Приймач міліметрового та субміліметрового діапазонів

Реферат: Винахід належить до фізики та техніки міліметрового та субміліметрового діапазонів електромагнітного спектра, а саме до проблеми реєстрації випромінювання у цих діапазонах, і може бути використаний при виготовленні як дискретних, так і багатоелементних лінійок та матриць приймачів випромінювання (довжина хвиль λ=0,1-10 мм). Задачею винаходу є збільшення чутливості приймача, здешевлення та спрощення технології його виготовлення. Рішення поставленої задачі полягає в тому що приймач міліметрового та субміліметрового діапазонів, що містить чутливий елемент, виконаний у вигляді епітаксійної тонкої плівки матеріалу CdxHg1-xTe зі складом 0,17≤х≤0,3, нанесеної на монокристалічну напівпровідникову підкладку зі струмовими контактами, і схему зміщення, додатково містить підкладку з відносною діелектричною проникністю ε≤5, діелектричними втратами tgδ≤0,01 і товщиною h≤0,4 мм, на якій розташована антена з приєднаною до неї схемою зміщення і антена з'єднана зі струмовими контактами чутливого елемента методом зворотного монтажу. UA 106366 C2 (12) UA 106366 C2 UA 106366 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до фізики та техніки міліметрового та субміліметрового діапазонів електромагнітного спектра, а саме до проблеми реєстрації випромінювання у цих діапазонах і може бути використаний при виготовленні як дискретних, так і багатоелементних лінійок та матриць приймачів випромінювання (довжина хвиль λ=0,1-10 мм). Особливість побудови приймачів на цих довжинах хвиль полягає в тому, що розміри конструктивних елементів пов'язані з довжиною хвилі випромінювання і зменшуються при їх зменшенні до розмірів, які важко виконати. Особливо це стосується схем, які виконані на напівпровідникових підкладках з великою відносною діелектричною проникністю s (ε>10), на яких розмір елементів, наприклад антен, зменшується в √ε разів. Крім того, на частотах понад ~100 ГГц (λ~3 мм) застосування підсилювачів стає не ефективним, тому в таких приймачах, найчастіше, використовуються змішувачі або схеми прямого детектування, коли чутливий елемент (детектор) включається відразу після антени. Відомі приймачі міліметрового та субміліметрового діапазонів електромагнітного спектру, у яких чутливий елемент (змішувач або детектор) інтегровані безпосередньо в антену [1-3]. Це болометри різних типів, які, однак, потребують охолодження до гелієвих температур І, як теплові приймачі, мають велику інерційність. Найбільш відомими швидкодіючими детекторами міліметрового діапазону випромінювання є діоди з бар'єром Шоткі [4,5]. Ці детектори можуть бути як не охолоджуваними так і охолоджуваними до кріогенних температур. Найчастіше вони використовуються в схемах як навісні елементи. Основним недоліком цих детекторів є те, що їх чутливість різко зменшується на частотах вище 100-200 ГГц (λ=3-1,5 мм). Відомий також напівпровідниковий болометр, вибраний нами за прототип, який служить приймачем міліметрового та субміліметрового діапазонів, виконаний у вигляді епітаксійної тонкої плівки матеріалу CdxHg1-xTe зі складом 0,17≤х≤0,3, нанесеної на монокристалічну напівпровідникову підкладку зі струмовими контактами і схему зміщення [6]. Приймач може працювати на довжинах хвиль від 8 до 0,19 мм і має досить високу швидкодію і чутливість. Конструктивно він являє собою тонкий (1-10 мкм) епітаксійний шар напівпровідника CdxHg1-xTe, нанесений на підкладку із монокристалічного арсеніду галію (GaAs) або телуриду кадмію (CdTe) товщиною h~400 мкм. Відносна діелектрична проникність цих 2 напівпровідників ε≈13, а вартість таких епітаксійних шарів складає близько 100 доларів за см При цьому сам чутливий елемент без контактів має розміри менш ніж 50×50 мкм. Для створення приймача з епітаксійного шару формується чутливий елемент зі струмовими контактами, які одночасно можуть служити антенами, і схема зсуву [7]. Струмові контакти та схема зсуву являє собою шар металу необхідного розміру та конфігурації. Зайвий епітаксійний шар з підкладки видаляється. При формуванні лінійок або матриць відстань між окремими антенами має бути достатньо великою і становить більше половини довжини хвилі. Це суттєво зменшує кількість приймачів випромінювання, які можна розташувати на підкладці з епітаксійним шаром CdxHg1-xTe. Технологія виготовлення таких приймачів складна. До того ж зменшувати товщину підкладки при виготовленні такого приймача не є можливим. Недоліками приймачів, вибраних як прототип є: - малі розміри і невеликий коефіцієнт підсилення антен-контактів, які формуються