МНОГОСПЕКТРАЛЬНЫЙ ФОТОПРИЕМНИК
MULTISPECTRAL PHOTO RECEIVER

Изобретение относится к области нанотехнологии и может быть использовано в мобильных оптоэлектронных средствах, системах, имеющих ограничения по массогабаритным характеристикам, потребляемой мощности.;
в средствах наблюдения и разведки: при большой освещенности; в зимний период, в прибрежной полосе, при применении ослепляющих технических средств; в ночное время суток; при наличии маскирующих факторов покрытий, замаскированных под снег, солнечных бликов;
в системах: синтеза зональных изображений в диапазоне ультрафиолета, при работе с тепловизионными, телевизионными техническими средствами; наведения, прицеливания, высокоточного оружия.
Известно многоспектральное устройство, содержащее объектив и фотоприемное многоканальное устройство на основе стехиометрического состава соединения CdHgTe [1].
Недостатком устройства является узкая область спектральной чувствительности фотоприемного устройства от 0,4 до 16 мкм и необходимость охлаждения до низких температур, что значительно увеличивает габаритные размеры многоспектрального устройства в целом.
Известно широкополосное устройство ИК диапазона, содержащее приемники излучения, изготовленные планарно-групповым методом в тонкопленочном пироэлектрическом материале [2].
Недостатком его является то, что спектральная чувствительность пироэлектриков не охватывает область УФ излучения, имеет низкую пороговую чувствительность в видимом диапазоне длин волн.
Наиболее близким по технической сущности является интегральное фотоприемное устройство, содержащее болометрические приемники, регистрирующие в широком диапазоне длин волн энергию электромагнитного излучения [3].
Недостатком прототипа является то, что спектральная чувствительность болометрических приемников определяется их пространственной конфигурацией и поглощающей способностью материала болометра, что приводит к необходимости реализации в них геометрических размеров, соответствующих длине волны электромагнитного излучения.
Кроме того, для устройств на основе болометрических приемников сложно реализовать одновременно высокую пороговую чувствительность и быстродействие в широком диапазоне длин волн, не усложняя технологию изготовления устройства.
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по созданию в одной фокальной плоскости фотоприемников ультрафиолета, инфракрасного, видимого диапазона с единой пространственной конфигурацией.
Получаемый при этом технический результат заключается в создании малогабаритного многоспектрального устройства одновременно регистрирующего собственные и вторичные излучения в спектральном диапазоне ультрафиолета, теплового и видимого излучения.
Предлагаемое устройство, включающее фотоприемники излучения ультрафиолета, инфракрасного (теплового), видимого диапазона, выполнено на одном кристалле в виде оптически прозрачной мембраны, представляющей собой гетероструктуру, содержащую подложку с нанесенной на нее алмазной пленкой толщиной от 250 до 500 нм, соединенной через омические контакты с оптически прозрачной пленкой сегнетоэлектрика толщиной от 15,0 до 30,0 мкм, причем линейные размеры фотоприемников ультрафиолета и инфракрасного диапазона идентичны, фотоприемники видимого диапазона размещают над фотоприемниками инфракрасного диапазона, совмещая их в фокальной плоскости с фотоприемниками ультрафиолета и инфракрасного диапазона, причем омические контакты выведены на подложку, выполненную в виде сверхбольшой интегральной схемы.
Указанный технический результат достигается следующим способом изготовления многоспектрального устройства:
- на поверхность одной стороны подложки сверхбольшой интегральной схемы (СБИС) наносится оптически прозрачная в видимом и ИК диапазоне алмазная пленка;
- на поверхность алмазной пленки напыляют пленку металла;
- в пленке металла формируют омические контакты фоторезистивных УФ приемников;
- на поверхность алмазной пленки наносят оптически прозрачную в видимом диапазоне пленку сегнетоэлектрика;
- на поверхность пленки сегнетоэлектрика наносится слой металла;
- в слое металла формируют омические контакты ИК приемников с линейными размерами, идентичными омическим контактам УФ приемников, совмещенных по нормали к поверхности;
- удаляют методом химического травления подложку в области размещения УФ и ИК приемников и формируют мембранного типа устройство УФ и ИК диапазона;
- в устройстве мембранного типа над ИК приемниками размещают фотоприемники видимого диапазона совместив их в фокальной плоскости с фотоприемниками УФ и ИК диапазона.
