СХЕМА, УПРАВЛЯЕМАЯ ИНФРАКРАСНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ (ВАРИАНТЫ), ДАТЧИК ЭНЕРГИИ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И СПОСОБ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ SIC Российский патент 2003 года по МПК H01L31/312 

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к использованию SiC (карбида кремния) для измерения инфракрасного излучения и регулирования сопротивления.

Уровень техники
В настоящее время инфракрасное излучение измеряется в таких прикладных областях, как измерение выходной мощности или энергии инфракрасных лазеров пироэлектрическими, болометрическими и калориметрическими детекторами. Обычно в пироэлектрических и болометрических детекторах используются материалы, которые непосредственно поглощают инфракрасное излучение; причем пироэлектрические материалы включают ниобат лития и ниобат тантала, а болометрические материалы включают кремний, германий, арсенид галлия, металл-оксидные керамические термисторы и стекла различных типов.

В калориметрических детекторах обычно используют материалы, на которые должно быть нанесено поглощающее покрытие, чувствительное к инфракрасному излучению. Рабочие характеристики детекторов, измеряющих инфракрасное излучение, ограничиваются способностью материала инфракрасного датчика поглощать энергию, не разрушаясь, что ограничивает максимальную плотность энергии/мощности, максимальное время облучения и минимальный объем и площадь датчика. Все пироэлектрические, болометрические и калориметрические материалы имеют ограниченную термоударную устойчивость.

Материалы, которые в настоящее время используются для непосредственного поглощения инфракрасного излучения, легко разрушаются, когда они подвергаются слишком сильному нагреву (свыше 400^oС), либо если температура датчика возрастает слишком быстро. При измерении выходной мощности или энергии инфракрасных лазеров средней или большой мощности существующие материалы подвергаются облучению только частью выходной энергии инфракрасного излучения путем размещения между лазером и датчиком расщепителя луча, либо дисперсионной среды. Однако это приводит к заниженным оценкам при измерении мощности или энергии. Кроме того, имеющиеся в настоящее время датчики для источников инфракрасного излучения средней и большой мощности требуют воздушного или водяного охлаждения, и их показания уходят относительно показаний первоначально снятой градуировочной кривой.

Одним из подобных применений материалов, чувствительных к инфракрасному излучению, является измерение температуры других материалов, которые нагреваются инфракрасным излучением. Например, в процессе термоударного отжига (ТУО), широко используемом в полупроводниковой промышленности, применяют инфракрасные лампы высокой интенсивности для быстрого увеличения температуры полупроводниковых пластин (в большинстве случаев из кремния) на несколько сотен градусов со скоростью сто градусов в секунду. В настоящее время температура пластин контролируется дистанционно с использованием оптических либо инфракрасных пирометров или с помощью термопар, непосредственно контактирующих с пластиной.

Пирометры измеряют температуру пластины путем поглощения излучения с поверхности пластины через прозрачное смотровое отверстие в стенке камеры, в которой происходит процесс ТУО. Такой способ измерения температуры имеет ограничение, связанное с необходимостью точно знать излучательную способность контролируемой поверхности пластины, необходимостью предотвратить наличие частиц или диспергирующего газа между поверхностью пластины и смотровым отверстием либо наличие каких-либо отложений на смотровом отверстии, либо поверхности пластины, а также необходимостью не допустить каких-либо изменений поверхности пластины, к примеру, загрязнения, химических реакций или изменений текстуры.

Термопары измеряют температуру пластины, касаясь ее поверхности. Ключевые проблемы такого подхода состоят в том, что термопара должна быть помещена в корпус для предотвращения реакций между ней и пластиной, при этом очень трудно обеспечить контакт между термопарой и пластиной, поскольку пластина вращается с угловой скоростью порядка 1200 об/мин для обеспечения равномерной обработки, и контакт пластины с термопарой фактически изменяет локальную температуру.

Материалы, применяемые в настоящее время для измерения мощности или энергии инфракрасного излучения, теоретически можно также использовать в качестве датчиков температуры, но они не выдерживают условий окружающей среды или требуемых температур, в частности, для процесса ТУО, при котором температуры могут достигать 1300^oС.

