ДВУХСПЕКТРАЛЬНОЕ ФОТОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО
TWO-SPECTRUM PHOTO RECEIVER

Изобретение относится к фоточувствительным приборам, предназначенным для обнаружения и регистрации инфракрасного (ИК) излучения нескольких диапазонов спектра, а именно двухспектральному фотоприемному устройству, предназначенное для детектирования излучения в коротковолновом спектральном диапазоне (3-5 мкм) и длинноволновом спектральном диапазоне (8-12 мкм).
В настоящее время одним из основных направлений совершенствования оптико-электронной аппаратуры, в первую очередь тепловизионной и теплопеленгационной, является использование многоспектральных фотоприемных устройств, чувствительных в нескольких диапазонах спектра. Такая аппаратура значительно повышает информативность и достоверность систем, вероятность обнаружения и распознавания цели в условиях искусственных помех и ложных целей. Наиболее подходящим материалом для создания современной оптико-электронной аппаратуры с использованием многоспектральных фотоприемных модулей (ФПМ) является материал кадмий-ртуть-теллур (КРТ). Выбор материала CdHgTe в качестве основного для ФПМ обусловлен тем, что приемники на его основе обеспечивают максимальную чувствительность и разрешающую способность в основных ИК-диапазонах 1-3, 3-5 и 8-12 мкм.
В настоящее время конструкции двухспектральных (многоспектральных) фотоприемных устройств многократно описаны в патентной литературе.
Известен мультиспектральный планарный фотодиод для детектирования излучения ИК-области спектра (US 006034407 A, H01L 31/00, опубл. 07.03.2000 г.). Мультиспектральный фотодиод обеспечивает детектирование ИК-излучения в двух спектральных диапазонах. Матрица фоточувствительных элементов содержит последовательно расположенные подложку, буферный слой первого типа проводимости, коротковолновый рабочий фоточувствительный слой, барьерный слой первого типа проводимости, длинноволновый рабочий фоточувствительный слой первого типа проводимости, верхний слой первого типа проводимости. При этом контакты всех фоточувствительных элементов матрицы расположены в одной плоскости. Это достигается за счет того, что контакты к фоточувствительным элементам коротковолнового диапазона спектра подводятся к коротковолновому рабочему фоточувствительному слою матрицы за счет вытравливания областей в длинноволновом фоточувствительном слое.
Известна матрица фоточувствительных элементов (US 007129489 B2, G01J 5/20, опубл. 31.10.2006 г.), в которой контакты коротковолнового диапазона спектра и контакты длинноволнового диапазона спектра расположены на разной высоте. Это обеспечено тем, что контакты коротковолнового диапазона спектра изготовлены на коротковолновом рабочем фоточувствительном слое, а контакты длинноволнового диапазона спектра расположены на длинноволновом рабочем фоточувствительном слое.
Известно многоспектральное фотоприемное устройство (US 007217982 B2, H01L 29/72, опубл. 15.05.2007 г.), принятое в качестве прототипа, содержащее матрицу фоточувствительных элементов с контактами, состыкованными с контактами интегральной схемы считывания. Матрица фоточувствительных элементов содержит коротковолновый рабочий фоточувствительный слой для поглощения диапазона спектра 3-8 мкм и длинноволновый рабочий фоточувствительный слой для поглощения диапазона спектра 7-14 мкм и соответствующие фоточувствительные элементы. Контакты матрицы фоточувствительных элементов и контакты интегральной схемы считывания выполнены в виде индиевых столбиков. Столбики к фоточувствительным элементам коротковолнового диапазона спектра подводятся к коротковолновому рабочему фоточувствительному слою за счет вытравливания областей в длинноволновом рабочем фоточувствительном слое, что обеспечивает расположение всех контактов матрицы в одной плоскости.
Однако известные патенты не описывают технологию стыковки матрицы фоточувствительных элементов с контактами (индиевыми столбиками), расположенными в разновысоких плоскостях, и интегральной схемы считывания.
Задачей предлагаемого изобретения является создание надежной конструкции двухспектрального фотоприемного устройства, состоящего из матрицы фоточувствительных элементов и интегральной схемы считывания, состыкованных индиевыми столбиками.
Технический результат достигается тем, что двухспектральное фотоприемное устройство содержит матрицу фоточувствительных элементов с коротковолновым рабочим фоточувствительным слоем и длинноволновым рабочим фоточувствительным слоем и соответствующими фоточувствительными элементами для коротковолнового и длинноволнового диапазонов спектра. Матрица фоточувствительных элементов состоит из трех разновысоких областей - центральной и двух периферийных. При этом высота центральной области определена высотой коротковолнового рабочего фоточувствительного слоя, а высота двух периферийных областей определена суммарной высотой коротковолнового и длинноволнового рабочих фоточувствительных слоев. Контакты матрицы фоточувствительных элементов состыкованы с контактами интегральной схемы считывания. Для обеспечения стыковки матрицы фоточувствительных элементов и интегральной схемы считывания контакты интегральной схемы считывания выполнены в виде индиевых столбиков разной высоты. Фоточувствительные элементы коротковолнового диапазона спектра расположены в центральной области матрицы, а фоточувствительные элементы длинноволнового диапазона спектра и общие контакты расположены в периферийных областях матрицы.
Выполнение матрицы фоточувствительных элементов в виде трех разновысоких областей обеспечивает симметричность ее конструкции. Это приводит к равномерному распределению нагрузки на контакты при стыковке матрицы фоточувствительных элементов с интегральной схемой считывания, что, в свою очередь, решает задачу создания надежной конструкции двухспектрального фотоприемного устройства, состоящего из матрицы фоточувствительных элементов и интегральной схемы считывания, состыкованных индиевыми столбиками.
