сравнительные исследования болометрических свойств тонкопленочных структур на основе диоксида ванадия и аморфного гидрированного кремния // Тезисы докладов XV Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике, электронным и ионно-плазменным технологиям. -1998. -Москва. -С.12.

6. Malyarov V.G., Khrebtov I.A., Kulikov Yu.V., Shaganov II., Zerov V.Yu., Feoktistov N.F. Comparative investigations of bolometric properties of thin-film structure based on vanadium dioxide and amorphous hydrated silicon // Proc. SPIE. -1999. -Vol.3819. -P.136-142.

7. Зеров В.Ю., Маляров В.Г. Шумовые исследования тонкопленочных структур для неохлаждаемых микроболометрических матриц // Тезисы докладов Международной конференции молодых ученых и специалистов "Оптика-99" -1999. -Санкт-Петербург. -С. 198.

8. Зеров В.Ю., Куликов Ю.В., Леонов В.Н., Маляров В.Г., Хребтов И.А., Шаганов И.И. Особенности работы болометра на основе пленки диоксида ванадия в интервале температур, включающем фазовый переход // Оптический журнал. -1999. -Т.66, №5. -С.8-12.

9. Malyarov V.G., Khrebtov I.A., Kulikov Yu.V., Shaganov I.I., Smirnov A.D., Raguzina L.S., Zerov V.Yu. Development of 65x1 uncooled membrane type microbolometer array. // Proc. SPIE. -2000. -Vol.4340. -P.64-69.

10. Маляров В.Г., Хребтов И.А., Смирнов А.Д., Рагузина Л.С., Зеров В.Ю., Куликов Ю.В., Шаганов И.И. Разработка 65-элементной неохлаждаемой микроболометрической линейки мембранного типа. // Тезисы докладов XVI Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике, электронным и ионно-плазменным технологиям. -2000. -Москва. -С.48.

11. Зеров В.Ю., Куликов Ю.В., Маляров В.Г., Хребтов И.А., Шаганов И.И. Исследование свойств микрокристаллических пленок VOx в зависимости от условий напыления // Тезисы докладов II Международной конференции "Аморфные и микрокристаллические полупроводники". -2000. -Санкт-Петербург. -С. 106.

12. Зеров В.Ю., Маляров В.Г., Куликов Ю.В., Хребтов И.А., Шаганов И.И., Смирнов А.Д. Неохлаждаемая микроболометрическая линейка мембранного типа на основе пленки VOv // Сборник тезисов

j I

Международной конференции "Прикладная оптика-2000". -2ООО. -Санкт-Петербург. -С. 116-117.

13. Зеров В.Ю., Куликов Ю.В., Маляров В.Г., Хребтов И.А., Шаганов И.И., Шадрин Е.Б. Пленки VOx с улучшенными болометрическими характеристиками для ИК-матриц. // Письма в ЖТФ. -2001. -Т.27, вып.9. -С.57-63.

14. Зеров В.Ю., Маляров В.Г., Хребтов И.А., Смирнов А.Д., Куликов Ю.В., Шаганов И.И. Неохлаждаемая микроболометрическая линейка мембранного типа на основе пленки VOx // Оптический журнал. -2001. -Т.68, №6. -С.63-67.

15. Зеров В.Ю., Маляров В.Г- Термочувствительные материалы для неохлаждаемых микроболометрических матриц (обзор) // Оптический журнал. -2001. -Т.68, №12. -С.88-100.

16. Zerov V.Yu., Malyarov KG., Khrebtov I.A., Schadrin E.B. Dependence of current 1/f noise of VOx films on their phase composition and structure // Proc. 16lh International Confer, on "Noise in Physical Systems and 1/f Fluctuations", Gainesville, Florida. -2001. -P.77-80.

Цитируемая литература.

1. Wood R.A., Foss N. A. Micromachined bolometer arrays achieve low-cost imaging // Laser Focus World - 1993. - Vol. 29, №6. - P. 101-106.

2. Hanson C. Uncooled thermal imaging at Texas Instruments // Proc. SPIE. -1993. - Vol.2020. - P.330-339.

3. Ерофейчев В.Г., Мирошников M.M. Перспективы использования ИК матриц в тепловидении // Оптический журнал. - 1997. - Т. 64, №2. -С.5-13.

4. Хребтов И.А., Маляров В.Г. Неохлаждаемые тепловые матричные приемники ИК излучения // Оптический журнал. - 1997. - Т. 64, №6. -С.3-17.

5. Раре D., Jerominek #., Alain С. et al. 256x1 and 256x40 pixel bolometer arrays for space and industrial application // Proc.SPIE. - 1998. - Vol. 3436. -P. 325-331.

6. Kruse P. W. Thermal imagers move from military to marketplace // Photonics Spectra. - 1995. - Vol. 29, №3 - P. 103-108.

' 'J 11 g

í

I oo j

Отпечатано в ООО «АРИОН». Зак. 39. Тир. 100 экз.

Введение

Глава 1. Термочувствительные материалы и конструктивные особенности элементов неохлаждаемых микроболометрических матриц.

1.1. Основные характеристики и требования к термочувствительному слою микроболометра

1.2. Пленки окислов ванадия.

1.3. Пленки аморфного и поликристаллического кремния, германия и их соединений.