Сущность изобретения
В настоящем изобретении предлагается уникальный подход к измерению инфракрасного излучения, который применим для измерения мощности или энергии инфракрасного излучения, измерения тепловыделения, а также для создания варисторов, управляемых инфракрасным излучением. Новый датчик инфракрасного излучения выполняется из SiC, предпочтительно в виде монокристаллической структуры. Тело кристалла SiC принимает инфракрасное излучение, в то время как электрическая схема подает электрический сигнал на тело кристалла SiC, которое реагирует на это излучение, изменяя свою реакцию на электрический сигнал. При использовании SiC в качестве датчика энергии и/или мощности инфракрасного излучения в тело кристалла SiC, принимающее инфракрасное излучение, подается постоянный ток или постоянное напряжение, а выходная схема обеспечивает индикацию энергии и/или мощности инфракрасного излучения, падающей на тело кристалла SiC, в функции сопротивления тела кристалла.

Настоящее изобретение можно также использовать для измерения температуры тестируемого тела, такого как пластина в камере для процесса ТУО. При таком применении тело кристалла SiC располагают таким образом, чтобы была известна интенсивность инфракрасного излучения, получаемая телом кристалла, по сравнению с тестируемым телом. Как и в случае с датчиком энергии/мощности инфракрасного излучения, на тело кристалла SiC подается постоянный ток или напряжение, в то время как выходная схема калибруется таким образом, чтобы обеспечить индикацию температуры тестируемого тела в функции сопротивления SiC.

Настоящее изобретение можно также использовать в качестве варистора, в котором лазер направляет регулируемый инфракрасный луч на тело кристалла SiC, которое является составной частью более крупной схемы, причем лазер совместно с телом кристалла SiC выполняет функцию управляемого варистора.

Электрическое сопротивление чистого SiC обычно имеет положительный температурный коэффициент, что является результатом прямого поглощения энергии инфракрасного излучения кристаллической решеткой. Этот температурный коэффициент (ТК) можно "настроить" путем введения атомов примеси. Атомы примеси можно использовать для добавления полос поглощения энергии инфракрасного излучения кристаллической решеткой.

Энергия инфракрасного излучения может поглощаться электрически активными атомами примеси (легирующие примеси), которые частично ионизируются при комнатной температуре (при отсутствии инфракрасного излучения). Непосредственное поглощение энергии инфракрасного излучения кристаллической решеткой или атомами примеси создает положительный ТК, а поглощение в результате ионизации легирующей примеси создает отрицательный ТК. Поскольку на разных длинах волн инфракрасного излучения действуют разные механизмы поглощения, тело кристалла SiC можно "настроить" таким образом, чтобы получить требуемую характеристику в функции длины волны инфракрасного излучения.

В некоторых приложениях, таких как измерение температуры, а также в некоторых типах варисторов, тело кристалла SiC закреплено в монтажной конструкции, имеющей подложку из AlN. Электропроводный монтажный слой, который включает W, WC или W₂C, обеспечивает электрическое и механическое соединение тела кристалла SiC с подложкой через электроды на теле кристалла. Сам монтажный слой может иметь адгезионный слой W, WC или W₂C, прилипающий к подложке, а также один или несколько слоев металлизации, прилипающих к адгезионному слою и связанных с электродами для тела кристалла SiC, причем слои металлизации имеют коэффициент теплового расширения, не более чем в 3,5 раза превышающий коэффициент теплового расширения подложки во всем диапазоне температур, представляющих интерес. Монтажный слой может быть разрывным и состоять из множества отделенных друг от друга монтажных элементов, которые подсоединены к соответствующим, отделенным друг от друга электродам на теле кристалла SiC.

Настоящее изобретение создает весьма стабильную и воспроизводимую характеристику сопротивления в зависимости от температуры, может выдерживать как абсолютные температуры, составляющие по меньшей мере 1400^oС, так и очень резкие скачки температуры без необходимости воздушного или водяного охлаждения, при этом оно обладает прочностью и его трудно разрушить, оно хорошо сохраняет калибровку и улучшает способность противостоять инфракрасному излучению с высокой интенсивностью энергии/мощности, выдерживать большое время облучения и противостоять тепловому удару. Можно использовать устройства SiC меньшего размера благодаря их способности работать с высокой плотностью мощности, не подвергаясь воздействию больших пьезоэлектрических сигналов, которые могут наводиться фокусированными лазерными импульсами в других материалах.

Вышеуказанные и другие цели, признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными специалистам в данной области техники из последующего подробного описания со ссылкой на сопроводительные чертежи.

Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена упрощенная схема изобретения, используемого для измерения энергии инфракрасного лазерного луча;
на фиг. 2 представлена упрощенная схема изобретения, используемого для измерения мощности инфракрасного лазерного луча;
на фиг. 3 представлен упрощенный вид в перспективе подвешенного датчика инфракрасного излучения согласно изобретению;
на фиг. 4 представлена упрощенная схема изобретения, используемого в качестве температурного датчика в процессе ТУО;
на фиг. 5 представлен вид в перспективе опорной конструкции для нового датчика инфракрасного излучения;
на фиг. 6 представлен вид в перспективе опорной конструкции, показанной на фиг.5, с расположенными на месте датчиком инфракрасного излучения и токоподводящими проводниками;
на фиг.7 представлен вид в перспективе конструкции, показанной на фиг.6, с оболочкой, которая оставляет открытым датчик инфракрасного излучения;
на фиг. 8 представлен вид в перспективе датчика инфракрасного излучения по фиг.6 с альтернативной защитной конструкцией;
на фиг. 9 представлена блок-схема использования изобретения в качестве варистора.

Подробное описание изобретения
В настоящем изобретении в качестве датчика инфракрасного излучения используется SiC, причем его применения включают измерение мощности или энергии инфракрасного излучения от источника инфракрасного излучения, к примеру, лазера, бесконтактное измерение температуры других тел, которые нагреваются инфракрасными излучателями, и управляемые варисторы для электрических цепей. Известно, что электрическое сопротивление SiC зависит от температуры. См., например, Spitzer и др. "Infrared Properties of Hexagonal Silicon Carbide", Physical Review, Vol 113, No.1 (1959); и W.J. Choyke, "Optical and Electronic Properties of SiC", включенных в " The Physics and Chemistry of Carbides, Nitrides and Borides", NATO ASI Series, September 18-22, 1989. Однако ранее не предлагалось применение SiC для измерения инфракрасного излучения; его температурные свойства измерялись путем его нагрева, либо через непосредственный контакт, либо путем пропускания через него электрического тока.

Измерение инфракрасного излучения с помощью SiC выполняется посредством непосредственного поглощения атомами кристаллической решетки или электрически неактивными атомами примеси, либо ионизации частично ионизированной, электрически активной примеси (легирующей примеси). То, какой конкретный механизм из перечисленных будет преобладать, зависит от длины волны инфракрасного излучения. Инфракрасное излучение, поглощаемое кристаллической решеткой и электрически неактивными атомами примеси, непосредственно преобразуется в тепловую энергию; такой тип поглощения вызывает увеличение сопротивления материала датчика. Инфракрасное излучение, поглощаемое в результате ионизации частично ионизированной, электрически активной примеси, вызывает уменьшение сопротивления SiC.

Таким образом, характеристика SiC может быть "настроена" в функции длины волны инфракрасного излучения для достижения требуемого температурного коэффициента сопротивления (ТКС). Хотя изобретение можно реализовать с помощью поликристаллического SiC, предпочтительно использовать монокристаллическую структуру, где отсутствуют межзеренные границы, которые могут вызвать дрейф температурной характеристики материала. Межзеренные границы, присутствующие в поликристаллическом SiC, могут со временем накапливать примеси, что приведет к изменению ТКС материала.

К применениям SiC в области инфракрасного излучения относится измерение энергии и мощности луча, что показано на фиг. 1 и 2 соответственно. Такой подход может быть использован, например, для измерения энергии или мощности луча инфракрасного лазера или сфокусированного излучения от инфракрасной лампы. Применение SiC в этих случаях особенно выгодно, поскольку SiC может поглощать дозы очень высокой энергии в течение очень коротких интервалов времени, не подвергаясь при этом разрушению. Следовательно, его можно использовать для измерения энергии/мощности, излучаемой инфракрасными лазерами средней мощности (мощности, лежащие в диапазоне от 10 до 300 ватт) и инфракрасными лазерами более высокой мощности (мощности, превышающие 300 ватт), причем поверхность измерительного SiC облучается всей выходной энергией без воздушного или водяного охлаждения при стабильной работе при температуре свыше 1300^oС.

