Hochauflösender aGe-Thermistor zur IR-Detektion

Dieses Projekt betrifft die Entwicklung und Charakterisierung von thermischen Infrarotdetektoren höchster Qualität. Es beruht auf der Technologie von Dünnfilmthermistoren aus amorphem Germanium und der mikrotechnischen Bearbeitung von isolierenden Trägerschichten, die in Vorprojekten entwickelt wurde. Mit Hilfe von Weiterentwicklungen dieser Technologie, Verbesserungen einzelner Herstellverfahren und speziell entworfenen Thermistorgeometrien sollen IR Detektoren hergestellt werden, die in vielen Anwendungsfällen den Stand der Technik übertreffen. Die wichtigsten Verbesserungen werden hierbei durch technologische Neuerungen erreicht. Durch Einführung einer Rückseitenkontaktierung, deren Potential in der Regel frei floaten soll, kann die Thermistorimpedanz bei tiefen Temperaturen deutlich gesenkt und die Inhomogenität der Feldkonfigurationen im Inneren des temperatursensitiven Materials deutlich verringert werden. Die thermischen Parameter des Detektors werden durch entsprechendes Design des Thermistors sowie durch sorgfältige Auswahl und optimierte Kombination der Materialien für die Träger- und die Passivierungsschicht verbessert. Modifikationen des Niedertemperatur- CVD Verfahrens zur Herstellung der Siliziumnitrid--Passivierungsschicht sollen die gezielte Variation der inhärenten Spannungen ermöglichen. Diese Entwicklungen verfolgen das Ziel, die Wärmekapazität des Thermistorträgers weitgehend zu verringern. Die Realisierung mehrerer Typen von Thermistoren und der Vergleich ihrer Detektoreigenschaften mit dem Stand der Technik ist ein Hauptziel des Projekts. Der Vergleich betrifft einerseits die Detektoreigenschaften im Betrieb bei tiefen Temperaturen (bis 77 K) im Hochvakuum und andererseits jene unter normalen atmosphärischen Bedingungen bei Raumtemperatur. Durch eingehende Charakterisierung der hergestellten Thermistoren verschiedener Konstruktion sollen entsprechende Entwurfregeln für dieses Bauelement und Richtlinien für den optimierten Betrieb als IR Detektor gewonnen werden. Dafür sollen unter anderem die Betriebstemperatur, die thermischen Randbedingungen und die elektrischen Parameter variiert werden.

Das vorliegende Projekt befasste sich mit der Entwicklung von Widerstandsbolometern, das sind einfache Infrarot- Strahlungsdetektoren. Die Strahlungsleistung wird dabei in zwei Schritten in ein elektrisches Signal gewandelt. Zunächst wird die Infrarot-Strahlung vom Bauelement absorbiert wodurch es zu einer leichten Temperaturerhöhung kommt. Die Temperaturänderung wird dann mittels eines Thermistors, das ist ein temperaturabhängiger elektrischer Widerstand, in ein elektrisches Signal verwandelt. Dieser Widerstand bestimmt die erreichbare Empfindlichkeit des Bauelements, wobei vor allem drei Störquellen maßgeblich sind. Diese sind die "Brown`sche Wimmelbewegung" der Elektronen in Materie, die Temperaturschwankungen kleiner Körper und vor allem die Leitfähigkeitsschwankungen des Thermistormaterials. Nur die letztgenannte Störung kann durch technologische Maßnahmen minimiert werden. Alle drei Störungen sind rein zufällig und werden auch gerne unter dem Begriff Rauschen zusammengefasst. Im Zuge des Projekts wurden sehr rauscharme Thermistoren hergestellt, die auf einer dünnen Schicht des halbleitenden Elements Germanium beruhen. Diese Schicht wird unter genau kontrollierten Bedingungen durch Bedampfen im Hochvakkum hergestellt. Die zweite Herausforderung für den Entwickler besteht in der möglichst effizienten Umsetzung der absorbierten Strahlung in eine deutlich spürbare Temperaturänderung. Dieses Ziel wurde durch den Einsatz von Miniaturisierungsmethoden, die aus der Mikroelektronik bekannt sind, verbunden mit der High-tech Mikrobearbeitung von einkristallinem Silizium erreicht. Die erreichten Kennwerte der im Zuge des Projekts realisierten Mikrobolometer sind den besten Literaturangaben ebenbürtig.