УСТРОЙСТВО ФОТОПРИЕМНОЕ МНОГОРЯДНОЕ

Заявляемое фотоприемное устройство относится к области фоточувствительных устройств, предназначенных для обнаружения и регистрации инфракрасного излучения. Оно обеспечивает детектирование ИК-излучения, усиление и мультиплексирование сигнала. Устройство предназначено для использования в метеорологической сканирующей системе космического базирования, которая применяется для мониторинга поверхности Земли в ИК-диапазоне. Также возможно применение фотоприемного устройства в тепловизионных каналах широкого назначения, как для передвижных, так и для стационарных оптико-электронных систем, используемых в различных отраслях промышленности для нужд геологии, медицины, пожарной охраны, экологического контроля и контроля утечек тепла.
Аналогами фотоприемного устройства являются устройства PLUTON LW 288×4 фирмы Sofradir [43-47 rue Camille Pelletan, 92290 Chatenay-Malabry, France, рекламный проспект], а также идентичное ему 288×4 МСТ LWIR IDCА фирмы SCD SemiConductor Devices [SCD SemiConductor Devices, P.O.Box 2250, Haifa, 31021, Israel, рекламный проспект].
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого устройства является многорядный фотоэлектронный модуль ФЭМ10М формата 4×288 элементов производства ФГУП «НПО «Орион» [«Фотоэлектрические полупроводниковые приемники излучения и фотоприемные устройства», справочник, Москва 2009 г., ФГУП «НПО «Орион», с.49].
Устройства чувствительны в длинноволновом инфракрасном диапазоне, содержат матрицу фотодиодов на основе твердого раствора кадмий-ртуть-теллур (КРТ), кремниевую схему считывания, охлаждающую систему. Устройства позволяют регулировать время накопления, реализовать двунаправленное сканирование в режиме ВЗН, производить программируемую деселекцию дефектных элементов, поддерживают работу в режиме snapshot. Помимо фотоприемного устройства модуль ФЭМ10М включает в себя блок сопряжения, обеспечивающий формирование напряжений питания и сигналов управления фотоприемным устройством, а также согласование аналоговых выходов фотоприемника.
Во всех аналогичных устройствах используется непосредственная гибридизация матрицы фоточувствительных элементов (МФЧЭ) и большой интегральной схемы (БИС) считывания посредством микроконтактов, сформированных на поверхностях МФЧЭ и БИС. Гибридизация состоит в получении электрического и механического соединения МФЧЭ и кремниевой БИС считывания (метод перевернутого кристалла, Flip Chip). Представленная полезная модель реализует раздельный способ гибридизации, при котором МФЧЭ и БИС гибридизируются при помощи индиевых микроконтактов на промежуточный сапфировый растр с нанесенными на него токоведущими дорожками, которые обеспечивают электрическую связь между МФЧЭ и БИС. Такая реализация обладает тем преимуществом, что, благодаря размещению МФЧЭ и БИС на расстоянии друг от друга, позволяет с помощью экранирующих элементов защитить БИС от радиационного излучения, которое оказывает значительное негативное влияние на работу БИС, исполненной по n-МОП технологии. Непосредственная гибридизация МФЧЭ и БИС не позволяет повысить радиационную стойкость БИС, так как МФЧЭ обязан располагаться в потоке ИК-излучения, который совпадает с потоком радиационного излучения. Радиационная стойкость матричных фотоприемных устройств (МФПУ) определяется стойкостью БИС, поскольку МФЧЭ из КРТ из-за большой дефектности материала КРТ имеет на порядок большую стойкость к радиационному воздействию, чем БИС считывания исполненная в кремнии по п-МОП технологии.
К недостаткам такой конструкции можно отнести увеличение размеров охлаждаемого узла и усложнение технологии сборки.
Полезная модель поясняется чертежами, где
На фиг.1 представлен внешний вид фотоэлектронного модуля.
На фиг.2 представлена топология расположения ФЧЭ для МФПУ.
На фиг.3 представлена принципиальная электрическая схема одного канала БИС считывания.
Устройство фотоприемное многорядное выполняет преобразование инфракрасного излучения, подаваемого на его оптический вход с помощью объектива и оптико-механического развертывающего устройства, в электрические выходные сигналы. Внешний вид модуля представлен на фиг.1.