Способность SiC работать со сверхвысокими плотностями мощности позволяет использовать для данной мощности элементы датчика SiC с меньшим объемом по сравнению с размерами элементов, используемых в настоящее время; кроме того, меньшие размеры элементов датчика SiC способствуют более быстрому самоохлаждению после поглощения лазерного импульса по сравнению с другими материалами, используемыми для измерения инфракрасного излучения. Кроме того, высокая теплопроводность SiC обеспечивает быстрое распределение поглощенной энергии по всему объему датчика, что существенно уменьшает подверженность элемента датчика разрушению в результате теплового удара (из-за больших поперечных температурных градиентов, которые могут появиться, когда малая площадь чувствительного элемента подвергается облучению лазерным лучом высокой энергии).

Низкие пьезоэлектрические коэффициенты SiC (по сравнению с пироэлектрическими материалами) в сочетании с высокой теплопроводностью (более высокой, чем у Сu при комнатной температуре) подавляют генерацию сильных пьезоэлектрических сигналов в датчике из-за фокусированных лазерных импульсов. В общем, высокая термоударная устойчивость SiC позволяет ему поглощать лазерный импульс высокой энергии и дает возможность использовать его для относительно длительного облучения инфракрасным излучением при больших значениях интенсивности энергии/мощности в датчике с малым объемом и площадью.

В SiC могут быть введены легирующие примеси для получения высокостабильного и воспроизводимого ТКС, который, особенно в случае монокристаллического SiC, не будет иметь отклонений относительно показаний первоначально снятой градуировочной кривой. Многократное облучение концентрированными дозами инфракрасного излучения не изменит характеристики датчика. Кроме того, благодаря своему фононному спектру и значениям энергии ионизации примеси SiC может непосредственно поглощать множество важных инфракрасных волн, превышающих по длине 25 микрометров. Это устраняет необходимость использования поглощающего покрытия, чувствительного к инфракрасному излучению, которое применяется практически во всех детекторах инфракрасного излучения при их использовании для обнаружения длин волн, больших 2,5 микрометров.

Использование SiC в качестве датчика энергии инфракрасного излучения показано на фиг. 1. Источник инфракрасного излучения, к примеру, лазер 2, излучает инфракрасный луч 4 в определенном диапазоне длин волн (здесь определено, что этот диапазон включает одну длину волны). Тело кристалла SiC датчика 6 расположено на пути луча, причем предпочтительно, чтобы оно принимало весь луч. Источник постоянного напряжения 8 подает постоянное напряжение между концами SiC, а датчик тока 10 измеряет результирующий ток через SiC.

Температура SiC изменяется в соответствии с инфракрасным излучением, причем являющееся результатом этого изменение сопротивления зависит от длины волны (длин волн) излучения, интенсивности и времени облучения. Поскольку имеется фиксированная взаимосвязь между температурой SiC и его сопротивлением для данной степени легирования, температуру SiC можно измерять в функции протекающего через него тока, который измеряется амперметром 10. Также имеется прямое соответствие между энергией инфракрасного излучения, поглощаемой SiC, и его температурой. Соответственно, реакция SiC по току будет однозначно соответствовать энергии инфракрасного луча. Калибровка амперметра 10 в соответствии с ТКС SiC, а также устранение эффекта нагревания из-за протекающего тока позволяет обеспечить непосредственное считывание показаний энергии инфракрасного луча.

Вместо подачи постоянного напряжения и измерения результирующего тока SiC, как показано на фиг.1, можно подавать постоянный ток; при этом выходная схема будет измерять реакцию SiC по напряжению, а не по току. Это показано на фиг.2, где датчик предназначен для измерения мощности инфракрасного луча, а не его энергии. Источник постоянного тока 12 подает в SiC постоянный ток, причем дифференцирующий датчик напряжения 14 подсоединен к телу кристалла SiC в поперечном направлении. Дифференцирующий датчик напряжения 14 определяет мгновенную скорость, с которой изменяется сопротивление SiC, а значит, и его температура. Это обеспечивает непосредственную индикацию мгновенной мощности в инфракрасном луче 4.

Датчик SiC предпочтительно подвешивается в корпусе, так чтобы по возможности обеспечить его тепловую изоляцию. Это показано на фиг.3, где стенки корпуса показаны под ссылочной позицией 16. Кристалл SiC 18 имеет проводящие контактные электродные площадки 20а и 20b на противоположных концах, причем к узлу кристалла SiC электрически и механически подсоединены токоподводящие проводники 22а и 22b через соответствующие зажимы 24а и 24b, такие как зажимы типа "крокодил", либо с помощью паяных или штыревых контактов, на которых может быть смонтирован зажим.

