Матричный приемник излучения

Предлагаемая полезная модель относится к чувствительным в инфракрасной области спектра полупроводниковым приемникам излучения и может быть использована в оптико-электронных системах формирования изображения.
x
1-x
6
Известны субматричные приемники излучения формата 288×2 (144×4), которые могут содержать сформированные из CdHgTe (KPT) фоточувствительные площадки фоторезисторов (ФЧП ФР) в классической конструкции с двумя контактами, расположенные по их краям (см. Сусов Е.В., Смолин О.В., Ларцев И.Ю., Сидоров Ю.Г., Варавин B.C., Михайлов Н.Н. Субматричные фоторезисторы из гетероэпитаксиальных структур КРТ 0,1 эВ, полученных методом МЛЭ, с мультиплексором в холодной зоне. Прикладная физика. 2005. №2. С. 72-75). Выделяемая мощность одного такого идеального ФР без учета рекомбинации носителей на боковых гранях и фонового потока излучения, пригодного для стыковки с мультиплексором, оценивается приблизительно в 20 мкВт. Однако система расположения контактов в данной конструкции ФР не позволяет реализовать полноформатные матрицы с количеством пикселей 10.
5
17
2
10
1/2
14
-3
6
Известен наиболее близкий по технической сущности к предлагаемой полезной модели матричный приемник излучения с фоточувствительными площадками фоторезисторов (см. Siliquini J.F., Faraone L. The vertical photoconductor: A novel device structure suitable for HgCdTe two-dimensional infrared focal plane arrays. Infrared Physics&Technology. 1997. V. 38. P. 205-221), в котором решаются проблемы расположения контактной системы и снижения выделяемой мощности. Это достигается за счет вертикально расположенных контактов и использования эпитаксиального слоя КРТ с повышенным содержанием теллурида кадмия под контактом, который снижает эффективную скорость дрейфа носителей заряда между контактами за счет блокировки рекомбинации носителей заряда на омических контактах. Такой матричный приемник излучения, как показали выполненные в данной работе расчеты, позволит при вольтовой чувствительности не менее 1×10 В/Вт и фоновом потоке 2×10 фотонов/смс получить выделяемую мощность одного ФР не более 10 мкВт при обнаружительной способности 6×10смГц/Вт. В данной конструкции в качестве материала для фоторезисторов используется КРТ n-типа проводимости с низкой концентрацией носителей (≈3×10см). Выделяемая мощность в матричном приемнике из ФР с количеством пикселей 10 при подаче напряжения смещения в любой момент времени на 1% пикселей составит не более 0,1 Вт, что сопоставимо с тепловыделением в самом мультиплексоре.
Однако наличие четырех боковых граней в ФЧП ФР с вертикально расположенными контактами приводит к снижению вольтовой чувствительности вследствие рекомбинации носителей заряда на их поверхности. Это требует увеличения напряжение смещения ФР для получения необходимого сигнала (вольтовой чувствительности), увеличивая выделяемую мощность в матричном приемнике излучения. Зависимость вольтовой чувствительности от напряжения смещения для фоторезистора в классическом исполнении при сопротивлении нагрузки, намного превышающем темновое сопротивления фоторезистора, описывается выражением:
,
ф
об
1
2
a
где η - квантовая эффективность; U - напряжение смещения, прикладываемое к ФЧП ФР; τ - эффективное время жизни носителей; hν - средняя энергия падающего кванта; n - концентрация основных носителей заряда в ФЧП ФР; р - концентрация носителей заряда, генерируемых в ФЧП ФР фоновым излучением; L, , d - длина, ширина и толщина ФЧП ФР соответственно. Известно, что эффективное время жизни носителей для фоторезисторов в классическом исполнении при малых напряжениях смещения зависит от времени жизни неосновных носителей заряда в объеме полупроводника (τ), скорости поверхностной рекомбинации на нижней и верхней (S) сторонах ФЧП ФР и на боковых гранях (S) ФЧП ФР следующим образом:
Для конструкции ФЧП ФР матричного приемника излучения, выбранного в качестве прототипа данное выражение можно записать в виде:
об
2
2
а
а
15
-3
Так при τ=8,0 мкс, S=200 см/с и =35 мкм получим τ=2,83 мкс, а при =25 мкм получим τ=2,45 мкс. Таким образом, получаем снижение вольтовой чувствительности за счет рекомбинации носителей на боковых гранях в 2,83-3,56 раз. Низкую скорость поверхностной рекомбинации на боковых гранях ФЧП ФР (S=200 см/с) удается получить, используя на поверхности боковых граней собственный анодный окисел, за счет встроенного в него положительного заряда, что приводит к шунтированию объема полупроводника и, следовательно, к снижению вольтовой чувствительности. Кроме того, наличие боковых граней и небольшие расстояния между соседними ФЧП ФР (≤35 мкм) предполагает использование современных методов ионного травления. Это приводит к увеличению концентрацией носителей (более 1×10см), к уменьшению вольтовой чувствительности и увеличению выделяемой мощности.
