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Thermisch isolierte einkristalline Siliziumdioden als Detektoren für Mikrobolometer

Kropelnicki, Piotr

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.

The intent of this thesis is to develop and investigate the suitability of a thermally isolated single-crystal silicon diode as a detector for microbolometers. To determine the characteristics of the diode bolometers, single-crystal SOI diodes are fabricated. This is due to the fact that the thermal and electrical characteristics of single-crystal SOI diodes are very similar to those of the diode bolometers. A model is generated based on the measurements of the temperature dependent IV-characteristic. This model describes the change of the ideality factor and the saturation current as a function of the temperature and the operating point. The noise of the pn-junction is a limiting factor for the resolution of the IR sensor. To determine the noise of the component, even at extremely low frequencies, a noise measurement station was developed. A good shield against low-frequency electromagnetic irradiation was achieved by using an enclosure consisting of two layers, Mu-metal and aluminium. It is proven that by increasing dopant concentration, the 1/f-noise decreases. Moreover, increasing the surface area of the pn-junction also leads to a decrease of the 1/f-noise. A “low temperature direct wafer bond” process step was developed to enable the production of the single-crystal diode bolometer. This process step facilitates the bonding of the SOI sensor wafer with the CMOS wafer at low temperatures. Subsequently, during the wafer-grinding step, the back-side of the silicon based sensor wafer is grinded up to 5µm over buried oxide. This is done so that the silicon can be selectively etched away afterwards. The remaining single-crystalline bolometer membrane itself, which is placed above the CMOS wafer, can then be electrically connected with the CMOS wafer and finally released. For a complete thermal isolation, it is essential to vacuum-pack the bolometer components. To enable this, a bond between a ceramic casing and a silicon cover, achieved by hard soldering the pieces together, is used. It is proven that this enclosure system is capable to hold a vacuum level which remains stable, even at 5 bar overpressure in a long term stability test. A circuit variant which can read the bolometer signal and determine the resolution of the sensor as a function of the bolometer current is also introduced in this thesis. It is shown that the influence of the shot-noise with respect to the resolution decreases clearly with higher currents of the diode bolometer. However, with higher bolometer currents, the negative influence of the 1/f-noise regarding the resolution gets stronger and the decreasing temperature coefficient strengthens this effect. The conclusion can be made that a high dopant concentration and a large surface area of the pn-junction can lead to a lower 1/f-noise and thereby to a better resolution. For future diode bolometers, a consideration would be to develop vertical diode geometry in order to minimize the negative influence of the boundary surface between the SiO2 and the single-crystal silicon on the 1/f-noise. Furthermore, this solution offers a way to enlarge the surface area of the pn-junction, which would lead to an additional decrease of the 1/f-noise.

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Kropelnicki, Piotr: Thermisch isolierte einkristalline Siliziumdioden als Detektoren für Mikrobolometer. 2011.

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