ГИБРИДНАЯ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНАЯ СХЕМА (ГФС)
HYBRID PHOTOSENSITIVE CIRCUIT (HPC)

Изобретение относится к области полупроводниковой электроники и может быть использовано при создании многоспектральных многоэлементных фотоприемников.
Известны многоэлементные микроэлектронные устройства, в которых отдельные элементы чувствительного слоя, принимающие излучение в разных рабочих спектральных диапазонах, располагаются поочередно - по отдельным столбцам, что позволяет решить проблему расширения детектируемого диапазона за счет усложнения конструкции мультиплексора. Сигналы с этих элементов поступают на низкошумящие трансимпедансные усилители схемы считывания, имеют разные для каждого из двух типов приемников коэффициенты усиления и емкости ячеек накопления зарядов ("Long-wavelength 128×128 GaAs quantum well infarared photodetector arrays" - B.F. Levine et.al., Semicjnd,. Soi. Technol. 1991, v6. C. 114-C119).
Недостатком такой конструкции является то, что для каждого из двух типов приемников приходиться изготовлять свой тип усилителя, с разными коэффициентами усиления и емкостью ячеек накопления зарядов, что технологически очень сложно и существенно повышает стоимость конечного изделия.
Кроме того, в этом случае остается нерешенным вопрос защиты кремниевого мультиплексора от жесткого УФ излучения, что приводит к существенному снижению его надежности и срока службы.
Также известно решение, которое принято за прототип изобретения, когда (фиг 1.) гибридная фоточувствительная схема, содержащая: алмазный матричный фотоприемник (МФП), индиевые столбики 4 и кремниевый мультиплексор 6 с чувствительными площадками 5, причем в состав МФП входят: верхний плоский электрод 1, на который подается напряжение смещения, алмазная пластина 2 и нижние электроды 3 чувствительных элементов алмазного МПФ, с которых снимается сигнал, при этом нижние электроды 3 гальванически связаны через индиевые столбики 4 с расположенными в виде прямоугольной матрицы с осями X и Y чувствительными элементами 5 кремниевого мультиплексора 6, причем число индиевых столбиков на каждой из осей X и Y не менее двух. Матрица фотоприемника по осям X и Y имеет одинаковые шаги (flip-chip-сборка). (Altukhov А.А., Feshchenko V.S., Mityagin A.Yu. et al. А 128×128 Pixel Ultraviolet Photodetector Based on a Diamond Sensor // Radiotekhnika i elektronika. - 2010. - v.55. - №6, p.764-768).
Недостатком такой конструкции является ограничение диапазона детектируемого излучения УФ диапазоном спектра, обусловленного спектром фоточувствительности фотоприемной матрицы.
Признаки прототипа, совпадающие с признаками изобретения: прототип и изобретение состоят из двух основных частей - интегральной схемы детектирования УФ излучения и кремниевой интегральной схемы преобразования принятого сигнала, в которых собственно фотоприемная матрица электрически связана с матричным кремниевым мультиплексором посредством индиевых столбиков (flip-chip-сборка).
Техническим результатом изобретения является расширение детектируемого диапазона излучения в УФ диапазон спектра, увеличение срока службы за счет исключения попадания жесткого УФ излучения на мультиплексор и возможность регистрации изображения одновременно и в ультрафиолетовом, видимом и ИК-диапазоне спектра.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 представлена конструкция гибридной фоточувствительной схемы (ГФС), где введены обозначения: 1 - верхний электрод алмазного МФП; 2 - алмазная пластина; 3 - нижний электрод чувствительного элемента алмазного МФП; 4 - индиевые столбики; 5 - чувствительные площадки кремниевого мультиплексора; 6 - кремниевый мультиплексор; 7 - падающее излучение; 8 - отфильтрованное излучение.
На фиг.2 показано расположение чувствительных площадок 5 на мультиплексоре.
На фиг.3 показано расположение нижних электродов 3 на МФП.
На фиг.4 показан верхний платиновый электрод 1 МПФ, где цифры в кружках означают: 1 - места напыления платины, 2 - окна в электроде для прохождения видимого и ИК излучения.