1.4. Пленки полупроводникового аморфного Y-Ba-Cu-O

1.5. Пленки манганитов

1.6. Пленки титана

1.7. Выводы

Глава 2. Сравнительные исследования сэндвичных и плоскостных микроболометрических структур

2.1. Сэндвичные структуры на основе пленок aSi:H

2.2. Плоскостные структуры на основе VOx пленок

2.3. Оптические характеристики структур

2.4. Выводы

Глава 3. Особенности использования пленок VOx в качестве термочувствительного слоя болометра.

3.1. Работа VOx болометра в интервале температур, включающем фазовый переход

3.1.1. Устройство болометра

3.1.2. Зависимость чувствительности от температуры

3.1.3. Исследование шума

3.2. Зависимость болометрических свойств VOx пленок от состава и структуры

3.3. Выводы

Глава 4. Разработка микроболометрической линейки

4.1. Расчетное моделирование основных характеристик микроболометрической линейки

4.1.1 Расчет теплофизических параметров

4.1.2 Моделирование условий достижения максимальной вольтовой чувствительности и обнаружительной способности

4.1.3 Моделирование условий получения минимальной

NETD прибора, использующего МБЛ

4.1.4. Выводы

4.2. Топология, структура и технология изготовления МБЛ

4.3. Исследование характеристик микроболометров

4.4. Возможные пути улучшения характеристик микроболометров

4.5. Исследование временной стабильности характеристик микроболометров

4.6. Влияние давления окружающего воздуха на вольтовую чувствительность микроболометра

4.7. Результаты 113 Заключение 115 Список публикаций автора 119 Литература 122 Приложение

Одной из тенденций развития современных многоэлементных ИК приемников излучения, наряду с повышением их чувствительности, является снижение их стоимости, весо-габаритных параметров и энергопотребления. Это связано с расширением сферы применения тепловизионных и других ИК приборов в промышленности, для экологического мониторинга, на транспорте, в охранных системах, в медицине и др. За рубежом активно проводятся разработки таких приборов на основе неохлаждаемых микроболометрических одномерных и двумерных матриц. Появление I высокочувствительных неохлаждаемых многоэлементных инфракрасных приемников излучения расценивается специалистами как наиболее значительное достижение ИК-техники за последние четверть века [1-4].

Эти приемники по чувствительности в средней ИК области приближаются к криогенным фотонным многоэлементным приемникам и выгодно отличаются от них неселективностью в широком спектральном интервале и значительно меньшей стоимостью, вследствие применения более дешевых материалов и совместимости технологии их изготовления с процессами современной технологии кремниевых интегральных микросхем. Это дает возможность изготавливать массивы чувствительных элементов и считывающую электронику на одной базовой кремниевой подложке. К основным преимуществам, отличающим ИК приборы на основе неохлаждаемых микроболометрических многоэлементных приемников, помимо отсутствия системы криогенного охлаждения, относится возможность работы без модуляции регистрируемого потока излучения.

Отмеченное выше позволяет создавать на основе микроболометрических приемников инфракрасные приборы, имеющие малые габариты, вес, энергопотребление и стоимость в 10-100 раз меньшую, чем у приборов на основе криогенных фотонных приемников ИК излучения. Это открывает возможность использование таких приборов не только для решения оборонных задач, но и во многих гражданских применениях [5, 6].

Помимо задач,, решаемых с помощью двумерных крупноформатных (320x240 и более) неохлаждаемых матриц, существует ряд задач, где вполне достаточно использование одномерных матриц (линеек), причем среднего формата (-1*100). Это, например, тепловизионные приборы для автоматического контроля пожароопасных устройств и помещений, системы ориентации космических аппаратов по И К излучению Земли и автоматического контроля некоторых производственных процессов в различных отраслях промышленности. Неохлаждаемые микроболометрические линейки (МБЛ) еще более просты в изготовлении и эксплуатации, дешевле и экономичнее, чем матрицы.

В нашей стране работы по неохлаждаемым болометрическим многоэлементным приемникам начаты всего несколько лет назад и находятся в стадии лабораторных разработок, что в значительной степени сдерживает разработку малогабаритных и дешевых тепловизионных приборов широкого назначения.

Основной задачей диссертационной работы являлась разработка неохлаждаемого микроболометрического многоэлементного приемника излучения для использования в малогабаритных И К приборах малой стоимости.

Решение поставленной задачи требовало выполнения следующих исследований и разработок:

1. Исследование электрофизических и шумовых свойств тонкопленочных полупроводниковых материалов для термочувствительного слоя приемного элемента и особенностей их применения в неохлаждаемых микроболометрах.

2. Отработка технологических методик напыления термочувствительного слоя с необходимыми' электрофизическими, шумовыми и технологическими свойствами.

3. Проведение расчетного анализа параметров микроболометров и многоэлементного приемника на их основе.

4. Разработка топологии, структуры и технологических методик изготовления микроболометрической линейки.

5. Создание макетного образца неохлаждаемой микроболометрической линейки и исследование характеристик ее элементов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Исследования шумовых свойств тонких пленок оксида ванадия (VOx) выявили, что основным источником избыточного токового шума, в том числе и при комнатной температуре, являются особенности фазового перехода металл-полупроводник зерен диоксида ванадия. Величина токового Mf шума зависит от мелкозернистости пленки и процентного содержания VO2.

2. Показана возможность использования большой крутизны зависимости R(T) в области фазового перехода только при условии импульсного питания болометра, для чего изучены особенности работы болометра на основе пленки VOx с преимущественным содержанием диоксида ванадия в широком температурном интервале, включающем фазовый переход металл-полупроводник.