Состав модуля:
- матрица фоточувствительных элементов на основе фотодиодов из эпитаксиального полупроводникового материала кадмий-ртуть-теллур формата 2×96 элементов;
- две кремниевые большие интегральные схемы МОП-мультиплексоров, обеспечивающие считывание, предварительное усиление и мультиплексирование сигналов МФЧЭ;
- сапфировый растр с токопроводящими дорожками, соединяющий БИС, МФЧЭ и вакуумный корпус;
- охлаждаемая диафрагма;
- оптический фильтр;
- диодный кремниевый датчика температуры (ДТ);
- криостатируемый вакуумный корпус МФПУ, в котором размещены кремниевая БИС, МФЧЭ и ДТ с системой электрических выводов.
В качестве исходного материала для изготовления фоточувствительных элементов используются эпитаксиальные слои КРТ различного состава для разных ИК-диапазонов. Толщина этих эпитаксиальных слоев составляет от 8 до 12 мкм. Выбор материала КРТ в качестве основного материала для МФПУ обусловлен его уникальными свойствами, позволяющими плавно менять ширину запрещенной зоны от О до 1,6 эВ с изменением мольной доли соединения кадмий-теллур в твердом растворе кадмий-ртуть-теллур эпитаксиального слоя фоточувствительного элемента устройства, что позволяет создавать матричные приемники на его основе с максимальной чувствительностью и разрешающей способностью в основных ИК-диапазонах 1-3, 3-5 и 8-12 мкм.
Длинноволновая граница спектральной чувствительности определяется граничной длиной волны материала КРТ выбранного состава, а коротковолновая граница спектральной чувствительности обеспечивается оптическим фильтром. Заявляемое фотоприемное устройство имеет три варианта исполнения для средневолнового и длинноволнового ИК-диапазонов с различным составом эпитаксиального слоя и соответствующими граничными длинами волн.
Вариант исполнения
Коротковолновая граница спектральной чувствительности по уровню 0,5
Длинноволновая граница спектральной чувствительности по уровню 0,5
ГС-01
3,5
4,0
ГС-02
5,7
9,2
ГС-03
9,2
11,5
Многорядная фотодиодная матрица представляет собой эпитаксиальный слой КРТ p-типа проводимости, с диэлектрическим покрытием, в котором сформированы локальные n-области, омические контакты к ним и базовой p-области, а также индиевые столбики над контактами для гибридизации с растром.
Кристалл МФЧЭ формата 2×96 содержит две группы по две линейки, в каждой из которых с шагом 60 мкм расположены 48 фотодиодов. Топология элементов ФЧЭ показана на фиг.2.
Для считывания информационного сигнала с многорядной линейки 2x96 ИК фотодиодов используются две БИС считывания и мультиплексирования сигналов на основе кремниевых охлаждаемых n-канальных МОП транзисторов. Электрическое и механическое объединение кристаллов БИС считывания и матрицы ИК фотодиодов на основе КРТ осуществляется посредством раздельной гибридизации на сапфировый растр с необходимым расположением токоведущих дорожек методом сварки давлением индиевых микроконтактов. При этом БИС размещаются зеркально с двух сторон от МФЧЭ.
Такая конструкция позволяет защитить БИС от радиационного излучения, посредством размещения экранирующих элементов над каждой из БИС, при этом не ограничивая поток излучения поступающий на МФЧЭ.
МОП мультиплексор обеспечивает:
- последовательную коммутацию шин затворов (матричный мультиплексор),
-параллельное накопление зарядов с фоточувствительных ИК диодов каждого столбца на емкости накопления,
- параллельный перенос накопленного заряда на емкости хранения,
- последовательное считывание информации с емкостей хранения на общий выход для последующей обработки.
Каждая из кремниевых БИС считывания представляет собой МОП мультиплексор формата 2×48 элементов с входными контактами для связи с линейкой ИК фотодиодов и внешними контактами для связи с электроникой теплой зоны. Каждый из 96 каналов (фиг.4) секции накопления (СН) интегрального МОП мультиплексора содержит:
- входной транзистор,
- транзистор управления временем накопления,
- конденсатор накопления,
- транзистор заряда конденсатора накопления,
- транзистор, управляющий переносом заряда из конденсатора накопления в конденсатор хранения,
- транзистор заряда конденсатора хранения,
- конденсатор хранения,
- транзистор истокового повторителя линейки считывания (ЛС).
- транзисторный ключ ЛС.