Токоподводящие проводники 22а, 22b закреплены на стенках камеры для подвески кристалла SiC по месту, а также для обеспечения электрического доступа к кристаллу при эффективной тепловой изоляции кристалла от внешней части камеры. Подвеска с помощью контактных зажимов особенно полезна в случае низкотемпературных диапазонов, таких как диапазоны, которые характерны для лазеров промежуточной мощности, когда температура обычно не превышает 500^oС. Контактные площадки зажимов 20а, 20b могут быть сняты, если это необходимо, при этом зажимы непосредственно подсоединяются к противоположным концам кристалла.

На фиг. 4 показана система, в которой SiC также облучается инфракрасным излучением, но уже с целью измерения температуры находящегося рядом тестируемого тела. На фиг.4 представлена камера для ТУО 26 в упрощенном виде без соблюдения масштаба. Изобретение используется для измерения температуры полупроводниковой пластины 28, обычно кремниевой, температура которой претерпевает быстрые изменение под влиянием излучения от инфракрасной лампы 30. Кристалл SiC 32 с металлизированными контактами 34а, 34b на противоположных концах располагают на той же рабочей платформе 36, что и пластину 28, либо в каком-то другом месте, для которого известно, какую долю от интенсивности инфракрасного излучения 38, падающего на пластину, получает кристалл SiC.

Постоянное напряжение от источника напряжения 40 подается через контакты 34а и 34b для создания тока в теле кристалла SiC 32, который изменяется в функции сопротивления SiC, что, в свою очередь, отображает изменение температуры SiC. Ток, а следовательно, и температура SiC измеряется амперметром 42. В альтернативном варианте можно использовать источник постоянного тока и измерять напряжение на SiC.

После того как температурная характеристика тела кристалла SiC по инфракрасному излучению откалибрована по характеристике полупроводниковой пластины 28, тело кристалла SiC можно использовать для измерения температуры пластины бесконтактным способом путем ее облучения от того же самого инфракрасного источника при условии, что его расстояние от источника поддерживается постоянным по отношению к расстоянию от источника до пластины. Калибровка может включать любую регулировку, необходимую для подавления эффекта перепадов интенсивности инфракрасного излучения между кристаллом SiC и пластиной в результате разницы расстояний от инфракрасного источника до пластины и до кристалла SiC.

Затем SiC можно использовать для измерения температуры аналогичных пластин, расположенных на той же опорной платформе 36, причем амперметр 42 калибруется таким образом, чтобы обеспечить индикацию температур пластин. Это позволяет регулировать возбуждение инфракрасной лампы 30, обеспечивая требуемый профиль изменения температуры пластины. Механизм регулирования показан на фиг.4, где выходной сигнал амперметра 42, представляющий температуру пластины, подается в схему 44 управления, которая, в свою очередь, управляет сигналом возбуждения инфракрасной лампы 30, так чтобы эмитируемое инфракрасное излучение поддерживало требуемый профиль температуры вдоль пластины.

На фиг.5 представлена предпочтительная монтажная конструкция для кристалла SiC, которая надежно удерживает кристалл на месте в очень широком температурном диапазоне, обычно до 1300^oС или более. Кристалл 46 из AlN выполняет функцию подложки для монтажного механизма. Электропроводный монтажный слой для кристалла SiC формируется на подложке 46 в виде пары монтажных элементов 48а и 48b, по одному для одному для каждого контакта кристалла SiC. Эти монтажные элементы могут состоять из толстой либо тонкой пленки вольфрама (W), WC или W₂C. Они обеспечивают путь для электрического тока между лежащим выше кристаллом SiC и контактными площадками подложки 50а, 50b, которые смещены вбок и контактируют с монтажными элементами 48а и 48b соответственно.