3. Разработана методика расчета основных параметров неохлаждаемых микроболометров, в которой параметром оптимизации является ток смещения.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Использование микроболометра на основе пленки диоксида ванадия в области фазового перехода полупроводник-металл имеет следующие особенности:

- повышение вольтовой чувствительности за счет большой крутизны температурной зависимости сопротивления требует импульсного смещения, исключающего влияние гистерезисного характера перехода;

- при смещении постоянным током чувствительность микроболометра уменьшается, т.к. оказывается пропорциональной сопротивлению пленки VO2 и температурному коэффициенту сопротивления полупроводниковой фазы пленки.

2. Пленки оксида ванадия VOx с содержанием кислорода, определяемым соотношением 2<х<2,5, и мелкозернистой структурой не имеют фазового перехода и обладают значительно меньшим токовым 11f шумом по сравнению с пленками диоксида ванадия. Применение таких пленок в качестве термочувствительного слоя неохлаждаемых микроболометров расширяет область рабочих температур до 80-90°С и повышает обнаружительную способность в 5-7 раз.

3. Разработанная технология изготовления микроболометрических линеек, реализованные величины теплоемкости чувствительных элементов и тепловой проводимости их связи с теплостоком, полученный низкий уровень токового Mf шума пленок VOx обеспечивает достижение обнаружительной способности до 109 см Гц1/2/Вт.

Практическая ценность полученных в диссертационной работе результатов заключается в следующем. Разработан, изготовлен и исследован один из первых отечественных макетных образцов неохлаждаемой 65-элементной микроболометрической линейки. Разработанная технология изготовления многоэлементного неохлаждаемого микроболометрического приемника мембранного типа может быть использована в дальнейшем при промышленном выпуске таких приемников, а также при разработке охлаждаемых микроболометрических приемников излучения. Даны практические рекомендации и' намечены пути улучшения характеристик неохлаждаемых микроболометров. Методики расчета и результаты проведенных исследований болометрических, свойств полупроводниковых тонкопленочных материалов могут быть использованы при разработке разнообразных неохлаждаемых микроболометрических приемников ИК излучения. ,

Апробация. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: ;>

1. Всероссийском симпозиуме с участием ученых из стран СНГ "Аморфные и микрокристаллические полупроводники" (С. Петербург, 1998 г.)

2. Международных конференциях "Прикладная оптика 98" и "Прикладная оптика-2000" (С. Петербург, 1998, 2000 гг.)

3. XV и XVI Международных научно-технической конференциях по фотоэлекгронике, электронным и ионно-плазменным технологиям. (Москва, 1998, 2000 гг.)

4. Международной конференции молодых ученых и специалистов "Оптика-99" (С. Петербург, 1999 г.)

5. II Международной конференции "Аморфные и микрокристаллические полупроводники" (С. Петербург, 2000 г.)

6. 16th International Conference on Noise in Physical Systems and 1/f Fluctuations ICNF-16 (Gainesville, USA, 2001).

7. Научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Санкт-петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» (С. Петербург, 1999-2002 г.г.)

Основные результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, могут быть кратко сформулированы следующим образом:

1. Проведенный аналитический обзор литературы показал, что наиболее перспективными термочувствительными материалами для микроболометров являются оксид ванадия и аморфный гидрогенизированный кремний, однако остаются открытыми вопросы природы избыточного токового шума в этих материалах и особенности поведения болометра на основе пленки VO2 в области фазового перехода металл-полупроводник.

2. Проведенные сравнительные исследования болометрических свойств тонкопленочных структур на основе выбранных термочувствительных материалов показали преимущества тонкопленочного оксида ванадия для применения в многоэлементных микроболометрических приемниках с чувствительным элементом плоскостного типа. Пленки аморфного гидрогенизированного кремния (aSi:H) и пленки VOx почти одинаковы по основным болометрическим свойствам - значению ТКС и шумового параметра К. Однако, большое удельное сопротивление пленок aSi:H предполагает либо сэндвичный вариант построения чувствительного элемента, либо использование полевых транзисторов в считывающей электронике.

3. Избыточный шум пленок как aSi.H, так и VOx в полупроводниковой фазе имеет токовый характер и зависимость Sy ~ J2/f°, а~ 1. В области фазового перехода избыточный шум пленок VOx более сложным образом зависит как от тока, так и от частоты, что указывает на проявление источника шума, обусловленного особенностями фазового перехода зерен VO2. «

4. Наименьшим токовым шумом обладают мелкозернистые образцы пленок VOx с минимальным содержанием диоксида ванадия. Кроме того, при значениях х от 2 до 2,5 пленки VOx не имеют фазового перехода в области температур 15-90°С, что способствует расширению диапазонов линейности и/или рабочих температур микроболометров. В ходе проведенных исследований поведения болометра на основе VOx-пленки с преимущественным содержанием VO2 в широком температурном интервале, включая фазовый переход, установлено, что при постоянном смещении, вследствие гистерезисного характера перехода вольтовая чувствительность оказывается пропорциональна крутизне перехода dR'dT только при первом облучении. Чувствительность при повторном облучении и к модулированному оптическому сигналу пропорциональна сопротивлению и ТКС полупроводниковой фазы пленки VO2.

