ФОТОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ИНФРАКРАСНОГО ДИАПАЗОНА (ВАРИАНТЫ)

Предлагаемая полезная модель относится к инфракрасной (ИК) технике, в частности к фоточувствительным приборам для обнаружения излучения в области спектра 8-14 мкм и 14-19 мкм, и может быть использована в тепловизионных камерах, теплопеленгаторах, приборах ночного видения и др.
x
1-x
Известно матричное фотоприемное устройство (МФПУ) ИК диапазона, содержащее фоточувствительные элементы (ФЧЭ) из материала CdHgTe (x~0,2) (KPT) на основе фотодиодов с электронной обработкой информации сверхбольшой интегральной схемой (СБИС) мультиплексора (см. проспект фирмы SOFRADIR, 2006 г.). Мультиплексор МФПУ находится в холодной зоне и соединен с фоточувствительным фотодиодным элементом с помощью индиевых столбиков на каждой фоточувствительной площадке - пикселе методом холодной сварки. Поток принимаемого излучения в этом случае попадает на матрицу ФЧЭ через прозрачную в заданном диапазоне (8-14 мкм) подложку. Охлаждение до ~80 К пикселей осуществляется через кремниевый мультиплексор и индиевые столбики. Недостатками такой конструкции являются:
- область спектральной чувствительности таких МФПУ составляет 8-10,5 мкм и перекрывает только меньшую часть окна прозрачности атмосферы 8-14 мкм. Для тепловидения это означает не только потерю чувствительности к потоку излучения, но и то, что особенно важно, потерю информативности по «холодному» фону окружающей местности, особенно в средних и высоких широтах;
- число неработающих пикселей МФПУ из-за дефектов холодной сварки индиевых столбиков колеблется в диапазоне 3-5%, что имеет особое значение в теплопеленгаторах. Надежность МФПУ гибридного исполнения также невысока из-за нарушения контакта по столбикам при многократных охлаждениях, что особенно ярко проявляется в крупноформатных матрицах;
- расширение области спектральной чувствительности фотодиодных матриц из материала KPT ограничивается резким увеличением темновых токов р-n переходов узкозонных составов, соответствующих чувствительности λ=12-14 мкм, падением дифференциального сопротивления фотодиодов и связанного с ним увеличения шумов. Согласование низкоомных фотодиодов с КМОП (комплементарная металл-окисел-полупроводник структура) СБИС мультиплексором также вносит дополнительные потери обнаружительной способности.
2
2
2
2
2
Известно наиболее близкое по технической сущности к обоим вариантам предлагаемой полезной модели многоэлементное фотоприемное устройство инфракрасного диапазона, содержащее фоточувствительные элементы на основе твердого раствора свинец-олово-теллур (СОТ), легированного индием (PbSnTe<In>), размещенные на диэлектрических слоях BaF/CaF, последовательно расположенных на кремниевой подложке, а схема обработки сигналов для повышения радиационной стойкости выполнена в эпитаксиальном слое Si, нанесенном на диэлектрический слой CaF, находящийся на той же подложке (см. пат. РФ №2278446, МПК H01L 27/14, опубл. 20.06.06 г.) Недостатком такой конструкции является наличие буферных слоев BaF/CaF, которое ограничивает полосу спектральной чувствительности МФПУ диапазоном 9-10 мкм, а также усложняет технологический процесс изготовления и увеличивает себестоимость фотоприемного устройства.
Техническим результатом при использовании предложенной полезной модели является расширение полосы спектральной чувствительности.
В первом варианте указанный технический результат достигается тем, что фотоприемное устройство инфракрасного диапазона содержит фоточувствительные элементы, выполненные из материала PbSnTe, легированного In, и размещенные непосредственно на Si подложке, в которой под фоточувствительными элементами сформирована область обеднения противоположного подложке типа проводимости с выполненными в ней подконтактными областями, соединенными с размещенной в подложке СБИС мультиплексора обработки сигнала.
Во втором варианте указанный технический результат достигается тем, что фотоприемное устройство инфракрасного диапазона содержит фоточувствительные элементы, выполненные из материала PbSnGeTe, легированного In, и размещенные непосредственно на Si подложке, в которой под фоточувствительными элементами сформирована область обеднения противоположного подложке типа проводимости с выполненными в ней подконтактными областями, соединенными с размещенной в подложке СБИС мультиплексора обработки сигнала.
В частных случаях для обоих вариантов ФЧЭ могут быть выполнены в виде фоторезисторов или фотодиодов.
