МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ КОДОВЫЙ ФОТОПРИЕМНИК

Заявляемый многоэлементный кодовый фотоприемник относится к области полупроводниковых приборов, чувствительных к излучению видимого и ближнего инфракрасного диапазонов, и предназначен для использования в оптико-электронных системах определения координат источников излучения, в том числе в аппаратуре обнаружения и определения направления падающего лазерного излучения, для формирования в таких системах информации о координатах (направлении) источника излучения в виде цифрового циклического двоичного кода Грея.
Известен аналог - полупроводниковый многоэлементный фотоприемник, содержащий подложку, на которой сформированы фоточувствительные элементы (области с типом проводимости, противоположным типу проводимости подложки). Топология этих фоточувствительных элементов соответствует основным разрядам кода Грея [Л.Н.Преснухин и др. Фотоэлектрические преобразователи информации. - М. Машиностроение, 1974]. Недостатком прибора является низкие надежность, помехо- и фоноустойчивость, малый динамический диапазон, большая взаимосвязь, что приводит к ошибочным решениям.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели и принятым за прототип является кремниевый многоэлементный кодовый фотоприемник [Б.С.Никонов и др. Кремниевый многоэлементный кодовый фотоприемник. Оптико-механический журнал, 1983 г. №2, стр.45-47]. Прибор содержит полупроводниковую подложку одного типа проводимости с областями противоположного типа проводимости, образующими фоточувствительные площадки, размещенные в виде основных и дополнительных разрядов. При этом области противоположного типа проводимости являются общими для всех площадок, образующих каждый из основных и дополнительных разрядов, а топология фоточувствительных площадок сформирована непрозрачной маской, нанесенной на поверхность полупроводниковой пластины над слоем токопроводящих дорожек и электрически изолированной от пластины и от токопроводящих дорожек.
Введение дополнительных разрядов повышает помехоустойчивость и надежность, снижает риск ложных решений при среднем уровне оптических сигналов. Вместе с тем полностью не устранена взаимосвязь, остается ограниченным динамический диапазон: при определении координаты мощного лазерного импульса могут возникать
ложные сигналы дополнительных необлучаемых разрядов. Введение маски для формирования кода Грея усложняет и удорожает технологию. При этом технология должна быть как минимум двухуровневой: в первом уровне должна формироваться токопроводящая система, а во втором уровне должна формироваться маска кода Грея. Это пригодно для кремния, но ограничивает возможности создания прибора на других - прежде всего узкозонных - материалах, а поэтому ограничивает спектральный диапазон чувствительности фотоприемника.
Заявляемая полезная модель решает задачи создания кода Грея непосредственно топологией чувствительных площадок без применения масок, что дает возможность использовать технологии с одним уровнем металлизации, следовательно, применять узкозонные материалы, тем самым расширить диапазон спектральной чувствительности, упростить и удешевить производство. Кроме того, решаются задачи повышения динамического диапазона, помехоустойчивости, быстродействия, снижения паразитной взаимосвязи между разрядами.
Для решения поставленных задач в известном многоэлементном кодовом фотоприемнике,
содержащем полупроводниковую подложку одного типа проводимости с областями противоположного типа проводимости, образующими фоточувствительные площадки, размещенные в виде основных и дополнительных разрядов;
фоточувствительные площадки в каждом основном и дополнительном разрядах размещают в соответствии с кодом Грея, они содержат токопроводящие дорожки по периметру и электрически соединены между собою с помощью других токопроводящих дорожек, изолированных от полупроводниковой подложки.
Кроме того, заявляемая полезная модель может дополнительно содержать стоп-область, проводимость которой того же типа, но значительно выше по значению, чем проводимость подложки, причем стоп-область размещена на поверхности подложки, свободной от фоточувствительных площадок.
Заявляемая полезная модель поясняется:
- фиг.1, на которой представлена топология полезной модели;
- фиг.2, на которой представлено сечение А-А полезной модели (размеры указаны условно);
- фиг.3, на которой изображен увеличенный фрагмент полезной модели;
- фиг.4, на которой представлен пример конструктивного исполнения заявляемой полезной модели.