Предлагаемая полезная модель решает задачу повышения вольтовой чувствительности ФР матричного приемника излучения, в связи с отсутствием рекомбинации носителей на боковых гранях в фоточувствительных площадках фоторезисторов.
5
Техническим результатом при использовании полезной модели является снижение выделяемой мощности матричного приемника излучения, так как высокая вольтовая чувствительность (≈1,5×10 В/Вт) при существенно меньшем, чем в прототипе напряжением смещения, обеспечивает реализацию фотоэлектрических параметров матричного фотоприемника с мультиплексором.
x
1-x
Указанный технический результат достигается тем, что в матричном приемнике излучения на основе фоторезисторов из эпитаксиальных структур CdHgTe n-типа проводимости на подложке с рабочим слоем и слоем с повышенным содержанием теллурида кадмия, электрические контакты ФР находятся на слое с повышенным содержанием теллурида кадмия и соединены с мультиплексором индиевыми столбиками, один электрический контакт каждого ФР находится в центре фоточувствительной площадки, а второй контакт расположен по ее периметру в виде металлического слоя между фоточувствительными площадками фоторезисторов.
2
об
Непрозрачный для излучения общий электрический контакт, расположенный по периметру всех фоточувствительных площадок и объединенный сплошной металлизацией, формирует вид матричного приемника и геометрию каждой фоточувствительной площадки, которая в частном случае может иметь вид круга. Высокая проводимость общего электрического контакта на поверхности слоя с повышенным содержанием теллурида кадмия, обеспечивает эффективное шунтирование нерабочих областей ФР между чувствительными площадками. Отсутствие боковых граней в ФР устраняет источник повышенной рекомбинации носителей заряда: S=0 см/с в выражении (3) и эффективное время жизни носителей определяется только временем жизни неосновных носителей заряда в объеме полупроводника: τ=τ. Это в соответствии с выражениями (1, 2) приводит к увеличению вольтовой чувствительности.
Сущность полезной модели поясняется чертежом фиг. 1, на котором представлена принципиальная схема матричного приемника излучения. Один электрический контакт каждого фоторезистора находится в центре фоточувствительной площадки, а второй контакт расположен по ее периметру в виде металлического слоя между ФЧП.
x
1-x
Матричный приемник содержит сформированные на подложке 1 из эпитаксиальной структуры CdHgTe с рабочим слоем 2 и слоем с повышенным содержанием теллурида кадмия 3 фоточувствительные площадки 4 фоторезисторов (область фоточувствительной площадки выделена пунктиром). Общий электрический контакт 5 к фоточувствительным площадкам 4 ФР расположен по их периметру, а электрический контакт 6 к каждой фоточувствительной площадке 4 ФР расположен в ее центре. Все электрические контакты 5 и 6 находятся на поверхности слоя с повышенным содержанием теллурида кадмия 3 эпитаксиальной структуры. Размер фоточувствительной площадки 4 формируется областями свободными от металлического слоя, образующего общий электрический контакт 5. Электрическая связь между фоточувствительными площадками 4 ФР и мультиплексором 10 осуществляется с помощью индиевых столбиков 8, которые соединяют токопроводящие дорожки 9 мультиплексора 10 и контакты 5, 6 фоточувствительных площадок 4 ФР. Диэлектрический слой 7, расположенный на части центрального контакта 6 и общего контакта 5 фоточувствительных площадок 4, предотвращает возможность шунтирования столбиками индия как самой фоточувствительной площадки между контактами, так и ее части в районе центрального контакта 6. В качестве подложки 1 могут быть использованы AsGa, Si или Ge. Предпочтительной является подложка из AsGa, так как в настоящее время она используется в технологии выращивания эпитаксиальных структур CdHgTe с буферными слоями и воспроизводимыми требуемыми фотоэлектрическими параметрами.
