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, КРТ 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 микроконтактов.
Известны матричные фотоприемники диапазона 3-5 мкм, в которых тонкая структура антимонида индия 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].
Изготовление матричного фотоприемника (МФП) из объемного материала требует утоньшения базовой области до толщины 8÷12 мкм тонкой базовой области. Процесс утоньшения включает бездефектную химико-механическую полировку до толщины базовой области 100÷80 мкм и химико-динамическую обработку до конечной толщины. Неплоскостность поверхности при размере МФП порядка 10 мм оказалась не хуже ±2 мкм.
При изготовлении матричных фотоприемников (МФП), стыкуемых с кремниевыми БИС мультиплексоров посредством индиевых столбиков, освещение падает со стороны базовой области матричного ФЧЭ на основе InSb.
До настоящего времени использовалась технология изготовления МФЧЭ из трех основных автономных этапов:
- изготовление кремниевой БИС мультиплексора с индиевыми столбиками;
- изготовление матрицы фотодиодов с индиевыми столбиками на толстой базовой области InSb, утоньшение ее на технологической прецизионной подложке методами химико-механической полировки и химико-динамической полировки до толщины 10÷20 мкм с последующей переклейкой тонкой структуры InSb на «просветленную» кремниевую подложку с помощью оптического клея;
- стыковка кремниевой БИС и тонкой структуры InSb на Si-подложке.
Недостатком этой технологии являются потери полезного сигнала при прохождении ИК-илучения в Si-подложке и оптическом клее. Кроме того, в некоторых случаях наблюдается искажение сигнала за счет интерференции в клеевом слое.
Вследствие малой величины шага (до 15 мкм) для снижения величины фотоэлектрической взаимосвязи необходимо утоньшение базовой области InSb до 7÷10 мкм, что становится проблематичным при изготовлении МФЧЭ по ранее разработанной технологии, так как возникают трудности при переклейке «тонкой» структуры InSb.
Разработаны основы технологии, исключающей эти недостатки. Она заключается в утоньшении базовой области толщиной 500 мкм МФЧЭ InSb, предварительно гибридизированной с кремниевой БИС считывания.
Разработка нового технологического маршрута позволяет снизить потери и искажение полезного сигнала за счет исключения интерферирующего тонкого клеевого слоя на пути прохождения ИК-излучения, уменьшить величину фотоэлектрической взаимосвязи благодаря возможности утоньшения фоточувствительного слоя InSb до 7÷10 мкм, а также за счет исключения операций переклейки «тонкой» структуры InSb снизить трудоемкость изготовления МФЧЭ, а, следовательно, увеличить процент выхода годных МФЧЭ.
Кроме этого, недостатком обычной технологии является динамическая взаимосвязь в МФПУ на основе фотодиодов из InSb заключающаяся в том, что после окончания засветки какой либо группы пикселей матрицы инфракрасным излучением высокой интенсивности (например, АЧТ с температурой ≥500 К) с каждого из засвеченных пикселей на протяжении длительного времени (вплоть до десятков минут) регистрируется остаточный сигнал в несколько раз превышающий шум (эффект памяти, эффект латентного изображения).
Величина эффекта составляет до 100 единиц шума МФПУ при засветке паяльником с температурой 230°С, или до 90 дБ от уровня мощного ИК-излучения. Этот эффект может ухудшать тактико-технические характеристики аппаратуры на основе МФПУ.
Для улучшения фотоэлектрических характеристик МФП была разработана технология нанесения просветляющего покрытия ZnS толщиной ~5000 А с предварительным ВЧ-катодным травлением ионами аргона поверхности антимонида индия в одном процессе с минимумом отражения на длине волны ~4 мкм.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежом фиг.1, на котором схематически представлен предлагаемый матричный фотоприемник в разрезе.
Матрица фоточувствительных элементов на основе антимонида индия 2 с нанесенным антиотражающим покрытием (ZnS) 1 с помощью предварительного ВЧ-катодного травления ионами аргона поверхности антимонида индия в одном процессе объединена с кремниевой БИС считывания 4 посредством индиевых микроконтактов 3.
Заявляемый матричный фотоприемник на основе антимонида индия работает на принципе внутреннего фотоэффекта. Регистрируемое излучение поступает на матрицу фоточувствительных элементов через просветление, прозрачное в рабочей области спектра, путем собственного поглощения его в базовой области антимонида индия и последующей диффузии неосновных носителей заряда в область p-n переходов. Сигналы от фоточувствительных элементов матрицы посредством индиевых микроконтактов попадают в БИС считывания, где обрабатываются и выводятся на регистрирующую аппаратуру.
Были изготовлены и испытаны опытные образцы матричных фотоприемников формата 320×256 элементов с шагом 30 мкм с использованием предлагаемой конструкции (смотри фотографию матричного фотоприемника на фиг.2).
Исследования полученных образцов показали, что чувствительность структур с напылением ZnS в 1.5÷2 раза выше обычных структур с анодным окислом, а квантовый выход достигает 90%, что свидетельствует об уменьшенной скорости поверхностной рекомбинации в случае предварительного ВЧ-катодного травления ионами аргона поверхности антимонида индия. Кроме этого, скорость рекомбинации носителей на тыльной стороне МФЧЭ оказалась на порядок меньше в структурах с обработкой ионами аргона перед напылением ZnS, основной причиной которого является наличие медленных состояний на границе раздела анодный окисел - антимонид индия с обратной стороны.