Монтажные элементы прилипают к кристаллу AlN 46 и обеспечивают контактную связь с контактами кристалла SiC. W, WC и W₂C удовлетворяют этому требованию, обеспечивая прилипание к подложке AlN 46. При правильной стехиометрии они могут быть нанесены на поверхность кристалла AlN посредством любой из ряда различных технологий осаждения из паровой фазы, таких как высокочастотное ионное распыление/распыление на постоянном токе, высокочастотное ионное совместное распыление/совместное распыление на постоянном токе, электронно-лучевое испарение и химическое осаждение из паровой фазы. Поверхность подложки из AlN, для которой применяются эти технологии, должна быть шероховатой, с тем чтобы адгезия возникла благодаря физической, а не химической связи. Плотность пленки может быть увеличена, а межзеренная граница уменьшена благодаря термическому отжигу в диапазоне от 800 до 1400^oС в вакууме или атмосфере инертного газа, к примеру, Аr или N₂, причем плотность и рост зерен будет зависеть от времени существования конкретной температуры.

На нижележащие пленки из W, WC или W₂C 54а, 54b могут быть напылены слои металлизации 52а, 52b, если это необходимо для увеличения площади поперечного сечения монтажных элементов, для защиты подстилающих слоев 54а, 54b от коррозии и/или усиления связи с контактами кристалла SiC. Можно использовать один либо несколько слоев металлизации. Для температур до 800^oС, в конце концов, можно использовать любые металлы. Платина подходит до температур порядка 1400^oС, а сплавы золота с платиной - до температур порядка 1300^oС в условиях кислородно-окислительной среды; никель, палладий, платину и их сплавы и интерметаллические соединения, а также сплавы из никеля и хрома могут быть использованы при температурах до 1400^oС в вакууме, инертной или восстановительной среде.

Контактные площадки электродов 50а, 50b включают боковые выступы монтажных элементов 48а, 48b и имеют аналогичную базовую конструкцию. Однако, как показано на фиг. 5, слой поверхностной металлизации на контактной площадке может иметь толщину, большую, чем на монтажных элементах, для облегчения крепления токоподводящих проводников. Обычно общая толщина металлизации, покрывающей контактные площадки 50а, 50b, должна составлять по меньшей мере 0,05 от диаметра токоподводящих проводников, а коэффициенты температурного расширения слоя металлизации и токоподводящих проводников должны примерно совпадать. Кроме того, слой металлизации должен иметь коэффициент температурного расширения, не превышающий примерно в 3,5 раза аналогичный коэффициент подложки во всем рабочем диапазоне температур.

На фиг.6 показана монтажная конструкция по фиг.5 после прикрепления кристалла SiC 18 к монтажным элементам, токоподводящих проводников 56а, 56b к электродной контактной площадке 50а, и токоподводящих проводников 56с, 56d к электродной контактной площадке 50b. Кристалл SiC 18 может содержать тонкие пленки, включающие другие полупроводниковые материалы и соединения, при условии если по меньшей мере 90% толщины кристалла составляет SiC. Контакты 20а, 20b связаны с монтажными элементами 48а, 48b соответственно. Токоподводящие проводники предпочтительно подсоединены к электродным контактным площадкам посредством сварки расщепленным электродом, при этом две сплющенные области в каждом токоподводящем проводнике представляют собой места, где сварочные головки контактируют с токоподводящими проводниками.

Для дополнительной защиты может быть использована конструкция в оболочке типа той, что показана на фиг.7. Эта конструкция аналогична конструкции на фиг. 6, но здесь на верхнюю часть подложки из AlN 46 нанесено покрытие 58 из прореагировавшей боросиликатной смеси (ПБСС) с окном 60 в оболочке, которое открывает лежащий ниже кристалл SiC 18 для подаваемого инфракрасного излучения. ПБСС слипается с находящимся ниже материалом в результате химической реакции с ним, образуя оксидный граничный слой в виде прореагировавшей боросиликатной смеси. ПБСС образует внешний барьер над поверхностью, которую он покрывает, если, в пределах диапазона циклического изменения температуры конструкции, коэффициент температурного расширения смеси ПБСС примерно совпадает с аналогичным коэффициентом материала, который она покрывает, либо вязкость ПБСС ниже точки размягчения Литлтона (Littleton) (примерно 10 сантиметр-грамм-секунда).

На фиг.8 показан другой вариант монтажной конструкции, в которой в дополнение к нижележащему кристаллу из AlN 46 над конструкцией по фиг.6 размещена пара 62а, 62b отделенных друг от друга покрытий из AlN меньшего размера, которая удерживается вместе с нижележащей подложкой 46 смесью ПБСС 64, причем часть верхней поверхности кристалла SiC 18 открыта для инфракрасного излучения.