Одним из основных элементов кремниевой БИС считывания и мультиплексирования сигналов является входной МОП транзистор, выполняющий функции усилительного и согласующего элемента. Он работает в подпороговом режиме, при котором достигается максимально возможная крутизна (при заданном токе с фотодиода), что важно для обеспечения коэффициента инжекции фототока, близкого к единице.
Для увеличения стабильности работы транзистора в подпороговом режиме в цепь питания шины затворов входных транзисторов установлен стабилизатор напряжения на двух МОП транзисторах, а для снижения импульсных помех на шину питания затворов к ее началу и концу подключены два конденсатора фильтра. Для сканирования информации и управления СН используются двухфазные динамические регистры сдвига (PC). Каждый канал PC включает в себя 4 МОП транзистора и один конденсатор.
БИС содержит цепь смещения, общую для всех входных преобразовательных МОП-транзисторов, которые для входного сигнала от фотодиода включены по схеме с общим затвором. Ток преобразовательного транзистора через ключевой транзистор, управляемый фазой накопления, разряжает накопительную емкость на величину, определяемую величиной фототока и длительностью фазы накопления: .
Из накопительной емкости фазой переписи сигнал переносится в 5-10 раз меньшую по величине емкость хранения. Получившийся в результате сигнал определяет напряжение на затворе выходного транзистора. Последовательный опрос этих транзисторов производится через ключи, управляемые регистром считывания.
Контактный растр обеспечивает электрическое, механическое и тепловое соединение МФЧЭ и БИС с вакуумным криостатируемым корпусом МФПУ.
Для работы фотоприемного устройства необходимо подавать на входные контакты БИС управляющие тактовые сигналы и питающие напряжения, а также считывать выходные сигналы. С этой целью может быть использован блок сопряжения аналогичный входящему в состав прототипа или любое иное устройство, используемое в индустрии с аналогичными фотоприемниками, удовлетворяющее конкретным техническим требованиям.
Основные конструктивные и технико-экономические показатели фотоприемного устройства формата 2×96 элементов.
Наименование параметра
Единица измерения
Обозначение
Номинальное значение
Формат матрицы фоточувствительных элементов (МФЧЭ) МФПУ
шт.×шт.
n×m
2×96
Шаг ФЧЭ
мкм
-
ось Х-60;
ось Y-60
Углы поля зрения центра МФЧЭ
град.
°
≥44
Расстояние от плоскости фоточувствительного поля до входного окна
мм
-
6
Коротковолновая граница спектральной чувствительности по уровню 0,5
ГС-1
мкм
λ<sub>к1</sub>
≤3,5
ГС-2
λ<sub>к2</sub>
≤5,7
ГС-3
λ<sub>к3</sub>
≤9,2
Длинноволновая граница спектральной чувствительности по уровню 0,5
ГС-1
мкм
λ<sub>д1</sub>
≥4,0
ГС-2
λ<sub>д2</sub>
≥9,2
ГС-3
λ<sub>д3</sub>
≥11,5
Среднее значение удельной обнаружительной способности в максимуме спектральной чувствительности при суммировании в направлении сканирования по двум ФЧЭ при температуре фона 300 К
см Вт<sup>-1·</sup>Гц<sup>1/2</sup>
<img file="00000003.tif" he="8" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" />
≥10,0·10<sup>10</sup>
<img file="00000004.tif" he="8" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" />
≥7,0·10<sup>10</sup>
<img file="00000005.tif" he="8" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" />
≥4,0·10<sup>10</sup>
Число каналов МФП с D*<0,5 D<sub>cp</sub>,не расположенных рядом
-
n<sub>д</sub>
≤3
Вольтовая чувствительность каждого канала при суммировании по двум ФЧЭ строки при температуре фона 300 К
В/Вт
S<sub>u</sub>
≥1,0·10<sup>7</sup>
Неоднородность вольтовой чувствительности каналов при суммировании по двум ФЧЭ строки
%
δS<sub>u</sub>
≤30
Коэффициент фотоэлектрической взаимной связи между соседними ФЧЭ
%
К<sub>св</sub>
≤5
Динамический диапазон МФПУ по выходному сигналу при НКУ
дБ
-
≥60
Мощность, потребляемая электронной схемой МФПУ
мВт
Р<sub>потр</sub>
≤25
Масса МФПУ
г
m<sub>МФПУ</sub>
≤55