專利名稱：采用單晶SiC檢測電磁輻射的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種碳化硅(SiC)的應(yīng)用，更具體地說，涉及把SiC用作電磁輻射檢測和阻抗控制。
背景技術(shù)：
聲音吸收、頻帶隙吸收和雜訊吸收涉及三種不同的輻射吸收機(jī)理。聲音吸收是由暴露輻射下逐漸增加的晶格振動(dòng)而產(chǎn)生。這吸收機(jī)制適合在寬范圍波長下尋找偵測，因其使SiC芯片之阻抗在適當(dāng)?shù)牟ㄩL范圍隨著輻射能量大約線性地增加。SiC不僅沿著其表面而且在其整個(gè)體積吸收熱量，因此其對吸收高激光劑量以及其他應(yīng)用具高熱容量。雖然最好是用SiC作探測紅外線(IR)輻射及其他低波長輻射，但是對于波長小于10微米，在SiC中并沒有探到聲音吸收，從而排除了部分IR頻帶以及較短的波長。
頻帶隙吸收發(fā)生在一特定的波長，其相當(dāng)于材料的頻帶隙能量(其傳導(dǎo)及價(jià)帶間之能量差)。SiC可有超過70種不同的多型體，每一種多型體以與單晶C軸平行測量時(shí)均有其本身區(qū)別的頻帶能量。SiC的立方晶形式(稱為3C-SiC或-SiC)具有最低的頻帶隙能量(約2.3eV)并在所有SiC晶體結(jié)構(gòu)和多型體中具有最長相應(yīng)的波長(約0.55微米)，但這完全在IR范圍外的黃光/綠光。所有別的SiC晶體結(jié)構(gòu)及多型體之頻帶隙能量較高且波長較短，使SiC不適用于IR的頻帶隙吸收探測。
以雜質(zhì)吸附的方式，把一摻雜劑導(dǎo)入主材料并以主材料和摻雜劑傳導(dǎo)帶能量水平(n-型摻雜劑)或價(jià)帶能量水平(p-型摻雜劑)之間的能量差異探測輻射。在對應(yīng)雜質(zhì)吸附能量的特定波長下，但并不在只導(dǎo)致一離散可測波長的其他波長下，主材料芯片的阻抗以指數(shù)隨著輻射能量下降。SiC的雜質(zhì)吸附已在IR范圍內(nèi)觀察到(空軍材料實(shí)驗(yàn)室(Air Force Materials Laboratory)，“碳化硅吸附”，休斯(Hughes)飛機(jī)公司電子性質(zhì)資訊中心，第9-16頁)，但只在對應(yīng)的特定雜質(zhì)的特定波長下觀察到。在寬頻下則未發(fā)現(xiàn)IR吸收的機(jī)制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在比約10微米短的波長下，用具有高熱容量探測器及以大致隨輻射能量線性變化的輸出，再通過利用SiC先前未知的聲音吸收機(jī)理。實(shí)現(xiàn)電磁輻射探測。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，采用厚度至少200微米的單晶SiC，有一聲音吸收機(jī)理可用作探測小于10微米的輻射。具體來說，本發(fā)明用于IR探測以及可適合于采用適當(dāng)?shù)墓庾V濾片作窄頻帶探測。


以下，將結(jié)合附圖對最佳實(shí)施例作詳細(xì)敘述，由此本發(fā)明的這些及其他的特征和優(yōu)點(diǎn)對本領(lǐng)域的技術(shù)人員將是顯而易見的，其中圖1為本發(fā)明用作探測IR激光束能量的簡化示意圖。
具體實(shí)施例本發(fā)明采用SiC作為在約10微米波長以下的輻射探測器并且對在此范圍內(nèi)的IR探測特別有用。應(yīng)用范圍包括探測由輻射源如激光放射的輻射功率或能量、非接觸探測由IR輻射加熱其他物體的溫度和控制電子電路的變阻器。
然而，在波長低于約10微米下SiC探測不到聲音吸收。申請人發(fā)現(xiàn)，如果SiC為單晶體結(jié)構(gòu)且厚度至少約200微米時(shí)，就可由SiC獲得有用的聲音吸收機(jī)制。雖然較薄的樣品也許有一些聲音吸收，這量卻很小而從未被探測到。使通過聲音吸而吸收的IR輻射直接轉(zhuǎn)化成熱能，與造成SiC阻抗降低的雜質(zhì)吸附相反，這使SiC阻抗隨IR能量呈大致上線性增加。
在SiC之IR應(yīng)用中有射束能量和功率探測，例如探測IR激光束或由IR燈產(chǎn)生的集中輻射的能量或功率。SiC對這些應(yīng)用特別有利，因?yàn)槠淇稍跇O短的時(shí)間內(nèi)吸收極高能量的劑量而不受損。這樣，其可用作由中等功率(功率在10瓦至300瓦的范圍內(nèi))和高功率(功率超過300瓦)IR激光放射能量之能量/功率探測，此時(shí)SiC的探測表面暴露在整個(gè)輸出能量中而沒有風(fēng)扇或水冷卻，耐溫超過攝氏1300度。SiC優(yōu)越的高功率密度處理能力允許在特定功率電平下采用比現(xiàn)在所用體積較小的SiC探測元件。此外，較小尺寸的SiC探測元件在吸收激光脈沖后比其他用作探測IR輻射的材料更迅速地自我冷卻。SiC的高導(dǎo)熱性使吸收能量迅速地分布在整個(gè)探測器體積上，這基本上降低探測之相對當(dāng)小面積的探測元件暴露在高能量激光束時(shí)可能引起的由橫向大的溫度梯度產(chǎn)生的破壞或熱沖擊的敏感性。SiC的低壓電系數(shù)(相對熱電材料)結(jié)合其高導(dǎo)熱性(在室溫高于銅)可抑制在探測器中由集中的激光束產(chǎn)生的大壓電信號。通常，SiC有利的耐熱沖擊使其能夠吸收含高能量的激光脈沖和可用于在高能量/功率強(qiáng)度下在小體積及面積之探測器中較長時(shí)間暴露在IR輻射。