Экспериментально установлено, что для обеспечения возможности работы микроболометра с VO2 термочувствительной пленкой в области фазового перехода и исключения влияния петли гистерезиса перехода необходимо использовать импульсное питание. Оно должно обеспечивать выведение микроболометра в рабочую точку на переходе в момент считывания с него сигнала и последующее возвращение в полностью полупроводниковое состояние.

Разработана методика расчета основных характеристик неохлаждаемых микроболометров и многоэлементных приемников на их основе, где в качестве параметра оптимизации выбран ток смещения. Разработана сравнительно простая технология, позволяющая изготавливать линейки неохлаждаемых микроболометров методом групповой обработки пластин со сформированной на них электроникой считывания. Это снижает трудоемкость и стоимость изготовления одного линейного приемника.

Созданы макетные образцы МБЛ с различной топологией элемента. В результате исследования теплофизических свойств отдельных микроболометров выбрана оптимальная топология. Микроболометры изготовленных 65-элементных линеек на постоянном токе смещения и частоте 12,5 Гц имеют обнаружительную способность &5*107 см Гц1/2/Вт и I постоянную времени 3 - 4 мс.

10. Полученная теплоемкость микроболометров «2,2-10'9 Дж/К допускает возможность увеличения их чувствительности путем уменьшения теплопроводности ножек подвески чувствительного элемента. Другим способом повышения чувствительности является снижение уровня избыточного токового шума.

11. Расчетный анализ с использованием экспериментально полученных результатов показал, что можно достигнуть значения обнаружительной способности - 109 см Гц1/2/Вт. Показана возможность создания на основе 64-элементной линейки сканирующего тепловизионного прибора с частотой кадра до 1,5 Гц, имеющего NETD - 60 мК.

12. Повторные исследования характеристик микроболометров после 14 месяцев хранения показали отсутствие существенной деградации элементов, изначально имеющих хорошую микроструктуру, независимо от условий хранения (вакуумирование или его отсутствие).

Реакция на опубликование сведений о параметрах разработанных макетных образцов МБЛ показала заинтересованность в их промышленном выпуске разработчиков ИК-приборов различного назначения - систем ориентации космических аппаратов по ИК излучению Земли, многоканальных газоанализаторов, простых тепловизионных приборов для контроля технологических процессов и предупреждения о пожароопасности оборудования и помещений, комплексированных приборов, имеющих в своем составе И К канал в качестве дополнительного. Низкие стоимость и энергопотребление таких приборов сделают их доступными во многих отраслях промышленности, на транспорте, в медицине, в сфере обслуживания и т.д.

В заключении автор хотел бы выразить благодарность Шаганову ИИ. и Феоктистову Н.А. за напыление термочувствительных пленок, Смирнову А.Д. и Рагузиной Л.С. за изготовление микроболометрической линейки, Бобылю А.В. и Бойдаковой М.В. за помощь в проведении структурных исследований пленок VOx, Груздевой А.П. и Енуковой Т.А. за химико-технологическую поддержку работы, Малярову В.Г. и Куликову Ю.В. за помощь в проведении экспериментальных исследований и обсуждении полученных результатов, Шадрину Е.Б. за помощь в интерпретации результатов.

Автор выражает глубочайшую благодарность научному руководителю Хребтову И.А., а также Малярову В.Г. за доброжелательное отношение к работе, постоянную помощь и поддержку на всех ее этапах, творческое обсуждение результатов работы, а также тщательную корректировку текста диссертации.

Список публикаций автора

Груздева А.П., Зеров В.Ю., Коновалова О.П., Куликов Ю.В., Маляров В.Г., Хребтов И. А., Шаганов И. И. Болометрические и шумовые свойства элементов на основе пленок диоксида ванадия для неохлаждаемых инфракрасных матриц // Оптический журнал. -1997. -Т.64, №12. -С.38-42. Зеров В.Ю., Куликов Ю.В., Маляров В.Г., Феоктистов Н.А., Хребтов И.А. Болометрические свойства кремниевых пленочных структур, полученных методом плазмохимического газофазного осаждения // Письма в ЖТФ. -1997. -Т.23, вып. 12. -С.63-68.

Голубев В.Г., Зеров В.Ю., Куликов Ю.В., Маляров В.Г., Феоктистов Н.А., Хребтов И.А. Шумовые и оптические свойства болометрических структур на основе пленок a-Si:H. // Тезисы докладов Всероссийского симпозиума с участием ученых из стран СНГ "Аморфные и микрокристаллические полупроводники". -1998. -Санкт-Петербург. -С. 133. Зеров В.Ю., Куликов Ю.В., Леонов В.Н., Маляров В.Г., Хребтов И.А., Шаганов И.И. Чувствительность и избыточный шум УОг-болометра вблизи фазового перехода // Сборник тезисов Международной конференции "Прикладная оптика 98". -1998. -Санкт-Петербург -С.90. Зеров В.Ю., Куликов Ю.В., Маляров В.Г., Феоктистов Н.А., Хребтов И.А., Шаганов И. И. Сравнительные исследования болометрических свойств тонкопленочных структур на основе диоксида ванадия и аморфного гидрированного кремния // Тезисы докладов XV Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике, электронным и ионно-плазменным технологиям. -1998. -Москва. -С. 12. Malyarov V.G., Khrebtov I.A., Kulikov Yu.V., Shaganov 1.1., Zerov V.Yu., Feoktistov N.F. Comparative investigations of bolometric properties of thin-film structure based on vanadium dioxide and amorphous hydrated silicon // Proc. SPIE. -1999. -Vol.3819. -P. 136-142.