- электрически соединяют с СБИС омические контакты фотоприемников.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточных для получения требуемого технического результата.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показано изображение УФ и ИК приемников на мембране в разрезе, а на фиг.2 - конструкция многоспектрального фотоприемника.
Многоспектральный фотоприемник содержит подложку 1, алмазную пленку 2, омические контакты 3 УФ приемников, пленку сегнетоэлектрика 4, омические контакты 5 ИК приемников, фотоприемную площадку 6 УФ приемника, фотоприемную площадку 7 ИК приемника, омические контакты 8 приемников видимого диапазона, фотоприемную площадку 9 приемника видимого диапазона.
Принцип действия устройства
Регистрация спектра и интенсивности собственных и вторичных излучений в диапазоне от 200 нм до 300 мкм в представленном устройстве осуществляется следующим образом.
Излучение в диапазоне длин волн 200 - 300 нм детектируется в алмазной пленке 2, изменяет в ней электрическое сопротивление пропорционально интенсивности излучения и, как следствие, приводит к изменению разности потенциалов в омических контактах 3 фоторезистивного УФ приемника.
Так как алмазная пленка 2 оптически прозрачна в видимом и ИК диапазоне, то прошедшее через нее излучение воздействует на пленку сегнетоэлектрика 4.
Сегнетоэлектрик в диапазоне длин волн от 1,0 - 30,0 мкм поглощает тепловое излучение, что изменяет диэлектрическую проницаемость сегнетоэлектрика пропорционально интенсивности излучения и, как следствие, приводит к изменению емкости заряда между омическими контактами 5 ИК фотоприемника.
Так как пленка сегнетоэлектрика 4 оптически прозрачна в видимом диапазоне, то прошедшее через нее излучение в диапазоне длин волн 300 нм - 1,0 мкм детектируется приемниками излучения видимого диапазона.
Если подложка 1 не содержит СБИС, то отсутствуют условия для создания на одном кристалле системы сбора и обработки информации приемников излучения ИК, УФ, видимого диапазона, что приведет к увеличению габаритных размеров устройства.
Толщина алмазной пленки 2 менее 250 нм не обеспечит:
- фоторезистивных свойств УФ приемников на длинах волн более 250 нм, поскольку толщина алмазной пленки меньше длины волны верхней границы диапазона детектирования 200-300 нм.
Толщина алмазной пленки 2 более 500 нм снизит интенсивность проходящего через нее излучения ИК и видимого диапазона, что приведет к снижению функциональных параметров приемников ИК и видимого диапазона и устройства в целом.
Толщина алмазной пленки 2 пленки от 250 до 500 нм обеспечит:
-11
-12
- пороговую чувствительность 10-10 Вт фоторезистивных приемников УФ в диапазоне 200-300 нм;
- прочность конструкции в устройстве мембранного типа благодаря высоким механическим свойствам алмазной пленки.
Затем создается пленка сегнетоэлектрика толщиной 15-30 мкм, оптически прозрачная в видимом диапазоне.
Толщина пленки сегнетоэлектрика 4 менее 15 мкм не обеспечит:
- детектирующих свойств ИК приемников на длинах волн более 7,5 мкм, поскольку толщина пленки сегнетоэлектрика меньше половины длины волны верхней границы диапазона 1-30 мкм.
Толщина пленки более 30 мкм снизит интенсивность проходящего через нее излучения видимого диапазона, что приведет к снижению функциональных параметров приемников видимого диапазона и устройства в целом.
Толщина пленки 15-30 мкм обеспечит:
-10
-9
- пороговую чувствительность 10-10 Вт ИК приемников в диапазоне 1 - 30 мкм;
- прочность конструкции в устройстве мембранного типа благодаря высоким механическим свойствам пленки сегнетоэлектрика.