x
1-x
Матричный приемник работает следующим образом. ИК-излучение попадает на фоточувствительные площадки 4 ФР со стороны подожки 1 и поглощается в рабочем слое 2 фоточувствительного материала CdHgTe эпитаксиальной структуры. Поглощенное в КРТ излучение генерирует в фоточувствительных площадках 4 ФР электронно-дырочные пары, которые под действием приложенного электрического поля смещения между каждым центральным 6 и общим контактами 5, расположенным по периметру всех фоточувствительных площадок ФР, дрейфуют в области генерации фоточувствительной площадки рабочего слоя CdHgTe в сторону металлического контакта. Переменное напряжение фотосигнала через индиевые столбики 8 попадает на контактные дорожки 9 мультиплексора 10, который считывает сигнал изображения.
x
1-x
0,21
0,79
0
об
14
-3
5
2
Предложенная конструкция реализована в матричном приемнике излучения в конфигурации площадок 2×16. Размер фоточувствительной площадки составляет 35×35 мкм, зазоры между площадок 35 мкм. Центральный контакт имеет площадь 7×7 мкм. В качестве материала ФЧП матричного приемника излучения использовались гетероэпитаксиальные структуры CdHgTe n-типа проводимости, выращенные методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложке из арсенида галлия с рабочим слоем CdHgTe толщиной ≈ 7,2 мкм, на котором находится слой с повышенным содержанием теллурида кадмия в виде варизонного слоя, в котором состав КРТ монотонно изменяется на толщине 0,3-0,5 мкм от х=0,21 мольных долей теллурида кадмия до х=0,45 на поверхности. При температуре жидкого азота рабочий слой имел концентрацию электронов n=2⋅10см, подвижность электронов μ=1,2⋅10 см/В⋅сек, τ=2,3 мкс.
со
max
max
10
10
1/2
18
2
17
2
5
11
1/2
6
В качестве материала для металлических контакта и непрозрачных для излучения токопроводящих дорожек использовалась металлизация из титана и никеля. В качестве диэлектрика использовалась пленка сульфида цинка толщиной 0,3-0,4 мкм. Измерение фотоэлектрических параметров показало, что длинноволновая граница чувствительности по уровню λ=0,5 при температуре 77K равна 12 мкм. На чертеже фиг. 2 приведены зависимости удельной обнаружительной способности D*(λmax,1200,1) кривые - 1,2 и вольтовой чувствительности Su (λmax) кривые - 3,4 от напряжения смещения для ФЧП ФР при плоском угле зрения 42° кривые - 1,3 и 14° кривые - 2,4. Максимальные величины D*(λ,1200,1) получены при напряжениях соответствующим началу пролета носителей заряда: 5,4×10, 1,35×10 смГц/Вт при плоском угле зрения 42° и 14°, соответственно. Считая, что фоновый поток носителей в диапазоне спектра 2-14 мкм для температуры фона 300К и плоском угле зрения 2β=180° (β - телесный угол зрения) равен P≈1×10 фотонов/смс, получим при плоском угле зрения 2β=14° величину фонового потока носителей 1,2×10фотонов/смс (Psinβ). При напряжении смещения соответствующему величине вольтовой чувствительности 1,5×10 В/Вт и при плоском угле зрения 14° (Uсм=0,01 В) выделяемая мощность составила не более 0,5 мкВт на один элемент, a D*(λ,1200,1) не менее 1,2×10 смГц/Вт. Выделяемая мощность в матрице из таких фоторезисторов с количеством пикселей 10 при подаче напряжения смещения в любой момент времени на 1% пикселей составит не более 5 мВт (в прототипе данная величина составляет не более 100 мВт).
Таким образом, предложенная конструкция матричного приемника излучения на основе фоторезисторов из CdHgTe обеспечивает снижение выделяемой мощности в 20 раз и повышение вольтовой чувствительности.