Thermisch isolierte einkristalline Siliziumdioden als Detektoren für Mikrobolometer

Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung und Untersuchung einer thermisch isolierten einkristallinen Siliziumdiode als Detektor fur Mikrobolometer. Zur Charakterisierung der Diodeneigenschaften werden einkristalline SOI-Zener-Dioden verwendet, deren elektrische Eigenschaften den spateren Diodenbolometern ahneln. Anhand von Messungen der temperaturabhangigen IV-Kennlinie wird ein Modell erstellt, das die Anderung des Idealitatsfaktors und des Sattigungsstromes in Abhangigkeit von der Temperatur und des Arbeitspunktes beschreibt. Einen begrenzenden Parameter fur die Auflosung des IR-Sensors stellt das Rauschen des pn-Uberganges dar. Es wurde ein Rauschmessplatz entwickelt, der die Bestimmung des Rauschens des Bauelementes auch bei kleinen Frequenzen ermoglicht. Eine gute Abschirmung gegen die niederfrequente elektromagnetische Einstrahlung wurde mit einem doppelten Gehause bestehend aus Mu-Metall und Aluminium erreicht. Es wird gezeigt, dass mit zunehmender Dotierstoffkonzentration das 1/f-Rauschen abnimmt. Auch bei zunehmender Flache des pn-Uberganges 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 ermoglicht. In einem anschliesenden Waferschleif-Prozess wird das Bulksilizium des SOI-Sensorwafer bis zu 5µm uber dem „buried oxide“ gedunnt, um anschliesend selektiv weggeatzt zu werden. Die ubrig gebliebene, sich uber dem CMOS-Wafer befindliche, einkristalline Diodenbolometermembran kann dann kontaktiert und freigeatzt werden. Zur vollstandigen thermischen Isolierung des Bolometerelementes ist ein Vakuumpackaging notig, welches mittels eines Hardlotes zwischen einem Keramikgehause und einem Siliziumdeckel realisiert wird. Es wird nachgewiesen, dass das so erzeugte Vakuum auch bei 5 bar Uberdruck in einem Langzeittest stabil bleibt. Es wird eine Schaltungsvariante vorgestellt, die das Auslesen des Bolometersignals ermoglicht und die Auflosung des Sensors in Abhangigkeit vom eingepragten Strom bestimmt. Es wird gezeigt, dass der Einfluss des Schrotrauschens auf die Auflosung des Bolometers, bei hoheren Diodenstromen deutlich abnimmt. Allerdings wird bei hoheren Stromen der negative Einfluss des 1/f-Rauschens auf die Auflosung sichtbar, wobei der abnehmende Temperaturkoeffizient diesen Effekt verstarkt. Fur zukunftige Diodenbolometer kann aus den hier gewonnenen Erkenntnissen der Schluss gezogen werden, dass sie eine moglichst hohe Dotierstoffkonzentration und eine grose Flache des pn-Uberganges besitzen sollen. Eine Uberlegung ware, die Diodengeometrie vertikal aufzubauen, um den negativen Einfluss der Grenzflache zwischen dem SiO2 und dem einkristallinen Silizium auf das 1/f-Rauschen zu minimieren. Des Weiteren bietet diese Losung einen Weg zur Vergroserung der Flache des pn-Uberganges, was wiederum eine zusatzliche Verringerung des 1/f-Rauschens zur Folge hatte.