Технический результат изобретения обеспечивается за счет того, что алмазный матричный фотоприемник имеет в два раза больший шаг по оси X и Y (фиг 2), чем матричный кремниевый мультиплексор 6, что позволяет регистрировать не только УФ излучение в фоточувствительных элементах матричного фотоприемника 3, связанных с матричным кремниевым мультиплексором 5 индиевыми столбиками 4, но и видимый свет с ИК-излучением, которые, проходя в промежутках между нижними электродами 3, достигает чувствительных площадок кремниевого мультиплексора 5, на которых не установлены индиевые столбики.
Технический результат изобретения достигается благодаря тому, что гибридная фоточувствительная схема (ГФС) содержит: алмазный матричный фотоприемник (МФП), индиевые столбики 4 и кремниевый мультиплексор 6 с чувствительными площадками 5.
В состав МФП входят: верхний плоский электрод 1, алмазная пластина 2 и нижние электроды 3 чувствительных элементов алмазного МПФ.
Плоский верхний электрод 1 алмазного МФП служит для приема падающего излучения, на который подается напряжения смещения. На верхнем плоском электроде 1 формируется матрица строго расположенных вдоль осей X, Y отдельных фотоприемников, посредством напыления полупрозрачного для УФ излучения слоя платины на алмазную пластину 2 (фиг.2).
Плоская алмазная пластина 2 предназначена для детектирования УФ излучения, изготовляется посредством вырезания из природного или искусственного алмаза или посредством выращивания алмазных пленок искусственным способом CVD методом из газовой фазы метан 3% - водород 97%.
Нижние электроды 3 чувствительных элементов алмазного МФП служат для сбора электрического сигнала, возникшего в результате детектирования УФ излучения в каждом отдельном фотоприемнике на алмазной пластине, и изготавливается посредством напыления металла, например золота, на алмазную пластину 2 с размерами плоского торца индиевого столбика 4.
Индиевый столбик 4 предназначен для передачи электрического сигнала с нижнего электрода 3 чувствительного элемента алмазного МФП на чувствительную площадку 5 кремниевого мультиплексора 6, который выполнен путем нанесения индия через маску на нижний электрод 3 чувствительного элемента алмазного МФП и чувствительную площадку 5 кремниевого мультиплексора 6, с последующим сплавлением половинок во время сборки. Нижние торцы индиевых столбиков 4, через чувствительные площадки 5, гальванически соединены с верхней плоскостью кремниевого мультиплексора 6.
Число индиевых столбиков на каждой из осей не менее двух. Матрица нижнего электрода 3 алмазного фотоприемника по оси X и Y имеет в два раза шаг больше, чем матрица электродов чувствительных площадок 5 кремниевого мультиплексора 6. (Рис.3). Индиевые столбики, соединяющие электроды 3 алмазного МФП с электродами чувствительных площадок 5 кремниевого мультиплексора, расположены в шахматном порядке на матрице электродов 5 кремниевого мультиплексора 6. Поэтому нижние электроды 3 чувствительных элементов алмазного МФП соединены гальванически индиевыми столбиками только с нечетными или четными чувствительными площадками 5 кремниевого мультиплексора.
Чувствительные площадки 5 с размерами нижнего плоского торца индиевого столбика 4 выполнены на основе КМОП (комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник) технологии (Тришенков М.А. Фотоприемные устройства и ПЗС. Обнаружение слабых оптических сигналов. - М: Радио и Связь, 1992. - 400 с.: ил.) и предназначены для ввода электрического сигнала, в случае если они соединены с алмазным МФП индиевым столбиком, в мультиплексор 6, и детектирования видеосигнала на открытых площадках мультиплексора.
Плоский кремниевый мультиплексор 6 осуществляет усиление, коммутацию и обработку сигналов, поступающих на его чувствительные площадки 5, и выдает электрический сигнал на системы отображения информации, при этом изготовляется он на основе КМОП технологии (Тришенков М.А. Фотоприемные устройства и ПЗС. Обнаружение слабых оптических сигналов. - М.: Радио и Связь, 1992. - 400 с.: ил.).
