Гордієнко Едуард Юрійович. Багатоелементні болометричні ІЧ-детектори зі скануванням на основі високотемпературних надпровідників

Короткий опис

Гордієнко Едуард Юрійович. Багатоелементні болометричні ІЧ-детектори зі скануванням на основі високотемпературних надпровідників : Дис... канд. наук: 05.27.01 - 2006.

Гордієнко Е.Ю.Багатоелементні болометричні ІЧ-детектори зі скануванням на основі високотемпературних надпровідників. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.01 твердотільна електроніка. Харківський національний університет радіоелектроніки, м. Харків, 2006.
Теоретично та експериментально обгрунтовано можливість створення болометричного ВТНП багатоелементного перетворювача ІЧ зображення з поелементним зчитуванням інформації за допомогою лазерного зонда. Проведена оцінка граничної чутливості та розрізняльної здатності такого перетворювача, визначені енергетичні та часові параметри лазерного зонда, які забезпечують ефективне поелементне зчитування інформації про розподілення теплового поля об’єктів. Досліджені шумові та надпровідні властивості плівок YBa2Cu3O7-Хрізної кристалографічної орієнтації на підкладці SrTiO3з точки зору болометричних використань та оптимізовано технологію формування приймальних структур на їх основі з метою створення діючих зразків перетворювача ІЧ зображення з лазерним скануванням. Досліджені детектуючі властивості зразка такого перетворювача та проведено кількісну оцінку параметрів чутливості та просторової розрізняльної здатності з орієнтацією на створення широкоформатного перетворювача ІЧ зображення.