Зеров В.Ю., Маляров В.Г. Шумовые исследования тонкопленочных структур для неохлаждаемых микроболометрических матриц // Тезисы докладов Международной конференции молодых ученых и специалистов "Оптика-99" -1999. -Санкт-Петербург. -С. 198.

8. Зеров В.Ю., Куликов Ю.В., Леонов В.Н., Маляров В.Г., Хребтов И.А., Шаганов И.И. Особенности работы болометра на основе пленки диоксида ванадия в интервале температур, включающем фазовый переход // Оптический журнал. -1999. -Т.66, №5. -С.8-12.

9. Malyarov V.G., Khrebtov I.A., Kulikov Yu.V., Shaganov 1.1., Smirnov A.D., Raguzina L.S., ZerovV.Yu. Development of 65x1 uncooled membrane type microbolometer array. // Proc. SPIE. -2000. -Vol.4340. -P.64-69.

10. Маляров В.Г., Хребтов И.А., Смирнов А.Д., Рагузина Л.С., Зеров В.Ю., Куликов Ю.В., Шаганов И.И. Разработка 65-элементной неохла>кдаемой микроболометрической линейки мембранного типа. // Тезисы докладов XVI Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике, электронным и ионно-плазменным технологиям. -2000. -Москва. -С.48.

11. Зеров В.Ю., Куликов Ю.В., Маляров В.Г., Хребтов И.А., Шаганов И.И. Исследование свойств микрокристаллических пленок VOx в зависимости от условий напыления // Тезисы докладов II Международной конференции "Аморфные и микрокристаллические полупроводники". -2000. -Санкт-Петербург.-С. 106.

12. Зеров В.Ю., Маляров В.Г., Куликов Ю.В., Хребтов И.А., Шаганов И.И., Смирнов А.Д. Неохлаждаемая микроболометрическая линейка мембранного типа на основе пленки VOx. // Сборник тезисов Международной конференции "Прикладная оптика-2000". -2000. -Санкт-Петербург. -С. 116-117.

13. Зеров В.Ю., Куликов Ю.В., Маляров В.Г., Хребтов И.А., Шаганов И.И., Шадрин Е.Б. Пленки VO* с улучшенными болометрическими характеристиками для ИК-матриц. // Письма в ЖТФ. -2001. -Т.27, вып.9. -С.57-63.

14. Зеров В.Ю., Маляров В.Г., Хребтов И. А., Смирнов А.Д., Куликов Ю.В., Шаганов И.И. Неохлаждаемая микроболометрическая, линейка мембранного типа на основе пленки VOx // Оптический журнал. -2001. -Т.68, №6. -С.63-67.

15.Зеров В.Ю., Маляров В.Г. Термочувствительные материалы для неохлаждаемых микроболометрических матриц (обзор) // Оптический журнал. -2001. -Т.68, №12. -С.88-100.

16.Zerov V. Yu., Malyarov V.G., Khrebtov I.A., Schadrin E.B. Dependence of current 1/f noise of VO* films on their phase composition and structure // Proc. 16th International Confer, on "Noise in Physical Systems and 1/f Fluctuations", Gainesville, Florida. -2001. -P.77-80.

Заключение

1. Wood R.A., Foss N. A. Micromachined bolometer arrays achieve low-cost imaging // Laser Focus World - 1993. - Vol. 29, №6. - P. 101-106.

2. Wood R.A. Uncooled thermal imaging with monolithic silicon focal plans // Proc. SPIE.- 1993,-Vol.2020.- P.322-329.

3. Hanson C. Uncooled thermal imaging at Texas Instruments // Proc. SPIE. -1993. Vol.2020. - P.330-339.

4. Ерофейчев В.Г., Мирошников M.M. Перспективы использования ИК матриц в тепловидении // Оптический журнал. 1997. - Т. 64, №2. -С.5-13.

5. Вгееп Т., Kohin М., Marshall С.A. et al. Even more applications of uncooled microbolometer sensors // Proc.SPIE. 1999. - Vol. 3698. - P.308-319.

6. Pape D., Jerominek H., Alain C. et al. 256x1 and 256x40 pixel bolometer arrays for space and industrial application // Proc.SPIE. 1998. - Vol. 3436. -P. 325-331.

7. Saint-Ре O., Dubet D., Duthil P. et al. Study of uncooled focal plane array for thermal observation of the Earth // Proc.SPIE. 1998. - Vol. 3436. -P. 593604.

8. Kruse P. W. Thermal imagers move from military to marketplace // Photonics Spectra. 1995. - Vol. 29, №3- P. 103-108.

9. Хребтов И.А., Маляров В.Г. Неохлаждаемые тепловые матричные приемники ИК излучения // Оптический журнал. 1997. - Т. 64, №6. -С.З-17.

10. Liddiard К.С. Thin-film monolithic detector arrays for uncooled thermal imaging. // Proc.SPIE. 1993. - Vol. 1969. -P. 206-216.

11. Hooge F.N., Kleinpenning T.G.M., Vandamme L.K.G. Experimental studies on 1/f noise // Rept. Prog. Phys. 1981. - Vol. 44. - P. 479-532.

12. Бугаев А.А., Захарченя Б.П., Чудновский Ф.А. Фазовый переход металл-полупроводник и его применение. Л.: Наука, 1979. - 283 с.