на напівпровідникових підкладках, що пов'язано з їх великими товщинами і великою відносною діелектричною проникністю (ε~13). І, як наслідок, їх невисока чутливість; - нераціональне використання площі епітаксійного шару. Контакти зі схемами зміщення у багато разів більше чутливого елемента і вони не ефективно займають площу епітаксійного шару; - складна технологія та великі витрати при виготовленні приймача випромінювання. Задачею запропонованого винаходу є збільшення чутливості приймача, здешевлення його виготовлення шляхом більш раціонального використання площі епітаксійного шару CdxHg1-xTe, а також спрощення технології його виготовлення. Рішення поставленої задачі полягає в тому що приймач міліметрового та субміліметрового діапазонів, що містить чутливий елемент, виконаний у вигляді епітаксійної тонкої плівки матеріалу CdxHg1-xTe зі складом 0,17≤х≤0,3, нанесеної на монокристалічну напівпровідникову підкладку зі струмовими контактами, і схему зміщення, додатково містить підкладку з відносною діелектричною проникністю ε≤5, діелектричними втратами tgδ≤0,01 і товщиною h≤0,4 мм, на якій розташована антена з приєднаною до неї схемою зміщення і антена з'єднана зі струмовими контактами чутливого елемента методом зворотного монтажу. 1 UA 106366 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Така конструкція забезпечується наступним чином. На підкладках з оптимальними характеристиками в заданому діапазоні частот (наприклад, плавлений кварц, поліетилен, поліпропілен, високочастотні композитні матеріали) розраховуються і виготовляються антени зі схемами зміщення певної конфігурації. Такі антени мають великий коефіцієнт підсилення, оскільки використаний матеріал має оптимальну товщину h≤0,4 мм, низьку відносну діелектричну проникність ε≤5 і малі втрати tgδ≤0,01. Приймачі випромінювання з такими антенами, відповідно, мають високу чутливість. Окремо, з епітаксійних шарів CdxHg1-xTe, нанесених на монокристалічні напівпровідникові підкладки, груповим методом виготовляються чутливі елементи зі струмовими контактами невеликої площі, наприклад болометри на гарячих електронах. При цьому вони мають розміри набагато менше антен, на яких монтуються. Відстань між чутливими елементами становить 200-300 мкм (відстань необхідна для ліній різу), тому на одній підкладці поміщається велика їх кількість. Наприклад, на епітаксійному шарі з підкладкою з GaAs розміром 10×15 мм можна виготовити більше 150 чутливих елементів. Вони мають практично однакові параметри, оскільки їх виготовлення проходить в єдиному технологічному циклі, а вартість окремого чутливого елемента знижується у багато разів. Така технологія набагато простіше і, крім того, вона дозволяє робити зменшення товщини напівпровідникової підкладки до h≤200 мкм, що дозволяє збільшити робочу частоту. На останньому етапі формування окремих або багатоелементних приймачів, струмові контакти чутливих елементів з'єднують з контактами антени методом зворотного монтажу. Метод зворотного монтажу полягає в тому, що чутливий елемент перевертається, і його контактні площадки безпосередньо приєднуються до контактів антени без додаткових дротів або балкових виводів. На фіг. 1а представлений вид збоку, а на фіг. 1б вид зверху чутливого елемента зі струмовими контактами - болометра на гарячих електронах, який виконаний на епітаксійному шарі CdxHg1-xTe-1 і розташований на напівпровідниковій підкладці з GaAs-2. Контактні майданчики - 3, розташовані на поверхні епітаксійного шару, приєднані до чутливого елемента 4. З решти поверхні підкладки епітаксійний шар видалений. На фіг. 2в представлена дипольна антена - 5 зі схемою зміщення - 6, які становлять металізацію певної форми і розмірів, сформовані на поверхні додаткової підкладки - 7, виконаною, наприклад, з плавленого кварцу (ε~3,8). Приймач випромінювання, представлений на фіг. 2г (вид збоку) і фіг. 2д (вид в плані) складається з додаткової підкладки - 7 з антеною - 5 і приєднаним до неї, методом зворотного монтажу, чутливим елементом - 8. Приймач працює наступним чином. Антена вловлює і посилює електромагнітне випромінювання, яке розігріває електрони чутливого елемента (в даному випадку болометра на гарячих електронах), змінюючи струм, що протікає через нього. На чутливому елементі виникає додаткова різниця потенціалів, яка через струмові контакти надходить на схему реєстрації випромінювання, де сигнал підсилюється і вимірюється. Так як процес розігріву електронів є мало інерційним, то приймач має високу швидкодію. Приймач працює при кімнатних температурах, проте при зниженні