Применение настоящего изобретения для измерения температуры было описано здесь в связи с технологией ТУО. Описанная возможность измерения температуры имеет также другие многочисленные приложения, такие как нагрев, вентиляция и кондиционирование воздуха, отопление помещений, высушивание и консервирование, обработка и приготовление пищи, а также может найти применение в духовых шкафах и туннельных печах, в упаковочных машинах, текстильном оборудовании, при вакуумном формовании и обработке листового металла.

Как отмечалось выше, в SiC могут быть введены легирующие примеси для подстройки его температурной характеристики к различным длинам волн инфракрасного излучения. Поскольку SiC является соединением группы IV, в качестве акцепторной примеси может быть использован любой элемент из группы IIIA или IIIB, а в качестве донорной примеси может быть использован любой элемент из группы V. Каждый легирующий элемент имеет разную энергию активации, которая обратно пропорциональна длине волны активации. Конкретная длина волны активации зависит не только от используемой легирующей примеси, но также и от политипа SiC, такого как 2Н, 4Н, 6Н, 8Н, 15R и т.д.; причем каждый политип имеет разную ширину запрещенной энергетической зоны и энергию ионизации электрически активной примеси.

Использование настоящего изобретения в качестве варистора, управляемого инфракрасным излучением, показано на фиг.9. Тело кристалла SiC 66, которое выполняет функцию варистора, образует часть общей электрической схемы, показанной в виде подсхем 68 и 70, соединенных варистором 66. Лазер 72 направляет на тело кристалла SiC инфракрасный луч 74 с длиной волны, к которой чувствителен варистор 66, при этом лазер 72 регулируется схемой управления 76. При использовании длины волны (или диапазона длин волн) инфракрасного излучения, которая непосредственно поглощается атомами кристаллической решетки и/или атомами примеси варистора 66, сопротивление варистора экспоненциально возрастает при работе лазера. Эта характеристика может быть использована, например, для отключения тока в аварийных ситуациях, либо использована для создания выключателя для включения и выключения электронной аппаратуры в функции какого-либо другого параметра, подаваемого в схему управления 76. Таким образом, реакция варистора на электрический сигнал от подсхем 68 и 70 состоит в изменении состояния цепи от проводящего к непроводящему и наоборот в зависимости от падающего на варистор 66 инфракрасного излучения.

Преимущество использования SiC в таком варисторе состоит в том, что SiC может действовать как часть всей схемы, имеющая низкое сопротивление, что дает возможность работать с очень большими токами из-за присущей SiC способности работать при высокой мощности. Вместо того, чтобы использовать варистор 66 просто как переключатель для включения/выключения, он может управлять работой всей схемы другими способами, обеспечивая промежуточные значения сопротивления под воздействием инфракрасного лазера с точной регулировкой.

Хотя здесь были показаны и описаны некоторые варианты изобретения, специалистам в данной области техники очевидны многочисленные видоизменения и альтернативные варианты его осуществления. Соответственно предполагается, что изобретение ограничивается только прилагаемой формулой изобретения.