13. Kusano Е., Thell J.A., Thornton J.A. Deposition of vanadium oxide films bydirect-current magnetron feactive spettering // J. Vac. Sci. Techrtol. 1988. -Vol. 6, №3. - P. 1663-1667.

14. Jerominek H., Pope T.D., Renaud M. etal. 64x64, 128x128 and 240x320 pixel uncooled IR bolometric detector arrays // Proc.SPIE. 1997. - Vol. 3061. - P. 236-247.

15. Jerominek H., Pope T.D., Alain C. et al. 128x128 pixel uncooled bolometric FPA for IR detection and imaging // Proc.SPIE. 1998. - Vol. 3436. - P. 585592.

16. Breen Т., Butler N., Kohin M. et al. More applications of uncooled microbolometer sensors // Proc.SPIE. 1998. - Vol. 3436. - P. 530-540.

17. Pope T.D., Jerominek H., Alain C. et al. 256x1 and 256x40 pixel bolometer arrays for space and industrial applications // Proc.SPIE. 1998. - Vol. 3436. -P. 325-331.

18. Kim D.H., Kwok H.S. Pulsed laser deposition of VO2 thin films // Appl. Phys. Lett. 1994. - Vol. 65. - P. 3188-3190.

19. Jerominek H., Pope T.D., Alain C. et al. Miniature VCVbased bolometric detectors for high-resolution uncooled FPAs // Proc.SPIE. 2000. - Vol. 4028. - P. 47-56.

20. Case F.C. Improved V02 thin films for infrared switching //Appl. Opt. 1991. -Vol. 30.-P. 4119.

21. Kim H.K., You H., Chiarello R.P. et al. Finite-size effect on the first-order metal-insulator transition in VO2 film grown by metal-organic chemical-vapor deposition // Phys. Rev. В 1993. - Vol. 47. - P. 12900.

22. Jerominek H., Picard F., Vincent D. Vanadium oxide films for optical switching and detection // Opt. Eng. -1993. Vol. 32, No.9. -P. 2092-2099.

23. Jerominek H., Picard F., Swart N.R. et al. Micromachined, uncooled, V02-based, IR bolometer arrays // Proc.SPIE. 1996. - Vol. 2746. - P. 60-71.

24. Reintsema C.D., Grossman E.N., Koch J.A. Improved V02 microbolometers for infrared imaging: operation on the semiconducting-metallic phase transition with negative electrothermal feedback II Proc.SPIE. 1999. - Vol. 3698. - P.190.200.

25. Wada H., Nagashima M., Oda N. et at. Design and performance of 256x256 bolometer-type uncooled infrared detector // Proc.SPIE. 1998. - Vol. 3379. -P. 90-100.

26. Radford W., Murphy D., Finch A. et al. Microbolometer uncooled infrared camera with 20 mK NETD // Proc.SPIE. 1998. - Vol. 3379. - P. 22-35.

27. Howard P.E., Clarke J.E., Parrish W.J., Woolaway J.T. Advanced high-performance 320x240 VOx microbolometer uncooled IR focal plane // Proc.SPIE.-1999.-Vol. 3698. P. 131-136.

28. Butler N., Blackwell R., Murphy R. et al. Low cost uncooled microbolometer imaging system for dual use // Proc.SPIE. 1995. - Vol. 2552. -P.583-591.

29. Marshall C., Butler N., Blackwell R. et al. Uncooled infrared sensor with digital focal plane array // Proc.SPIE. 1996. - Vol. 2746. - P. 23-31.

30. Gurnee V.N., Kohin M., Blackwell R. et. al. Developments in uncooled IR technology at BAE SYSTEMS // Proc.SPIE. 2001. - Vol. 4369. - P. 287-296.

31. Murphy D., Ray M., Wyles R. et. al. High sensitivity (25 jam pitch) microbolometer FPAs and application development. // Proc.SPIE. 2001. -Vol. 4369. - P. 222-234.

32. Tribolet P., Chorier P., Manissadjian A. et al. High performance infrared detectors at Sofradir// Proc.SPIE. 2000. - Vol. 4028. - P. 438-455.

33. Brady J., Schimert Т., Ratcliff D. et al. Advences in amorphous silicon uncooled IR systems//Proc.SPIE.-1999.-Vol. 3698.-P. 161-167.

34. Liddiard K.C., Ringh U., Jartsson C., Reinbold O. Progress of Swedish-Australian research collaboration on uncooled smart IR sensors // Proc.SPIE. 1998. - Vol. 3436. - P. 578-584.

35. Unewisse M.H., Craig B.I., Watson R.J. et al. The growth and properties of semiconductor bolometers for infrared detection // Proc.SPIE. 1995. -Vol. 2554. - P. 43-54.

36. Ho W.Y., Surya Ch. Hydrogen motion and 1/f noise in hydrogen amorphous silicon thin films // Proc. 14th International Confer, on "Noise in Physical Systems and 1/f Fluctuations", Leuven, Belgium. -1997. -P. 438-441.

37. Tissot J.-L., Rothan F., Vedel C. et al. LETI/LIR's amorphous silicon uncooled microbolometer development // Proc.SPIE. 1998. - Vol. 3379. - P. 139-144.

38. Ropson S., Brady J., Francisco G. et. al. a-Si 160*120 microIR camera: operational performance // Proc.SPIE. 2001. - Vol. 4393. - P. 89-98.

39. Vedel C., Martin J.-L., Tissot J.-L. et al Amorpnous silicon based uncooled microbolometer IRFPA // Proc.SPIE. 1999. - Vol. 3698. - P. 276-283.