1. Розглянуто стан сучасних перспективних розробок охолоджуваних багатоелементних детекторів ІЧ випромінювання. Результати, отримані в ряді робіт, дозволяють прогнозувати можливість створення конкурентоздатних високочутливих болометричних детекторів з розширеним спектральним діапазоном чутливості на основі ВТНП. Проте розробка багатоелементних ВТНП детекторів знаходиться тільки на початковому рівні. Принципові технологічні труднощі не дозволили дотепер будувати завершені ВТНП перетворювачі ІЧ зображення. Основною невирішеною проблемою є організація поелементного зчитування інформації в таких пристроях. Вирішення цієї проблеми може бути досягнуто завдяки застосуванню нових підходів до побудови матриць детекторів та комутації елементів.
2. Встановлено, що найбільш перспективним матеріалом для побудови ВТНП болометричних детекторів є епітаксіальні плівки YBa2Cu3O7-Хна підкладках Si та SrTiO3. Обгрунтовано концепцію технології формування плівок YBa2Cu3O7-Хна підкладках SrTiO3з різною орієнтацією осі «С» кристала відносно підкладки, яка дозволяє отримувати плівки з мінімальною кількістю дефектів, високою густиною критичного струму (JС(77К)3105А/см2для С паралельних плівок таJС(77К)106А/см2для С перпендикулярних плівок) та різкою температурною залежністю опору в області надпровідного переходу. Запропоновано критерій для оцінки якості ВТНП плівок з точки зору болометричних використань, який дозволяє для елементів різної конфігурації оцінювати обмеження виявляльної здатності. Запропонований критерій дозволяє також знайти розміри чутливого елемента болометра, при яких надлишковий шум надпровідникових плівок не є визначальним в обмеженні граничної чутливості. Показано, що незважаючи на різницю в природі та поведінці шумових процесів, для болометричного застосування кристалографічна орієнтація плівок відносно підкладки не є визначальним фактором.
3. Запропоновано та оптимізовано технологію формування болометричних мікроструктур на основі плівок YBa2Cu3O7-Хна підкладках SrTiO3з використанням електронно-променевої літографії та хімічного травлення, яка не приводить до деградації надпровідних властивостей ВТНП плівок, забезпечує високу повторюваність надпровідних і геометричних параметрів структур. Запропонована технологія забезпечує точність формування геометрії з відхиленням розмірів від заданих не більше 2 % та може бути основою для створення як поодиноких, так і великоформатних багатоелементних болометричних детекторів.
4. Запропоновано та обгрунтовано новий спосіб формування ІЧ зображення теплових об’єктів за допомогою широкоформатної ВТНП болометричної структури, заснований на локалізації та переміщенні на її поверхні області невеликих розмірів з високою чутливістю до зовнішнього випромінювання за допомогою додаткової просторово обмеженої теплової дії. Запропонований спосіб набув подальшого розвитку у напрямку побудови багатоелементного болометричного детектора, в якому окремі чутливі елементи формуються на ділянках суцільної ВТНП структури з геометрією у формі смужки чи меандру, яка знаходиться у надпровідному стані, у вигляді резистивної області з різкою температурною залежністю електричного опору за допомогою лазерного зонду. Сканування ВТНП структури лазерним зондом забезпечує переміщення вказаної чутливої області вздовж рядків зображення, а при подачі напруги зсуву на кінцях структури з’являється електричний сигнал, промодульований по амплітуді, огинаюча якого повторює просторове розподілення інтенсивності випромінювання теплового об’єкта, який реєструється. Виготовлення таких пристроїв не потребує складних специфічних технологічних процесів та широкомасштабного застосування мікроелектронної технології. При цьому суттєво спрощується організація опитування окремих елементів, яка не потребує великої кількості електричних з’єднань між матрицею детекторів та мультиплексором. Для формування ІЧ зображення може використовуватись тільки два електричних з’єднання з приймальною ВТНП структурою. Показано, що гранична чутливість кожного окремого елемента в основному визначається шумом теплопровідності тільки локальної виділеної області та надлишковим шумом усієї ВТНП структури. Для досягнення максимальної чутливості має бути мінімізований тепловий зв’язок виділеної області, а якість ВТНП плівки повинна забезпечувати низький рівень надлишкового шуму. Показано, що для багатоелементного детектора з розглянутим принципом роботи на основі плівок YBa2Cu3O7-Хна підкладці SrTiO3може бути реалізована виявляльна здатність D*5109смГц1/2/Вт на елемент.
5. Теоретично встановлено часові та просторові залежності розтікання температурного рельєфу (теплової дифузії) вздовж приймальної площини системи плівки YBaCuO на підкладці SrTiO3при поглинанні зовнішнього випромінювання. Визначені обмеження просторової розрізняльної здатності багатоелементного детектора з виділенням (опитуванням) чутливих елементів за допомогою лазерного зонду. Встановлено, що мінімальний лінійний розмір чутливої області, яка формується за допомогою лазерного зонду, з урахуванням розсіювання ІЧ випромінювання від теплового об’єкта типовою оптичною системою та довжини теплової дифузії, має складати 86 мкм та обмежує просторову чутливість. Теоретично виявлено оптимальні енергетичні та часові параметри лазерного зонду, необхідні для ефективного поелементного зчитування інформації про просторове розподілення інтенсивності випромінювання теплового об’єкта. Чисельно досліджена залежність теплового зв’язку між сусідніми елементами при їх опитуванні від частоти опитування. Показано, що тепловий зв’язок, який виявляється в наявності температурного градієнту на відстані від чутливої області, яка опитується, внаслідок розтікання температури локального перегріву, створеного лазерним зондом, може бути мінімізований при збільшенні частоти опитування. Для реальної системи визначено, що частота опитування, при якій взаємний тепловий зв’язок не перевищує еквівалентних температурних флуктуацій приймальної площини, відповідних шуму, має бути більше 24 кГц.
6. Вперше експериментально реалізовано та досліджено скануючий багатоелементний ВТНП болометричний детектор ІЧ випромінювання на основі суцільної структури YBa2Cu3O7-Хна підкладці SrTiO3з поелементним зчитуванням інформації за допомогою лазерного зонда. Показана можливість створення завершених багатоелементних перетворювачів ІЧ зображення на основі ВТНП. Встановлено, що досліджувана болометрична структура з геометрією у формі меандру площиною 1,5 х 1,5 мм, який являє собою 23 смужки ВТНП шириною 50 мкм з зазором між ними 10 мкм, еквівалентна матриці детекторів форматом 12 х 14 елементів розміром 95 х 95 мкм. Встановлено, що реалізована виявляльна здатність локальних елементів D*=1,3108смГц1/2/Вт обмежується надлишковими шумами та може бути поліпшена при використанні більш якісних ВТНП плівок.
Набула подальшого розвитку концепція композитної схеми побудови болометричних детекторів, в яких функції приймального та чутливого елементів розділені. Запропоновано та експериментально досліджено багатоелементний ВТНП болометричний детектор форматом 2 х 16 елементів, в якому функції чутливих елементів виконують YBa2Cu3O7-Хплівкові мікротермометри, а поглинальним елементом є підкладка SrTiO3. Показано, що розділення функцій приймального та чутливого елементів дозволяє підвищити ефективність перетворення ІЧ випромінювання за рахунок зниження теплового зв’язку у результаті зменшення лінійних розмірів мікротермометрів і використання підкладки SrTiO3, яка має низьку теплопровідність та забезпечує ефективне поглинання випромінювання в широкому спектральному діапазоні. Отримані значення виявляльної здатностіD*109смГц1/2/Вт та розкиду її значень 22 % дозволяють зробити висновок про перспективність застосованого підходу для побудови багатоелементних ВТНП болометричних детекторів.
Запропоновано та експериментально реалізовано метод визначення коефіцієнта поглинання випромінювання композитних болометричних елементів шляхом вимірювання потужності його власного випромінювання іншим ІЧ-детектором. Запропонований метод дозволяє уникнути принципових труднощів реалізації вимірювань з використанням існуючих стандартних методів для болометричних структур з просторово неоднорідним поглинанням.