CC BY
242
УДК 681.7.069.3
ПЕРСПЕКТИВЫ СОЗДАНИЯ МАТРИЧНЫХ ПРИЁМНИКОВ ИЗОБРАЖЕНИЯ С АНТЕННО-СВЯЗАННЫМИ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
Владимир Владимирович Чесноков
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор-консультант кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Дмитрий Владимирович Чесноков
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, заведующий кафедрой наносистем и оптотехники, тел. (383)343-29-29, e-mail: [email protected]
Рассматриваются технологические проблемы создания матричных приёмников излучения терагерцового диапазона на основе детекторов с антенно-связанными чувствительными элементами на примере использования диодов Шоттки, изготавливаемых по оригинальной лазерно-пиролитической технологии, с внутрипиксельными встроенными микроантенн.
Ключевые слова: матричный приёмник излучения, антенно-связанный чувствительный элемент, диод Шоттки, ЛПФХО, внутрипиксельная микроантенна.
OPPORTUNITY OF CREATION MATRIX RADATION DETECTORS WITH OPTICAL ANTENNA SENSORS
Vladimir V. Chesnokov
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo st., Doctor of Technical Sciences, Professor of Physics Department, tel. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Dmitry V. Chesnokov
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo st., Candidate of Technical Sciences, Chair of Nanosystems and Optical Engineering Department, tel. (383)343-29-29, e-mail: [email protected]
A technological problems of matrix THz-detector with optical antenna sensors creation are discussed. As example LCVD-making Schottky diode with intra-pixel build-in microantennas are considered.
Key words: matrix THz-detector, optical antenna sensor, Schottky diode, LCVD, intra-pixel build-in microantenna.
Терагерцовое излучение обладает, в сравнении с излучением видимого и ИК диапазонов спектра, рядом особенностей, привлекающих к нему в последнее время внимание исследователей [1-4]. Электромагнитные волны терагерцового диапазона (0,1-100 ТГц) поглощаются металлами, но они проникают через пластмассы, бумагу, сухую древесину. Его можно использовать в тех же применениях для просвечивания предметов, где сейчас
используется рентген, однако, в отличие от рентгеновских лучей, терагерцовое излучение не опасно, поскольку не производит ионизацию среды и повреждение биомолекул. Терагерцовые частоты примерно соответствуют колебательным частотам молекул. Отражённые, поглощённые в среде или прошедшие сквозь неё терагерцовые волны несут в себе богатейшую информацию об объекте.
Важнейшая особенность терагерцового диапазона - возможность существенного, на порядки величины, расширения полосы частот сигналов в системах связи, в микроэлектронных устройствах при переходе на этот диапазон.
Все это определяет потенциально широкий спектр применения терагерцового излучения.
Для целей детектирования терагерцовых излучений в известной литературе рассматривается применение оптоакустических ячеек Голея [2], обеспечивающих измерение модулированных сигналов с частотой модуляции порядка кГц; разработан однопиксельный приёмник на основе использования диода Шоттки и планарной внутрипиксельной микроантенны, требующий сканирования для получения изображения [3], изготавливаемый по КМОП-технологии с 0,13 мкм топологической нормой; представлены результаты испытаний терагерцовой камеры с матрицей приёмника изображения на частоте 0,8 ТГц на основе применения кремниевого МОП транзистора [4], с числом пикселей в матрице 1024 и встроенной в каждый пиксел планарной кольцевой микроантенной. Частота модуляции принимаемых указанными твердотельными приёмниками сигналов не имеет ограничений, свойственных оптоакустическим.
В нашем сообщении рассматриваются проблемы создания матричных приёмников изображения терагерцового диапазона на основе детекторов электромагнитного излучения с антенно-связанными чувствительными элементами на примере использования диодов Шоттки, изготавливаемых по оригинальной лазерно-пиролитической технологии, и внутрипиксельных встроенных микроантенн.
Требования к конструкции встраиваемых в пиксел микроантенн определяются поперечным характером электромагнитных волн и технологическими ограничениями их изготовления. На рис. 1 представлены схематически штыревая и планарная конструкции антенны.
Расположение антенны относительно проводящей подложки и её размеры и соотношение сторон определяют её диаграмму направленности. На рис. 2 приведены диаграммы направленности четвертьволновой штыревой антенны (рис. 2, а) и полуволновой антенны (рис. 2, б), которая может быть планарной и закреплённой на проводящей основе или в свободном пространстве, как показано на рисунке.
Лепесток диаграммы направленности четвертьволновой антенны в виде вертикального штыря расположен вдоль поверхности проводящей основы;
полуволновая антенна показана в свободном пространстве; если она изготовлена в виде планарной конструкции, лепесток диаграммы направлен перпендикулярно подложке.
Ниже обсуждается вариант кольцевой антенны в виде изогнутого в кольцо четвертьволнового вибратора, который подключается одним концом к диоду.