40. Mottin E., Martin J.-L., Ouvried-Buffet J.-L. et al. 320x240 microbolometer uncooled IRFPA // Proc.SPIE. 2000. - Vol. 4028. - P. 40-46.

41. De Moor P., John J., Sedky S., Van Hoof C. Linear arrays of fast uncooled poly SiGe microbolometers for IR detection // Proc.SPIE. 2000. - Vol. 4028. - P. 27-34.

42. Sedky S., Fiorini P., Caymax M. et al. IR bolometers made of polycrystalline Silicon Germanium // Sensors and Actuators A -1998. -Vol.66. -P. 193-199.

43. Хребтов И.А., Ткаченко А Д. Высокотемпературные сверхпроводниковые болометры для инфракрасной области спектра // Оптический журнал. -1999. Т. 66, №8. - С. 79-86.

44. Rice J.P., Grossman E.N., Rudman D.A. Antenna-coupled high- Tc air-bridge microbolometer on silicon //Appl. Phys. Lett. 1994. - Vol. 65. - P. 773-775.

45. Brasunas J.C., Lakew B. High Tc superconductor bolometer with recordperformance // Appl. Phys. Lett. 1994. - Vol. 64. - P, 777-779.

46. Butler D.P., Jahanzeb A., Shan P.C. et al. IR detection at room temperature using semiconducting YBaCuO // Proc.SPIE. 1996. - Vol.2816. -P.46-57.

47. Gray J., Celik-Butler Z, Butler D.P., Almasri M. Semiconducting YBaCuO as infrared detecting bolometers // Proc.SPIE. 1998. - Vol. 3436. - P. 55-565.

48. Jahanzeb A., Travers C.M., Celik-Butler Z. et al. A semiconductor YBaCuO microbolometer for room temperature IR imaging // IEEE Tran. Electron Dev. -1997.-Vol. 44.-P. 1795-1801.

49. Almasri M., Butler D.P., Celik-Butler Z. Free standing amorphous Y-Ba-Cu-0 detectors for uncooled IR detection and the effects of doping // Proc.SPIE. -1999. Vol. 3794. - P. 66-75.

50. Almasri M., Butler D.P., Celik-Butler Z. Semiconducting YBCO bolometers for uncooled IR detection // Proc.SPIE. 2000. - Vol. 4028. - P. 17-26.

51. Almasri M., Celik-Butler Z., Butler D.P. et. al. Semiconducting YBaCuO microbolometer for uncooled broad-band IR sensing // Proc.SPIE. 2001. -Vol. 4369. - P. 264-273.

52. Shan P.C., Jahanzeb A., Butler D.P., Celik-Butler Z. Hall effect in semiconducting epitaxial and amorphous Y-Ba-Cu-0 thin films // J. Appl. Phys. 1996. - Vol. 81. - P. 6866-6873.

53. Wada H., Sone Т., Hata H. et. al. YBaCuO uncooled microbolometer IRFPA // Proc.SPIE. 2001. - Vol. 4369. - P. 297-304.

54. Chahara К J., Ohno Т., Kasai M., Kozono Y. Magnetoresistance in magnetic manganese oxide with intrinsic antiferromagnetic spin structure // Appl. Phys. Lett. 1993. - Vol. 63. - P. 1990-1992.

55. Rajeswari M., Chen C.H., Goyal A. et al. Low-frequency optical response inepitaxial thin films 1аоб7Сао.ззМпОз exhibiting colossal magnetoresistance // Appl. Phys. Lett. 1996. - Vol. 68. - P. 3555-3557.

56. Goya! A., Rajeswari M., Shreekala R. et af. Material characteristics of perovskite manganese oxide thin films for bolometer applications // Appl. Phys. Lett. 1997. - Vol. 71. - P. 2535-2537.

57. Rajeswari M., Goya! A., Raychaudhuri A.K. etal. 1/f electrical noise in epitaxial thin films of the manganite oxides Lao 67Cao ззМпОз and Pro в/Эго ззОз H Appl. Phys. Lett. 1996. - Vol. 69. - P. 851-853.

58. Tanaka A., Matsumoto N., Tsukamoto N. et al. Influence of bias heating on titanium bolometer infrared sensor// Proc.SPIE. 1997. - Vol. 3061. - P. 198209.

59. Ju S.-B., Yong Y.-J., and Kim S.-G. Design and fabrication of a high fill-factor micro-bolometer using double sacrificial layers // Proc.SPIE. 1999. - Vol. 3698.-P. 180-189.

60. Malyarov V.G., Khrebtov I.A., Kulikov Yu.V., Shaganov 1.1., Zerov V.Yu. Comparative investigation of bolometric properties of thin-film structures based on vanadium dioxide and amorphous hydrated silicon // Proc.SPIE. 1999. -Vol. 3819. - P. 136-142.

61. Liddiard K.C, Thin-film monolithic detector arrays for uncooled thermal imaging // Proc. SPIE. - 1993. - Vol.1969. - P.206-216.

62. Зеров В.Ю., Куликов Ю.В., Маляров В.Г., Феоктистов Н.А.,

63. Хребтов И.А. Болометрические свойства кремниевых пленочных структур, полученных методом плазмохимического газофазного осаждения // Письма в ЖТФ. 1997. - Т. 23, №12. - С. 63-68.