осн
осн
осн
ocн
доп
доп
доп
доп
Заявляемый многоэлементный фотоприемник содержит полупроводниковую подложку 1. На подложке 1 сформированы фоточувствительные площадки (ФП) 2, путем формирования областей с типом проводимости, противоположным типу проводимости полупроводниковой подложки 1 (на фиг.1, 3 фоточувствительные площадки выделены белым). ФП 2, принадлежащие одному фоточувствительному элементу (ФЧЭ) номеров II, III, IV, электрически соединены между собой и/или с контактными площадками 3 токопроводящими дорожками 4. Каждый фоточувствительный элемент (с I по IV) является одним разрядом. На фиг.1 представлено устройство, которое содержит по четыре основных (I, II, III, IV) и по четыре дополнительных (I, II, III, IV) разрядов. В общем случае полезная модель может содержать число таких разрядов n, отличное от четырех. Топологически разряды представляют собой полоски, расположенные параллельно оси X. Термины "основной" и "дополнительный" характеризуют особенности топологии ФП 2 в разрядах (в ФЧЭ): если ФП 2 сформированы в основном разряде, то они отсутствуют в дополнительном, если ФП 2 в основном разряде не сформированы, то они формируются в дополнительном разряде (сказанное относится к любой координате Х любого разряда в пределах фоточувствительной зоны).
Топология ФП соответствует коду Грея. Контактные площадки 3 и токопроводящие дорожки 4 изолированы от подложки 1 с помощью диэлектрика 5, в котором сформированы окна 6 для обеспечения электрического контакта дорожек 4 с одной из областей ФП 2. По периметру области ФП 2 сформированы токопроводящие дорожки 7, также изолированные от подложки 1 с помощью диэлектрика 5. На фиг.1 контактные площадки 3, токопроводящие дорожки 4 и 7 имеют черный цвет.
+
Кроме того, полезная модель может содержать приповерхностную стоп-область 8 (на фиг.1, 3 она выделена светло серым). Стоп-область 8 имеет тот же тип проводимости, что и подложка 1, но значительно выше по значению, чем проводимость подложки 1. Для конкретности на фиг.2 выбран n-тип проводимости подложки 1, р-тип для ФП 2 и n-типа для стоп-области 8. Топология стоп-области 8 поясняется фиг.1, 3: она сформирована в приповерхностной области подложки 1 там, где нет фоточувствительных площадок 2 (с незначительным промежутком между 1 и 2). По внутреннему периметру стоп-области 8 (со стороны ФП 2) расположена токопроводящая дорожка 9 таким образом, что она электрически изолирована от контактных площадок 3 и токопроводящих дорожек 4,7. Для электрического контакта токопроводящих дорожек 9 со стоп-областями 8 в диэлектрике 5 предусмотрены окна 10. Для точного монтажа по
центру четырех сторон кристалла формируются соответственно четыре реперные метки 11.
Многоэлементный кодовый фотоприемник работает следующим образом. Прибор облучается полосой, перпендикулярной разрядам (фоточувствительным элементам), то есть расположенной параллельно оси Y. При этом координата Х облучающей полосы может меняться в пределах 0÷L. Здесь L - максимальный габаритный размер ФЧЭ; величина L является также габаритным размером по оси Х фоточувствительной зоны, то есть зоны, которую занимают все разряды, все ФЧЭ. На фиг.1 изображена также ось относительной координаты х=X/L, она изменяется в пределах 0÷1.
осн
Iосн
Iдon
Рассмотрим сигналы первого разряда. Как видно из фиг.1, при перемещении облучающей полосы в диапазоне х=0÷0.5 эта полоса попадает только на ФП основного разряда I (на ФП дополнительного полоса не попадает). Поэтому возникает сигнал только облученного основного разряда J, а на необлученном дополнительном разряде сигнал равен нулю, J≡0. Если облучающаяся полоса перемещается в диапазоне
Iосн
Iдоп
х=0,5÷1, то ситуация меняется на противоположную: облучаемым оказывается только дополнительный разряд, поэтому J=0; J>0. Все разряды подключают ко входам своего отдельного дифференциального усилителя: основные - к неинвертирующему входу, а дополнительные - к инвертирующему. Поэтому на выходе каждого из дифференциальных усилителей возникает разностный сигнал. Так, на выходе дифференциального усилителя рассматриваемого первого разряда возникает сигнал:
Здесь К - коэффициент передачи. Выбирают значение К таким, чтобы при минимальной оптической мощности обеспечивалось:
пор
Здесь [U] - пороговый уровень напряжения (модуль). Большой положительный сигнал принимают за логическую единицу ("I"), а большой (по амплитуде) отрицательный сигнал - за логический нуль ("0"). Тогда в рассмотренном выше случае при перемещении облучающей полосы в диапазоне х=0÷0,5 на выходе дифференциального усилителя первого разряда возникает "I", а в диапазоне х=0,5÷1 возникает "0". Таким образом, первый разряд позволяет различить два положения пятна.