Использование: измерение мощности или энергии инфракрасного излучения, а также для измерения температуры. Технический результат изобретения - обеспечение возможности работы при высокой температуре без воздушного или водяного охлаждения, измерение инфракрасного излучения большой мощности, противостояние тепловому удару, при минимизации размеров самого устройства. Сущность: тело кристалла SiC реагирует на падающее инфракрасное излучение, изменяя свою реакцию на электрический сигнал. Тело SiC закреплено в монтажной конструкции, включающей в себя подложку из AlN и электропроводный монтажный слой, содержащий W, WC или W₂С, который электрически и механически соединяет тело кристалла SiC с подложкой. 4 с. и 7 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Схема, управляемая инфракрасным излучением, содержащая тело кристалла SiC (6), поглощающее инфракрасное излучение и открытое для приема инфракрасного излучения (4), и электрическую схему (8 или 12), подсоединенную для подачи электрического сигнала в тело кристалла SiC, причем тело кристалла SiC реагирует на падающее инфракрасное излучение, изменяя свою реакцию на электрический сигнал, и закреплено в монтажной конструкции, включающей в себя подложку (46) из AlN и электропроводный монтажный слой (48а, 48b), содержащий W, WС или W₂С, который электрически и механически соединяет тело кристалла SiC с подложкой.2. Схема, управляемая инфракрасным излучением, по п.1, в которой монтажный слой содержит адгезивный слой из W, WС или W₂С (54а, 54b), прикрепленный к подложке, и слой металлизации (52а, 52b), прикрепленный к адгезивному слою и связанный с электродами (20а, 20b) на теле кристалла SiC, причем упомянутый слой металлизации имеет коэффициент теплового расширения, который не более чем в 3,5 раза превосходит аналогичный коэффициент подложки во всем диапазоне температур, представляющем интерес.3. Схема, управляемая инфракрасным излучением, по п.1, дополнительно содержащая множество электродных контактных площадок (50а, 50b), имеющих тот же состав, что и монтажный слой, которые электрически и механически соединены с подложкой и электрически соединены с монтажным слоем.4. Датчик энергии инфракрасного излучения, содержащий тело кристалла SiC (6), открытое для приема инфракрасного излучения (4), схему возбуждения, скомпонованную таким образом, чтобы подавать либо регулируемое напряжение, либо регулируемый ток на тело кристалла SiC, и выходную схему, включающую в себя датчик (10) тока для тела кристалла SiC в случае подачи регулируемого напряжения из схемы возбуждения, либо датчик (14) напряжения для тела кристалла SiC в случае подачи регулируемого тока из схемы возбуждения, причем выходная схема обеспечивает индикацию энергии инфракрасного излучения, падающего на тело кристалла SiC, в диапазоне волн, представляющем интерес, и при этом тело кристалла SiC закреплено в монтажной конструкции, содержащей подложку (46) из A1N и электропроводный монтажный слой (48а, 48b), содержащий W, WC или W₂C и электрически и механически соединяющий тело кристалла SiC c подложкой.5. Датчик по п.4, в котором в тело кристалла SiC введены легирующие примеси, так что оно реагирует на инфракрасное излучение в диапазоне волн, представляющем интерес, изменяя свое сопротивление в соответствии с уровнем легирования.6. Датчик по п.4, в котором тело кристалла SiC расположено таким образом, что известно, насколько оно подвергается облучению инфракрасным излучением (38) относительно уровня инфракрасного излучения, принимаемого тестируемым телом (28), чью температуру требуется измерить, а выходная схема обеспечивает индикацию температуры тестируемого тела в зависимости от сопротивления тела кристалла SiC.7. Датчик по п.4, в котором с использованием энергии инфракрасного излучения и времени рассчитывается мощность инфракрасного излучения.8. Схема варистора, управляемого инфракрасным излучением, содержащая рабочую схему (68, 70), тело кристалла SiC (66), включенное в рабочую схему, и регулируемый источник (72) инфракрасного излучения, скомпонованный для направления инфракрасного излучения (74) на тело кристалла SiC и для регулирования его сопротивления и в связи с этим регулирования работы рабочей схемы в зависимости от характеристик инфракрасного излучения, причем тело кристалла SiC закреплено в монтажной конструкции, включающей в себя подложку (46) из AlN и электропроводный монтажный слой (48а, 48b), содержащий W, WC или W₂C и электрически и механически соединяющий тело кристалла SiC c подложкой.9. Способ использования инфракрасного излучения, заключающийся в том, что подают электрический сигнал в тело кристалла SiC (6) и подают инфракрасное излучение (4) на тело кристалла SiC для его нагрева и в связи с этим изменения сопротивления тела кристалла, которое регулирует реакцию тела кристалла на электрический сигнал, причем тело кристалла SiC закреплено в монтажной конструкции (46), содержащей подложку из АlN и электропроводный монтажный слой (48а, 48b), содержащий W, WС или W₂С и электрически и механически соединяющий тело кристалла SiC с подложкой.10. Способ по п.9, в котором подаваемый электрический сигнал содержит сигнал напряжения (8) или тока (12), причем способ для обеспечения индикации мощности или энергии инфракрасного излучения дополнительно содержит измерение результирующего тока (10) через тело кристалла SiC в случае подачи сигнала напряжения либо результирующего напряжения (14) на теле кристалла SiC в случае подачи сигнала тока.11. Способ по п.9 или 10, дополнительно содержащий облучение тела кристалла SiC и тестируемого тела (28), чью температуру требуется измерить, непосредственно зависящими друг от друга уровнями инфракрасного излучения и измерение реакции тела кристалла SiC на электрический сигнал для индикации температуры тестируемого тела.