температури його чутливість може збільшуватися. При цьому для кожного складу х і концентрації носіїв заряду напівпровідника CdxHg1-xTe існує своя оптимальна робоча температура в діапазоні від 300 К до 100 К. Таким чином, суттєвою особливістю винаходу є принципово нова конструкція приймача міліметрового і субміліметрового діапазонів, що має високо добротну антену, виконану на додатковій підкладці з матеріалу, що оптимально підходить для цієї мети. Чутливий елемент з контактами, який виконано на основі епітаксійного шару напівпровідника CdxHg1-xTe, змонтовано на антені методом зворотного монтажу. Такий приймач значно дешевше аналога, має більшу чутливість і більш технологічний. Крім болометра на гарячих електронах як чутливий елемент може використовуватися діодна структура зі сформованим в епітаксійному шарі p-n переходом або будь-який інший детектор міліметрового і субміліметрового діапазону на епітаксійний структурі CdxHg1-xTe. Приклад конкретного виконання. Для випробувань були виготовлені приймачі випромінювання на довжину хвилі 4,3 мм (частота близько 70 ГГц). Як додаткова підкладка використовувався плавлений кварц розмірами 10×15 мм, товщиною 0,2 мм. Плавлений кварц має дуже малі втрати (tgδ≤0,01) і ε~3,8. На підкладці такого розміру можна розмістити 3 приймачі випромінювання з довжиною хвилі 4,3 мм. При цьому вартість плавленого кварцу становить не більше 15 доларів за кілограм. Болометри на гарячих електронах виготовлялися груповим методом на епітаксійному шарі CdxHg1-xTe з х=0,22 на підкладці з GaAs, яка мала розміри 10×15мм. На ній розмістилося понад 2 UA 106366 C2 5 10 15 20 25 30 200 чутливих елементів з розмірами 0,6×0,2 мм. Лінія різу становила 0,3 мм, а товщина підкладки була зменшена до 0,2 мм (200 мкм). Вартість епітаксійного шару такого розміру на ринку складає близько 110 доларів. Для порівняння. На епітаксійному шарі CdxHg1-xTe з розмірами 10×15 мм можна розмістити тільки 4 приймачі випромінювання, якщо їх виготовляти за звичайною технологією, як у прототипі. Метою експерименту була перевірка параметрів приймача нової конструкції. Вимірювання параметрів приймача випромінювання показала, що він має чутливість близько 100 В/Вт при кімнатній температурі (~300 К) і його чутливість зростає приблизно в 3 рази при зниженні температури до 260 К. Крім того, було показано, що технологія виготовлення таких приймачів значно простіша, а їх виробництво дешевше, оскільки основну вартість в ціні приймача випромінювання становить ціна чутливого елемента. Джерела інформації:. 1. G. Rebeiz, W. Regehr, D. Rutledge, R. Savage, and N. Luhmann, "Submillimeter-wave Antennas on Thin Membranes", IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, vol. 25, (June 1987): 1194-1197. 2. A. Semenov, H. Richter, H. Hubers, B. Gunther, A. Smirnov, K. Ll'in, M. Siegel, and P. Karamarkovic, "Terahertz Performance of Integrated Lens Antennas with a Hot-Electron Bolometer, "IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 55, no. 2 (February 2007). 3. MICROWAVE AND OPTICAL TECHNOLOGY LETTERS/Vol. 47, No. 6, December 20, 2005. 4. Seigel P.H. IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques. - 50, № 3. - 2002. - P. 910-928. 5. Проспект ОАО "Научно - производственное предприятие "Сатурн". Украина, Киев. 6. Патент на винахід № 89075 Україна, МПК (2009), G01J 1/42, G01J5/20, H01L31/00, H01L27/142. Напівпровідниковий болометр міліметрового та субміліметрового діапазонів / Сизов Ф.Ф., Добровольський В.М., Каменєв Ю.Ю.; заявник і власник Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України. - Опубл. 25.12.09, Бюл. № 24 - прототип. 7. V. Dobrovolsky, F. Sizov*, V. Zabudsky, N. Momot "Mm/sub-mm Bolometer Base on Electron Heating in Narrow-gap Semiconductor, " Terahertz Science and Technology, ISSN1941-7411 Vol. 3, No. 1, March 2010. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 35 40 Приймач міліметрового та субміліметрового діапазонів, що містить чутливий елемент, виконаний у вигляді епітаксійної тонкої плівки матеріалу CdxHg1-xTe зі складом 0,17≤х≤0,3, нанесеної на монокристалічну напівпровідникову підкладку зі струмовими контактами, і схему зміщення, який відрізняється тим, що приймач додатково містить підкладку з відносною діелектричною проникністю ε≤5, діелектричними втратами tgδ≤0,01 і товщиною h≤0,4 мм, на якій розташована антена з приєднаною до неї схемою зміщення, при цьому антена з'єднана зі струмовими контактами чутливого елемента методом зворотного монтажу. 3 UA 106366 C2 Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4