а б
Рис. 1. Конструкции внутрипиксельных микроантенн:
а - схема штыревой антенны, интегрированной с диодом Шоттки и расположенной на поверхности кремниевого чипа; б -топологическая схема антенно-диодной ячейки с планарной антенной на поверхности кремниевого чипа
А А
Рис. 2. Диаграммы направленности антенн:
а - четвертьволновой; б - полуволновой. Эквивалентные схемы: в - антенно-диодной ячейки приёмника изображения; г - пикселя матрицы приёмника терагерцового изображения с диодом Шоттки
Эквивалентные схемы антенно- диодной ячейки приёмной матрицы и пикселя матрицы приёмника приведены на рис. 2, в и г, соответственно.
У кольцевой микроантенны А один конец свободный, второй конец соединён с электродом диода Шоттки D, CS и RS - ёмкость и сопротивление контакта металл-полупроводник, Яп - нагрузочное сопротивление, Ldr -
дроссель, изолирующий диодно-антенный узел от нагрузки по высокой частоте. Кольцевая антенна фактически является четвертьволновым вибратором, который изогнут в кольцо и плоскостью кольца расположен параллельно подложке, диаграмма направленности представляет собой лепесток, осью симметрии направленный по нормали к подложке. Дроссель может быть выполнен в виде сосредоточенной микрополосковой индуктивности, то есть, в виде металлической полоски шириной, много меньшей ширины полосковых линий, входящих в структуру ячейки, или в виде четвертьволнового изолятора, то есть, виде секции полосковой линии, входом которой является электрод диода Шоттки, а выход подключён к полосковой линии с малым волновым сопротивлением. Малое выходное сопротивление ZН изолятора трансформируется в высокое входное ZВХ в соответствии с уравнением:
Zвx=zч^zн, с1)
где - волновое сопротивление изолятора.
Ячейки объединены в матрицу, состояние ячеек периодически опрашивается с помощью вспомогательных полупроводниковых элементов, входящих в пиксель матрицы. Возможная эквивалентная схема пикселя матрицы показана на рис. 2, г. Терагерцовый сигнал из антенны А детектируется диодом V1 Шоттки; ток диода заряжает конденсатор С в течение длительности кадра. Конденсатор периодически разряжается через ключ Vч; сигнал в виде изменения напряжения на конденсаторе усиливается полевым транзистором У3. Схема предъявляет высокие требования к вентильным свойствам диода: ток утечки диода должен быть малым.
Основой матрицы с ячейками является кремниевая п+ подложка с эпитаксиальным п- слоем; подложка покрыта слоем диэлектрика; в качестве материала металлического рисунка разводки может быть использован алюминий. Диод Шоттки формируется лазерным импульсным облучением в парах металлоорганического соединения. Структура может быть изготовлена по стандартной МОП технологии с 2-микронной топологической нормой, за исключением формирования электродов диода - диаметр порядка десятков нанометров.
В целом вольт-амперная характеристика контакта с барьером Шоттки в широких пределах изменения тока соответствует характеристике типа
I = 10
ехр
'еи^
V акТ
1
(2)
где а - коэффициент «неидеальности».
При обратном смещении ток через контакт обычно увеличивается с ростом напряжения. Особенностью выпрямляющих контактов металл - полупроводник, отличающих их от р-п-переходов, является отсутствие инжекции неосновных носителей в полупроводник при прямых напряжениях.
Таким образом, в диоде Шоттки отсутствуют накопление неосновных носителей заряда в областях диода при прямом напряжении и рассасывание этого заряда при изменении знака напряжения. Это улучшает быстродействие диода.
Традиционно используемые методы получения переходов металл -полупроводник [5] являются многоступенными, включают этапы подготовки поверхности полупроводника к нанесению плёнок путём их отмывок и обработки в вакууме, например, ионной очисткой, нанесение плёнок напылением в вакууме, литографические процессы для получения топологических структур необходимой конфигурации.
Для обеспечения быстродействия фотоприёмника в терагерцовом диапазоне необходимо уменьшать электрическую ёмкость между его электродами и величину последовательного сопротивления диода. Поперечник электродов для терагерцового диапазона может составлять 100 нм и менее; для уменьшения последовательного сопротивления толщина слоя полупроводника должна быть меньше поперечника электрода [6]. Электрическая ёмкость уменьшается с уменьшением электродов, в случае антенно-связанных приёмников размеры электрода диода Шоттки могут быть уменьшены до величины, много меньшей длины волны детектируемого излучения. Следует учитывать, что фотоприёмник изображения представляет собой матрицу фотоприёмников, может содержать сотни тысяч регулярно расположенных чувствительных элементов. Таким образом, необходимо решать задачу одновременного обеспечения сверхмалых размеров сенсоров и их получения в виде упорядоченной матрицы значительных размеров.
Исследуемая методика формирования тонкой плёнки материала металлического электрода диода на поверхности полупроводника основывается на технологии лазерно-пиролитического осаждения металлов на поверхность подложки из парогазовой фазы (ЬСУО) [7]. В настоящем исследовании эта технология применена к получению плёночных электродов диодов Шоттки.
