МАТРИЧНЫЙ ФОТОПРИЕМНИК

Заявляемая полезная модель относится к полупроводниковым приборам, чувствительным к инфракрасному (ИК) излучению, и может использоваться при изготовлении матричных фотоприемников (ФП) на область спектра 3-5 мкм на основе антимонида индия.
В большинстве современных матричных ФП ИК диапазона матрица фоточувствительных элементов (МФЧЭ) изготавливается на основе узкозонных полупроводников (например, InSb, KPT и др.), эффективно преобразующих ИК излучение соответствующего диапазона длин волн в электрический сигнал. Обработка (накопление, усиление и трансляция сигнала потребителям) осуществляется с помощью кремниевой большой интегральной схемы (БИС), приемная часть которой также имеет матричную структуру (соответствующую матрице фоточувствительных элементов) и объединяется с матрицей фоточувствительных элементов посредством индиевых микростолбиков.
Известны матричные фотоприемники диапазона 3-5 мкм, в которых тонкая структура антимонида индия (толщиной 15÷20 мкм) состыкована посредством индиевых микростолбиков с кремниевой БИС считывания. Данный матричный фотоприемник, как наиболее близкий к предлагаемому, принят за прототип (см. Proceedings of SPIE Vol.4086 (2000), pp.155-157, Fig.1).
Однако узкозонные полупроводниковые фоточувствительные элементы для своей эффективной работы требуют охлаждения, как правило, до температуры жидкого азота 77К. При этом все элементы гибридной микросборки, матричный фотоприемник, например, на основе
-6
-6
антимонида индия и кремниевой БИС обработки, охлаждаются до 77К. Из-за разницы температурных коэффициентов расширения (ТКР) кремния и антимонида индия (ТКР кремния 2·10 1/град., ТКР антимонида индия 5·10 1/град.) возникают механические напряжения, которые могут привести к разрыву индиевых микростолбиков, соединяющих фотодиоды МФЧЭ с соответствующими ячейками накопления кремниевой БИС. Это вызывает появление дефектов и приводит к отсутствию сигналов от соответствующих областей матричного фотоприемника.
При характерном шаге МФЧЭ в 35 мкм и формате матрицы 256×256 элементов размер фоточувствительного поля составляет 9×9 мм. Разница в ТКР кремния и антимонида индия на длине 9 мм приводят к взаимному уходу на величину ~4÷5 мкм.
2
При характерной высоте индиевого микростолбика порядка 5÷7 мкм и площади поперечного сечения порядка 100 мкм сдвиг может превысить половину линейного размера микростолбика и разрыв крайних микростолбиков становится весьма вероятным.
Настоящее предложение решает задачу устранения влияния различия ТКР материала матричного фотоприемника и кремниевой БИС на механическую прочность индиевых микростолбиков, осуществляющих механическое и электрическое соединение кремниевой БИС и МФЧЭ.
Для решения этой задачи базовая область МФЧЭ крепится (приклеивается) на просветленную на требуемую область спектра несущую подложку из кремния, т.е. из того же материала, из которого изготовлена БИС считывания и обработки сигнала.
В силу того, что несущая подложка из кремния имеет толщину порядка 400 мкм, а МФЧЭ порядка 15÷20 мкм, т.е. в 20÷30 раз тоньше, то коэффициент температурного расширения такой структуры будет определяться ТКР более массивного материала, т.е. кремния.
Таким образом, изменение размеров верхнего (МФЧЭ совместно с подложкой) и нижнего слоя (БИС) матричного фотоприемника с
изменением температуры будут происходить одинаково. Это, в свою очередь, снимет боковую нагрузку с индиевых столбиков и позволит избежать отстыковок и разрыва индиевых микростолбиков при охлаждении матричного фотоприемника.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежом рис.1, на котором схематически представлен предлагаемый матричный фотоприемник в разрезе.
Матричный фотоприемник содержит подложку 1 из материала аналогичного материалу БИС считывания (кремний), эта подложка должна быть прозрачна для регистрируемого излучения.
Подложка 1 соединена (склеена) с матрицей фоточувствительных элементов 2. Матрица фоточувствительных элементов объединена с кремниевой БИС считывания 4 посредством индиевых микростолбиков 3.
Заявляемый матричный фотоприемник работает традиционным образом. Регистрируемое излучение поступает на матрицу фоточувствительных элементов через подложку, прозрачную в рабочей области спектра. Сигналы от фоточувствительных элементов матрицы посредством индиевых микростолбиков попадают в БИС считывания, где обрабатываются и выводятся на регистрирующую аппаратуру.
Были изготовлены и испытаны экспериментальные матричные фотоприемники формата 256×256 элементов с шагом 35 мкм с использованием предлагаемой конструкции.
Исследования полученных образцов показали, что разрывы индиевых микростолбиков при захолаживании от комнатной температуры до температуры жидкого азота сократились более чем в два раза.