Изобретение поясняется чертежами,
где на фиг.1 представлена структура матрицы фоточувствительных элементов (вид спереди);
на фиг.2 - структура матрицы фоточувствительных элементов (вид сверху);
на фиг.3 - матрица фоточувствительных элементов на основе КРТ с разновысокими контактами;
на фиг.4 - интегральная схема считывания с разновысокими контактами.
Предложено двухспектральное фотоприемное устройство (ДФПУ) многорядного типа. Фоточувствительные элементы предназначены для детектирования излучения в коротковолновом спектральном диапазоне (3-5 мкм) и длинноволновом спектральном диапазоне (8-12 мкм).
x
1-x
Матрица фоточувствительных элементов изготовлена как многослойная полупроводниковая гетероэпитаксиальная структура на основе трехкомпонентного твердого раствора CdHgTe. Матрица фоточувствительных элементов содержит последовательно расположенные:
1 - подложку CdZnTe;
2 - буферный слой CdTe (на буферном слое может быть выращен варизонный слой, состав которого х плавно изменяется от 1,0±0,05 до 0,28±0,05 в направлении от подложки);
x
1-x
3 - коротковолновый рабочий фоточувствительный слой CdHgTe состава х=0,28±0,05 первого типа проводимости, соответствующий спектральному диапазону 3-5 мкм, толщиной порядка 6 мкм (на коротковолновом рабочем фоточувствительном слое может быть выращен барьерный слой толщиной не менее 0,5 мкм, уменьшающий взаимное проникновение носителей заряда между рабочими фоточувствительными слоями);
x
1-x
4 - длинноволновый рабочий фоточувствительный слой CdHgTe состава х=0,22±0,05 первого типа проводимости, соответствующий спектральному диапазону 8-12 мкм, толщиной порядка 6 мкм;
5 - полупроводниковый материал CdHgTe n-типа проводимости, формирующий фотодиоды;
6 - диэлектрическое покрытие толщиной порядка 1 мкм;
7 - контакты (индиевые столбики) к фоточувствительным элементам матрицы;
8 - общие контакты.
Два рабочих фоточувствительных слоя постоянного состава одного типа проводимости соответствуют двум диапазонам фоточувствительности устройства (3-5 и 8-12 мкм).
Интегральная схема считывания обеспечивает параллельное считывание и обработку сигнала двухспектрального фотоприемного устройства многорядного типа в двух спектральных диапазонах (3-5 и 8-12 мкм) обеспечивает режим временной задержки и накопления и имеет смешанную разводку выводов.
Контакты матрицы фоточувствительных элементов состыкованы с контактами интегральной схемы считывания.
Матрица фоточувствительных элементов состоит из трех разновысоких областей - центральной и двух периферийных. При этом высота центральной области определена высотой коротковолнового рабочего фоточувствительного слоя, а высота двух периферийных областей определена суммарной высотой коротковолнового и длинноволнового рабочих фоточувствительных слоев. Фоточувствительные элементы коротковолнового спектрального диапазона расположены в центральной области матрицы фоточувствительных элементов, а фоточувствительные элементы длинноволнового спектрального диапазона и общие контакты расположены в периферийных областях матрицы фоточувствительных элементов.
Исходя из разновысокости областей матрицы на разной высоте находятся и фоточувствительные элементы коротковолнового и длинноволнового диапазонов спектра. Для обеспечения стыковки контактов матрицы фоточувствительных элементов и контактов интегральной схемы считывания контакты интегральной схемы считывания выполнены в виде разновысоких индиевых столбиков - более высоких в центральной области и менее высоких в периферийных областях. Разная высота индиевых столбиков интегральной схемы считывания позволяет с высокой точностью и высоким процентом выхода годных стыковать матрицу и интегральную схему считывания методом холодной сварки.
Простота технологического процесса изготовления матрицы фоточувствительных элементов достигается за счет того, что фотодиоды в обоих рабочих фоточувствительных слоях формируются в едином технологическом процессе. Расстояние между фоточувствительными элементами двух областей спектральной чувствительности (3-5 и 8-12 мкм) выбирается таким образом, чтобы надежно проводить технологические операции фотолитографии и химического травления с последующими операциями изготовления фотодиодов. Исходя из экспериментальных исследований, расстояние между фоточувствительными элементами двух спектральных диапазонов (3-5 и 8-12 мкм) в месте перепада высот на гетероэпитаксиальной структуре составляет более 80 мкм, но менее 100 мкм.
Простота юстировки сканера достигается за счет того, что линейки фоточувствительных элементов различных спектральных диапазонов расположены в интегральной гетероэпитаксиальной структуре и расстояние между фоточувствительными элементами спектральных диапазонов 3-5 и 8-12 мкм составляет менее 100 мкм при шаге между каналами не более 28 мкм.
1
g
2
g
В процессе работы фотоприемного устройства (для варианта устройства, где длинноволновый рабочий фоточувствительный слой расположен на коротковолновом рабочем фоточувствительном слое) потоки излучения с энергией кванта hv≥E (первого спектрального диапазона 3-5 мкм) и hv≥E (второго спектрального диапазона 8-12 мкм) проходят через подложку из CdZnTe - 1 и проходят через буферный слой CdTe - 2. Затем поток излучения первого спектрального диапазона поглощается коротковолновым рабочим фоточувствительным слоем 3 состава х=0,28±0,05, а поток второго спектрального диапазона поглощается в длинноволновом рабочем фоточувствительном слое 4 состава х=0,22±0,05. Неравновесные носители заряда, генерированные излучением в слоях 3, 4, диффундируют к областям объемного заряда, образованным на границах полупроводников p и n-типа, где втягиваются электрическим полем p-n-переходов и принимают участие в процессе возникновения электрического тока.