Thermisch isolierte einkristalline Siliziumdioden als Detektoren für Mikrobolometer

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Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung und Untersuchung einer thermisch isolierten einkristallinen Siliziumdiode als Detektor für Mikrobolometer. Zur Charakterisierung der Diodeneigenschaften werden einkristalline SOI-Zener-Dioden verwendet, deren elektrische Eigenschaften den späteren Diodenbolometern ähneln. Anhand von Messungen der temperaturabhängigen IV-Kennlinie wird ein Modell erstellt, das die Änderung des Idealitätsfaktors und des Sättigungsstromes in Abhängigkeit von der Temperatur und des Arbeitspunktes beschreibt. Einen begrenzenden Parameter für die Auflösung des IR-Sensors stellt das Rauschen des pn-Überganges dar. Es wurde ein Rauschmessplatz entwickelt, der die Bestimmung des Rauschens des Bauelementes auch bei kleinen Frequenzen ermöglicht. Eine gute Abschirmung gegen die niederfrequente elektromagnetische Einstrahlung wurde mit einem doppelten Gehäuse bestehend aus Mu-Metall und Aluminium erreicht. Es wird gezeigt, dass mit zunehmender Dotierstoffkonzentration das 1/f-Rauschen abnimmt. Auch bei zunehmender Fläche des pn-Überganges nimmt das 1/f-Rauschen ab. Zur Herstellung des einkristallinen Diodenbolometers wurde ein „low temperature direct waferbond“ Prozessschritt entwickelt, der das Verbinden eines SOI-Sensorwafers mit dem CMOS-Wafer bei niedrigen Temperaturen ermöglicht. In einem anschließenden Waferschleif-Prozess wird das Bulksilizium des SOI-Sensorwafer bis zu 5µm über dem „buried oxide“ gedünnt, um anschließend selektiv weggeätzt zu werden. Die übrig gebliebene, sich über dem CMOS-Wafer befindliche, einkristalline Diodenbolometermembran kann dann kontaktiert und freigeätzt werden. Zur vollständigen thermischen Isolierung des Bolometerelementes ist ein Vakuumpackaging nötig, welches mittels eines Hardlotes zwischen einem Keramikgehäuse und einem Siliziumdeckel realisiert wird. Es wird nachgewiesen, dass das so erzeugte Vakuum auch bei 5 bar Überdruck in einem Langzeittest stabil bleibt. Es wird eine Schaltungsvariante vorgestellt, die das Auslesen des Bolometersignals ermöglicht und die Auflösung des Sensors in Abhängigkeit vom eingeprägten Strom bestimmt. Es wird gezeigt, dass der Einfluss des Schrotrauschens auf die Auflösung des Bolometers, bei höheren Diodenströmen deutlich abnimmt. Allerdings wird bei höheren Strömen der negative Einfluss des 1/f-Rauschens auf die Auflösung sichtbar, wobei der abnehmende Temperaturkoeffizient diesen Effekt verstärkt. Für zukünftige Diodenbolometer kann aus den hier gewonnenen Erkenntnissen der Schluss gezogen werden, dass sie eine möglichst hohe Dotierstoffkonzentration und eine große Fläche des pn-Überganges besitzen sollen. Eine Überlegung wäre, die Diodengeometrie vertikal aufzubauen, um den negativen Einfluss der Grenzfläche zwischen dem SiO2 und dem einkristallinen Silizium auf das 1/f-Rauschen zu minimieren. Des Weiteren bietet diese Lösung einen Weg zur Vergrößerung der Fläche des pn-Überganges, was wiederum eine zusätzliche Verringerung des 1/f-Rauschens zur Folge hätte.
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Dokumententyp:
Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Fakultät / Institut:
Fakultät für Ingenieurwissenschaften » Elektrotechnik und Informationstechnik
Dewey Dezimal-Klassifikation:
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 620 Ingenieurwissenschaften
Stichwörter:
Bolometer, Diode, IR-Sensor
Beitragende:
Prof. Dr. -Ing. Vogt, Holger [Betreuer(in), Doktorvater]
Prof. Dr. rer. nat. Bacher, Gerd [Gutachter(in), Rezensent(in)]
Sprache:
Deutsch
Kollektion / Status:
Dissertationen / Dokument veröffentlicht
Datum der Promotion:
22.12.2010
Dokument erstellt am:
14.04.2011
Promotionsantrag am:
08.04.2010
Dateien geändert am:
14.04.2011
Medientyp:
Text