64. Байдакова М.В., Бобыль А.В., Маляров В.Г., Третьяков В.В., Хребтов

65. И.А., Шаганов И. И. Структурная и шумовая харакгеризация пленок VO2 на Si02/Si подложках // Письма в ЖТФ. - 1997. - Том 23, № 13. -С.58-65.

66. Леонов В.Н., Маляров В.Г., Хребтов И.А., Шаганов И.И., Феоктистов Н.А. Оптические характеристики микроболометрических элементов для неохлаждаемых инфракрасных матриц // Оптичский журнал. - 1998. - Том 65, № 1. - С. 18-22.

67. Золоторев В.Н. и др. Оптические постоянные природных и технических сред. // Л: "Химия", - 1985. - 376 с.

68. Barker A. et. al. Infrared optical properties of VO2 above and below the transition temperature // Phys.Rev.Letters. - 1966. -Vol.17, No 26. - P.1286-1289.

69. Kogan Sh. Electronic noise and fluctuations in solids. Cambridge University Press, 1996. - 354 p.

70. Зеров В.Ю., Куликов Ю.В., Леонов B.H., Маляров В.Г., Хребтов И.А., Шаганов И.И. Особенности работы болометра на основе пленки диоксида ванадия в интервале температур, включающем фазовый переход // Оптический журнал -1999. Т. 66, №5 - С. 8-12.

71. Енукова Т.А., Куликов Ю.В., Маляров В.Г., Осипов А.В. Болометрическая приемная головка для криогенной магнитоспектроскопии в дальней И К области спектра // ПТЭ. 1994. - № 4. - С. 191-195.

72. Андреев В.Н., Захарченя Б.П., Капшин Ю.С. и др. Низкочастотный шум в двуокиси ванадия, испытывающей фазовый переход металл-полупроводник//ЖЭТФ. 1980. - Т. 79. - С. 1353-1362.

73. Almeida L.A.L., Deep G.S., Lima A.M.N., Neff H. Thermal dynamics of V02 films within the metal-insulation transition: Evidence for chaos near percolation threshold //Appl. Phys. Lett. 2000. - Vol. 77. - P. 4365-4367.

74. Almeida L.A.L., Deep G.S., Lima A.M.N., Neff H., Freife R.C.S. A hysteresis model for a vanadium dioxide transition-edge microbolometer // IEEE Trans. ♦Instrum. And Measur. -2001. Vol. 50, №4. - P. 1030-1035.

75. Irwin K.D. An application of electrothermal feedback for high resolutioncryogenic particle detection // Appl. Phys. Lett. 1995. - Vol.'66. - P. 19982000.

76. Ivanov K.V., Lima A.M.N., NeffH., Deep G.S., Khrebtov LA., Tkachenko A.D. Effects of electrothermal feedback on operation of high-Tc superconducting transition edge bolometers // Physica C. 2002. - 372-376. - P. 432-435.

77. Зеров В.Ю., Куликов Ю.В., Маляров В.Г., Хребтов И.А., Шаганов И.И., Шадрин Е.Б. Пленки VOx с улучшенными болометрическими характеристиками // Письма в ЖТФ. 2001. - Т. 27, вып. 9. - С. 57-63.

78. V.Yu.Zerov, V.G.Malyarov, I.A.Khrebtov, E.B.Shcadrin // Proc. 16th International Confer, on "Noise in Physical Systems and 1/f Fluctuations", Gainesville, Florida. -2001. -P.77-80.

79. Хахаев И.А., Чудновский Ф.А., Шадрин Е.Б. // ФТТ. 1994. - Т.36, №6. -С. 1643-1649.

80. Bruckner W., Opperman Н., Reichelt W.F., Terukov E.I., Tschudnovskii F. А. II Akademie-Verlag. Berlin. 1994. -V. 1983. - S. 252.

81. Вихнин B.C., Гэнчарук И.Н., Давыдов В.Ю., Чудновский Ф.А., Шадрин Е.Б. // ФТТ. 1995. - Т. 37, №12. - С.3580-3596.

82. Физико-химические свойства окислов. Справочник п/р Самсонова Г.В. Металлургия, М., 1978.

83. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Пер. с англ. п/р. Суриса Р.А. Мир. М„ 1984.

84. Смит Р, Джонс Ф, Чесмер Р Обнаружение и измерение инфракрасного излучения. Пер. с англ. Алексеева В.И. п/р. Фабриканта В.А. Иностранная литература. М., 1959.

85. Jakonis D., Svensson С., Jansson С. Readout architectures for uncooled IR detector arrays. // Sensors and Actuators -2000. -Vol. 84. -P. 220-229.

86. Taubkirt 1.1., Trishenkov M.A. Theoretically limited temperature sensitivity of thermal detectors with restricted spectral range // Proc. SPIE. -1994. -Vol. 2225. -P. 97-108.

87. Malyarov V.G., Khrebtov I.A., Kulikov Yu.V., Shaganov 1.1., Smirnov A.D., Raguzina L.S., ZerovV.Yu. Development of 65x1 uncooled membrane type microbolometer array. // Proc. SPIE. -2000. -Vol. 4340. -P.64-69.

88. Зеров В.Ю., Маляров В.Г., Хребтов И.А., Смирнов А.Д., Куликов Ю.В., Шаганов И.И. Неохлаждаемая микроболометрическая линейка мембранного типа на основе пленки VOx. II Оптический журнал 2001. -Т. 68, №6 - С. 63-67.