圖1所示為SiC用作IR輻射探測器。IR輻射源如激光2放射特定波段內(nèi)(本文限定于包括單一波長)的IR束4。SiC探測器本體6設(shè)置在光束路徑中，最好可接收整個(gè)光束。視需要，可把一標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的光譜濾片8設(shè)置在傳感器本體6前的光束路徑上，以把到達(dá)探測器的輻射局限于單一波長或其他窄波段。例如，若要求探測僅以特定的波長輻射，濾片8應(yīng)調(diào)整至所述波長并擋住別的波長的輻射。
一固定電壓源10把一恒定電壓施加在SiC本體的兩端，同時(shí)一電流探測器12探測通過SiC產(chǎn)生的電流。SiC溫度隨接收的IR輻射而變化，同時(shí)隨取決于輻射的波長、強(qiáng)度及暴露時(shí)間的相應(yīng)的阻抗變化而變化。因?yàn)閷o定樣品，SiC溫度和其阻抗之間有固定的關(guān)系，故而可以確定SiC溫度為通過其中的電流的函數(shù)(由電流器12探測)。SiC吸收的IR輻射能量及其溫度之間亦有直接相應(yīng)。因此，SiC的電流反應(yīng)將隨IR射束能量以一對一的關(guān)系而變化。對照SiC阻抗溫度系數(shù)校正電流計(jì)12并消除任何電流探測的熱效應(yīng)，如此就得到IR射束能量的直接讀數(shù)。
不是如圖1那樣施加一恒定電壓和測出所產(chǎn)生的SiC電流，而是可把一恒定電流施加于輸出電路以及探測所產(chǎn)生的SiC電壓反應(yīng)。求出SiC阻抗變化從而使其溫度變化時(shí)的瞬間速率，就可提供IR射束里瞬間功率的一直接讀數(shù)。
SiC本體可以摻雜摻雜劑，但最純的聲音吸收反應(yīng)則它未摻雜時(shí)得到。雖然本發(fā)明的主要直接應(yīng)用被認(rèn)為是在IR范圍內(nèi)，其也可應(yīng)用在短波長，在可見光至紫外光(UV)范圍內(nèi)。
本發(fā)明得出一極安定且具再現(xiàn)性的阻抗對溫度特性和可耐至少攝氏1400度的絕對溫度及極迅速的溫度波動(dòng)而不需要風(fēng)扇或水冷卻。它堅(jiān)固且不易受損、維持適當(dāng)?shù)男Ｕ吞岣呖垢逫R能量/功率強(qiáng)度、暴露時(shí)間及熱沖擊的性能。可采用小的SiC裝置因?yàn)樗鼈冇辛己玫母吖β拭芏忍幚砟芰?，而不受在其他材料中因集中激光脈沖產(chǎn)生的大壓電信號影響。
SiC的其他輻射吸收應(yīng)用(如非接觸溫度探測和變阻器，以及一把SiC本體固定在一具有AlN基片與W、WC或W2C固定層的固定結(jié)構(gòu)中的較佳方法)已在2001年5月29日頒予本發(fā)明人的美國專利第6,239,432號中敘述，本文已含有其內(nèi)容。
雖然業(yè)已展示和敘述了本發(fā)明的一些具體實(shí)施例，但對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員仍可作出許多變化和改型。這樣的變化及改型是預(yù)料當(dāng)中的并可在不違背如所附權(quán)利要求當(dāng)中限定的本發(fā)明的精神及范圍之下作出。
權(quán)利要求
1.一種電磁輻射探測系統(tǒng)，其包括一SiC本體(6)，一電磁輻射(4)的來源(2)，其波長小于約10微米和一探測器(12)，其用于探測所述SiC本體對所述輻射源輻射的反應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于所述探測器的配置為探測由輻射源輻射的所述SiC本體的聲音吸收。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的系統(tǒng)，其特征在于所述探測器的配置為探測對所述SiC本體接收輻射源輻射反應(yīng)所述本體的阻抗增加量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2的系統(tǒng)，其特征在于所述SiC本體的厚度至少200微米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2的系統(tǒng)，其特征在于所述SiC本體為單晶體SiC。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2的系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)還包括一過濾器(8)，其配置為使由所述SiC本體接收由所述輻射源輻射限制在窄波長頻帶。
7.一種輻射偵測方法，其包括以下步驟以波長約小于10微米的電磁輻射(4)照射厚度至少為200微米厚度的SiC本體(6)和探測所述SiC本體對所述輻射的反應(yīng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其特征在于所述反應(yīng)藉探測經(jīng)輻射的所述SiC本體的聲音吸收來偵測。
9.一種電磁輻射探測方法，其包括以下步驟以波長約小于10微米的電磁輻射照射SiC本體(6)和偵測所述本體輻射的聲音吸收。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其特征在于所述聲音吸收是在波長寬頻帶上探測。
全文摘要
采用至少200微米厚度的單晶SiC(6)，透過聲音吸收機(jī)理探測波長約少于10微米的電磁輻射(4)。其應(yīng)用包括IR輻射探測，非接觸溫度探測及IR控制變阻器。
文檔編號H01L31/0312GK1529913SQ02814194
公開日2004年9月15日 申請日期2002年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月16日
發(fā)明者J·D·帕森斯, J D 帕森斯 申請人:希脫魯尼克斯