2
2
Новым в обоих вариантах конструкции является размещение фоточувствительного слоя непосредственно на Si подложке, это по сравнению с прототипом исключает присутствие буферных слоев BaF/CaF и расширяет полосу спектральной чувствительности до 8-14 мкм и 14-19 мкм. Наличие в подложке под ФЧЭ обедненной области обусловлено необходимостью его изоляции от подложки во избежание токов
утечки, а подконтактных областей - для контактов при снятии сигнала, что обеспечивает работоспособность устройства.
Новым во втором варианте является также использование для ФЧЭ материала PbSnGeTe, легированного In, что имеет дополнительные преимущества:
- полное перекрытие по спектральной чувствительности окна прозрачности атмосферы;
7
- высокое удельное сопротивление пикселей (~10 Ом), обеспечивающее малое потребление и минимальную мощность тепловой нагрузки;
6
7
- высокая вольтовая чувствительность (~10-10) В/Вт;
- высокая (предельная) обнаружительная способность (ограничение шумами фонового излучения);
- удобство согласования с КМОП СБИС мультиплексора;
- интегральное исполнение ФЧЭ с кремниевым мультиплексором.
Материалы фоторезисторов PbSnTe и PbSnGeTe, легированные In, имеют уникальный механизм рекомбинации, когда генерация носителей с атома индия в решетке PbSnTe и PbSnGeTe приводит к такому изменению зарядового состояния атома индия, что для рекомбинации носитель из зоны проводимости должен преодолеть энергетический барьер, что приводит к возрастанию времени жизни неравновесных носителей, увеличению вольтовой чувствительности и накоплению сигнала и шума непосредственно в ФЧЭ. В результате отпадает необходимость в накоплении суммированием сигнала и шума в нескольких площадках (режим временной задержки накопления) при сканировании и упрощается конструкция ФЧЭ.
Введение германия в тройную систему PbSnTe<In> приводит к замедлению падения времени жизни неравновесных носителей с повышением температуры.
Легирование индием делает материал пластичным, и, тем самым, позволяет избежать влияния различных коэффициентов теплового расширения подложки из кремния и материала ФЧЭ.
7
Высокое темновое сопротивление тонких слоев PbSnTe или PbSnGeTe, легированных In (~10 Ом), обеспечивает пренебрежимо малые мощности тепловыделения, удобство согласования с микроэлектроникой первичной обработки фотосигналов (мультиплексором).
Использование собственной фотопроводимости PbSnGeTe, легированных In, позволяет поднять рабочую температуру фоторезисторов до 25-35 К.
7
Высокое время жизни неравновесных носителей 1-50 мс при 25-35 К обеспечивает высокую вольтовую чувствительность фоторезисторов ~10 В/Вт, сложение сигнала и
шума в пикселе и предельно высокую, ограниченную флуктуациями фонового излучения, обнаружительную способность.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором схематично представлена предлагаемая конструкция обоих вариантов фотоприемного устройства.
Фотоприемное устройство инфракрасного диапазона содержит фоточувствительные элементы 1 с контактными площадками, размещенные непосредственно на Si подложке 2, причем фоточувствительные элементы 1 выполнены в первом варианте из материала PbSnTe, легированного In, или PbSnGeTe, легированного In, во втором варианте конструкции. В подложке 2 под каждым фоточувствительным элементом 1 расположена область обеднения 3 противоположного подложке типа проводимости, в которой сформированы подконтактные области 4. Контактные площадки ФЧЭ и подконтактные области 4 токопроводящими дорожками соединены со схемой обработки сигнала 5.
2
2
При работе ФПУ инфракрасного диапазона происходит засветка ФЧЭ 1, охлажденного до рабочей температуры. Поток излучения проходит через прозрачную в данной области спектра кремниевую подложку 2 и попадает непосредственно на ФЧЭ. При этом от схемы обработки 5 через подконтактные области 4 на области 3 подается напряжение, смещающее р-n переход в подложке в обратном направлении до полного или частичного ее обеднения носителями тока. ФЧЭ 1 оказывается полностью изолированным от подложки 2, что повышает надежность работы устройства. После возникновения фотоотклика в ФЧЭ сигнал подается на схему обработки сигнала. При этом ввиду отсутствия перед фоточувствительным материалом буферных слоев BaF/CaF, предусмотренных в прототипе, не происходит ограничения полосы спектральной чувствительности до диапазона 9-10 мкм. Использование материала PbSnTe, легированного In, в первом варианте, или PbSnGeTe, легированного In, во втором варианте конструкции, обеспечивает обнаружение излучения в области спектра 8-14 мкм и 14-19 мкм.