ГФС работает следующим образом (Рис.1). При подаче на электрод 1 излучения 7, его УФ составляющая поглощается и вызывает на чувствительных элементах алмазного МПФ (1, 2, 3) фототок, который через индиевые столбики 4 поступает на кремниевый мультиплексор 6 и детектируется как ультрафиолетовый сигнал. Видимый свет 8, без поглощения, проходит в промежутках между чувствительными элементами алмазного МПФ и попадает на чувствительные площадки кремниевого мультиплексора 5, где поглощается и детектируется как видеосигнал.
Указанные задачи, увеличение срока службы за счет исключения попадания жесткого УФ излучения на мультиплексор и возможность регистрации изображения одновременно и в ультрафиолетовом, видимом и ИК-диапазоне спектра, решаются посредством того, что матричный фотоприемник состоит из алмаза, который является фильтром для жесткого УФ излучения и имеет в два раза больший шаг по оси X и Y, чем матричный кремниевый мультиплексор, что позволяет с одной стороны не попадать УФ излучению на мультиплексор, и с другой стороны проходить через алмазную пластину видимому свету и ИК излучению в промежутках между нижними электродами МПФ.
Использование в предлагаемой ГФС МПФ на основе алмаза позволяет с одной стороны детектировать УФ излучение, а с другой стороны фильтровать его с целью защиты кремниевого мультиплексора. Увеличение в два раза шага МФП на основе алмаза и расположение фотоприемников УФ-излучения в шахматном порядке позволяет видимому излучению проходить сквозь алмазный МФП и детектироваться на свободных чувствительных площадках 5 кремниевого мультиплексора 6.
Принципиальным отличием предложенной конструкции является то, что с одной стороны алмазный МПФ задерживает все жесткое УФ излучение (УФ излучение задерживает алмаз, а платина частично пропускает УФ-излучение, однако, задерживает ИК излучение). С другой стороны видимое и ИК излучение беспрепятственно проходит через МПФ (через окна верхнего электрода (фиг.4) и через промежутки между нижними электродами) и детектируется на свободных чувствительных площадках 5 мультиплексора. 6.
На основании изложенного можно утверждать, что отличия предложенного устройства от аналогов являются существенными, поскольку в указанном сочетании они обеспечивают положительный эффект - расширение детектируемого диапазона и защиту мультиплексора от жесткого УФ излучения. Для создания ГФС практически на всех этапах могут быть использованы стандартные технологические процессы, что говорит о возможности ее промышленного применения.
Пример реализации ГФС.
Был изготовлен и испытан опытный образец ГФС.
Верхний электрод 1 алмазного МФП выполнен путем напыления платины толщиной 0,00004 мм, имеет габариты 4,2×4,2 мм и форму, представленную на фиг.3.
Алмазная пластина 2 из природного алмаза IIа типа и имеет ширину и длину, равную этим размерам электрода 1, а толщина равна 0,3 мм.
Нижние электроды 3 выполнены путем напыления золота толщиной 0,001 мм и имеют габариты: 0,02×0,02 мм.
Индиевые столбики 4 имеют габариты: ширина 0,015 мм, длина 0,015 мм и высота 0,008 мм.
Чувствительные площадки 5 кремниевого мультиплексора имеют габариты: ширина×длина×толщина = 0,015×0,015×0,02 в мм.
Кремниевый мультиплексор 6 имеет габариты: 10,03×10,85×5 мм.
Технические характеристики опытного образца ГФС.
Спектральный диапазон чувствительности, мкм
УФ канал
0,19-0,23
Видимый и ИК канал
0,4-0,9
½
Порог чувствительности, Вт/Гц
УФ канал
9·10<sup>-12</sup>
Видимый и ИК канал
6·10<sup>-10</sup>
Технический результат изобретения достигнут - расширен детектируемый диапазона излучения, за счет одновременной регистрации изображения в ультрафиолетовом, видимом и ИК спектре. Увеличен срок службы ГФС за счет исключения попадания жесткого УФ излучения на мультиплексор.
Отличительные признаки изобретения
Матрица алмазного фотоприемника по оси X и Y имеет шаг в два раза больше, чем шаг матрицы кремниевого мультиплексора, и нижние электроды 3 чувствительных элементов алмазного МПФ расположены в шахматном порядке, кроме того, нижние электроды 3 чувствительных элементов алмазного МПФ соединены гальванически индиевыми столбиками только с нечетными или четными чувствительными площадками 5 кремниевого мультиплексора 6.