Устройство изготавливают следующим образом.
4
2
2
Предварительно закрыв теневой маской СБИС, на поверхность одной стороны подложки наносится алмазная пленка 2. Процесс нанесения включает двухстадийный процесс: гидрирование в плазме водорода поверхности подложки с последующим осаждением на подложку алмазного материала толщиной 300-500 нм CVD методом из газовой смеси СН+Н. Процесс гидрирования предотвращает образование карбидов на подложке при последующем осаждении алмазного материала, а проведение процесса осаждения с содержанием Н 97,5 вес.% и более подавляет процесс графитизации и реализует функциональные свойства алмазной пленки 2:
- фоточувствительность в диапазоне ультрафиолета;
- оптическую прозрачность в видимом и ИК диапазоне;
- высокую механическую и химическую стойкость.
На поверхность алмазной пленки 2 для создания омического контакта 3 напыляют адгезионный слой никеля толщиной 10 нм. Метод напыления DC катодное распыление в атмосфере аргона. Такой способ напыления позволяет получить высокую степень адгезии никеля с алмазной пленкой. На поверхность адгезионного слоя напыляют слой аморфного никеля толщиной 80-90 нм. Метод нанесения аморфного никеля электронно-лучевое напыление. Такой способ напыления позволяет реализовать высокую надежность омических контактов за счет нивелирования в адгезионном слое коэффициентов термического расширения материалов.
На поверхности металлической пленки никеля планарно-групповым методом с использованием жидкостного травления изготавливают омические контакты фоторезистивных УФ приемников.
x
1-x
3
Далее на поверхность алмазной пленки с использованием золь-гель технологии наносят оптически прозрачную в видимом диапазоне пленку сегнетоэлектрика BaSrTiO состава х=0,2 толщиной 15-30 мкм. Золь-гель метод обеспечивает при нанесении сегнетоэлектрика сохранение оптических свойств алмазной пленки и функциональных параметров УФ приемников.
На поверхность пленки сегнетоэлектрика для создания омического контакта 5 наносится слой платины толщиной 200-300 нм.
В пленке платины планарно-групповым методом с использованием жидкостного травления формируют омические контакты 5 ИК приемников с линейными размерами, идентичными омическим контактам 3 УФ приемников, совмещенных по нормали к поверхности.
Удаляют методом химического травления подложку 1 в области размещения УФ и ИК приемников и формируют мембранного типа устройство УФ и ИК диапазона.
Размещают над ИК приемниками фотоприемники видимого диапазона, предварительно совместив их в фокальной плоскости с фотоприемниками УФ и ИК диапазона.
Электрически соединяют с СБИС омические контакты фотоприемников.
Настоящее изобретение промышленно применимо и может быть изготовлено с использованием достаточно хорошо отработанных технологий. При этом возможно создание матричных приемников УФ и ИК диапазона большого формата.
Заявляемое устройство позволяет повысить помехозащищенность оптоэлектронных средств наблюдения и разведки за счет синтеза зональных изображений в различных спектральных диапазонах, в том числе при применении ослепляющих технических средств, поскольку УФ приемники не обладают фоточувствительностью в видимом и ИК диапазоне.
Отсутствие дополнительных согласующих устройств, уменьшение числа разъемных соединений между функциональными узлами позволяет значительно снизить габаритные размеры и повысить надежность устройства.
Источники информации
1. Патент на изобретение RU №2312372, МПК G01S 17/66, 2005 г.
2. А.Муртазин, И.Олихов, Д.Соколов. Пироэлектрический электронно-оптический преобразователь. Электроника: Наука, Технология, Бизнес 1/2006, стр.26.
3. Б.В.Васильев. Болометрические и пироэлектрические приемники оптического излучения: учеб. пособие. Ленинградский электротехнический институт им. В.И.Ульянова (Ленина) ЛЭТИ, 1986, с.57.