Исследуемый импульсный наносекундный лазерно-пиролитический метод является одноступенным. Металл осаждается на подложку локально в пределах фокального пятна лазерного излучения, при этом поверхность подложки на переднем фронте лазерного импульса за счёт теплового воздействия излучения в течение долей наносекунды термически отжигается и очищается от легколетучих загрязнений и примесей, затем в ходе того же импульса
происходит лазерно-пиролитический процесс осаждения атомов металла на поверхность; облучение импульсно-периодическое, и на следующих импульсах процессы повторяются. Предполагается, что такое сочетание в одном цикле технологии операций очистки поверхности и нанесения на поверхность материала электрода может обеспечить повышенную степень химической чистоты перехода металл-полупроводник и высокие электрофизические параметры перехода.
Проведены оценочные экспериментальные исследования получения антенно-связанных диодов Шоттки лазерным пиролитическим формированием электродов осаждением металла рения на монокристаллическую кремниевую подложку.
Процесс лазерного осаждения проводился в технологической лазерной установке [7] в вакуумной камере при давлении паров декакарбонила дирения порядка (1-10) Па (температура вакуумной камеры (50-80) °С). Схема камеры показана на рис. 3, а. На рисунке: 1 - вакуумная камера, 2 - образец, 3 -порошок карбонила, 4 - прозрачное окно ввода излучения, 5 - объектив лазерной установки, 6 - штуцер вакуумной откачки камеры, 7 - уплотнительное кольцо.
2,5 2,0 1,5 1,0 0,5
I, мкА
ВАХ диода
0,0
у = 0,0215е4,808х
0,000 0,200 0,400 0,600 0,800 1
,00Ю' В
Рис. 3. Лазерно-пиролитическое осаждение электродов диодов Шоттки: а - схема вакуумной камеры; б - вольт-амперная характеристика диода Шоттки с анодом из рения на кремнии КЭФ-0,3
Получены образцы в виде кремниевого чипа с осаждённым лазерно-пиролитическим методом на поверхности кремния рисунком металлических рениевых электродов: размер чипа 10*10*0,3 мм; кремний КЭФ-0,3 п-типа; размеры электрода 25*25 мкм; толщина плёнки рения 0,1 мкм. На поверхности чипа также сформирован лазерно-пиролитическим осаждением рения прототип
внутрипиксельной планарной антенны (четвертьволнового вибратора): длина планарной антенны 50 мкм, ширина полоски антенны и толщина 10 мкм и 0,2 мкм, соответственно.
Вольт-амперная характеристика диода приведена на рис. 3, б. Характеристика имеет обычный для диодов вид; обратная ветвь характеристики снималась при напряжении до минус 1 В, измеренные токи менее 0,1 мкА; прямые токи до 2,2 мкА при напряжении до 1 В. Сплошная кривая аппроксимирует характеристику математической функцией, приведённой в верхней части графика.
Таким образом, рассмотрены перспективы создания матричных приёмников изображения терагерцового диапазона на основе детекторов электромагнитного излучения с антенно-связанными чувствительными элементами на примере использования диодов Шоттки, изготавливаемых по оригинальной лазерно-пиролитической технологии, и внутрипиксельных встроенных микроантенн. Полученные результаты оценочных технологических исследований процессов получения диодов Шоттки подтверждают целесообразность продолжения исследований по данному направлению.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Highly sensitive fast Schottky-diode detectors in experiments on Novosibirsk free electron laser / E.I. Kolobanov et al. // The Joint 30th International Conference Infrared and Millimeter Waves and 13th International Conference on Terahertz Electronics, 19-23 Sept. 2005., IRMMW-THz 2005. - 2005. - V. 1. - P. 154-155.
2. Пат. 2414688 РФ, МПК G01J 5/42. Матричный приёмник терагерцового излучения / Кузнецов С.А., Федоринин В.Н., Гельфанд А.В., Паулиш А.Г. - № 2010111202/28 ; заявл. 23.03.2010 ; опубл. 20.03.2011, Бюл. № 8.
3. 280 GHz and 860 GHz Image Sensors Using Schottky-Barrier Diodes in 0.13^m Digital CMOS / Ruonan Han et al. // Solid-State Circuits Conference Digest of Technical Papers (ISSCC), 2012 IEEE International, 19-23 Feb. 2012, San Francisco, CA. - P. 254-256.
4. A 1kPixel CMOS Camera Chip for 25fps Real-Time Terahertz Imaging Applications / Sherry H. et al. // Solid-State Circuits Conference Digest of Technical Papers (ISSCC), 2012 IEEE International, 19-23 Feb. 2012, San Francisco, CA. - P. 252-254.
5. Родерик Э.Х. Контакты металл-полупроводник. - М.: Радио и связь, 1982.
6. Huang C.L., Van Duzer T. Schottky Diodes and Other Devices On Thin Silicon membranes // IEEE Transaction on Electron Devices. - 1976. - V. 23, № 6. - P. 579-583.
7. Чесноков В. В. Резникова Е. Ф., Чесноков Д. В. Лазерные наносекундные микротехнологии: монография; под общ. ред. Д. В. Чеснокова. - Новосибирск: СГГА, 2003. -300 с.
© В. В. Чесноков, Д. В. Чесноков, 2014