Аналогичным образом работают и все остальные разряды. Минимальный размер ФП последующих разрядов вдвое меньше, чем таковой в предыдущем разряде, смотрите
топологию заявляемой модели фиг.1. Поэтому при помощи двух разрядов уже можно определить четыре положения пятна:
х
0÷0,25
0,25÷0,5
0,5÷0,75
0,75÷1
сигнал разряда I
1
1
0
0
сигнал разряда II
0
1
1
0
4
n
Отсюда видно, что в зависимости от четверти, в которой расположено пятно, сигналы в цифровом двоичном коде равны 10, 11, 01, 00. При использовании всех четырех разрядов можно различить 2=16 положений; для n разрядов получим разрешение по координате, равное 2.
дoп
Iдоп
Iдоп
Кроме того, при облучении полосой областей разрядов, где нет ФП (например, дополнительного разряда I при относительной координате пятна х≤0,5) фотоны генерируют фотоносители в стоп-области, где они рекомбинируют ввиду высокой концентрации примеси и центров рекомбинации, не достигают ФП дополнительного разряда, поэтому не создают ложный сигнал (в рассмотренном случае не создают сигнал J, то есть J≈0)
+
17
18
-3
+
2
2
2
2
Пример. В соответствии с заявляемой моделью был спроектирован многоэлементный кодовый фотоприемник, разработана его технология. Наличие в структуре только одного слоя диэлектрика и металлизации позволило выбрать в качестве полупроводниковой подложки 1 узкозонный материал - германий. Был выбран германий n-типа проводимости с сопротивлением из диапазона 0,35÷0,7 Ом·см. Для формирования областей противоположного типа проводимости ФП 2 (р-областей) использовался бор (В), а для формирования стоп-областей 8 (n-областей) использовался мышьяк (As). При этом приповерхностная концентрация мышьяка в стоп-области 8 была ~10÷10 см, что на два и более порядка выше концентраций примеси подложки. Указанные примеси вводились прецизионной ионной загонкой с последующей термической разгонкой (Т=615°С, время 60 мин.). В качестве диэлектрического покрытия 5 служила двуокись кремния (SiO). Необходимая толщина 0,2 мкм достигалась при пиролитическом осаждении при Т≈300°C. Для создания всех контактных площадок 3 и токопроводящих дорожек 4, 7, 9 использовался один уровень золота с подслоем титана. Топология р, n-слоев 2 и 8, контактных площадок 3 токопроводящих дорожек 4, 7, 9, окон 6, 10 обеспечивались фотолитографией. Размеры подложки 14,5×6,2 мм, ее толщина 0,32 мм; размер фоточувствительной зоны 12×4,72 мм (L=12 мм). Размер фоточувствительного элемента 12×0,3 мм. Число разрядов - четыре (четыре основных и четыре дополнительных). Число фоточувствительных площадок - 19.
Полупроводниковая подложка 1 (со всей описанной структурой) собирается в прецизионном корпусе, (фиг.4) в следующей последовательности. Сначала подложка 1 монтируется на ситалловую пластину 12, последняя в свою очередь - на держатель 13. Держатель имеет десять рабочих выводов 14, изолированных с помощью стеклянных изоляторов 15. Электрические соединения подложки - сформированных на ней контактных площадок 3 для фоточувствительных площадок 2 и токопроводящих дорожек стоп-областей 8 - с выводами 14 осуществлялись с помощью золотой проволоки 16 диаметра 0,05 мм. Крышка 17 со стеклянным окном 18 герметически приваривалась к держателю 13. Точность монтажа и изготовления корпусных деталей обеспечивает установку изделия в оптико-электронной аппаратуре с точностью до 50÷100 мкм.
Разработанные структуры изделия, топология, технология позволяют освоить его в производстве, наладить серийный выпуск. Были изготовлены и испытаны партии германиевого многоэлементного кодового фотоприемника (ФД-246 AM, БМ). Сочетание перечисленных выше признаков заявляемой полезной модели позволило по сравнению с прототипом:
- расширить спектральный диапазон чувствительности - увеличить длинноволновую границу с 1,1 мкм (как у кремниевого прототипа) до 1,7 мкм;
-14
-7
- увеличить динамический диапазон: принимать излучение коротких (10 нс) лазерных импульсов мощностью от (1÷2)·10 Дж. до (3÷6)·10 Дж.
- повысить помехоустойчивость и надежность: в партии изготовленных приборов отсутствовали приборы, выдающие ложные коды;
- улучшить фотоэлектрические и эксплуатационные характеристики; за счет двойного уменьшения по сравнению с прототипом) площади ФП 2 (площади рn-переходов) вдвое снижаются обратные и фоновые токи, емкость; за счет кольцевых токопроводящих дорожек снижается последовательное сопротивление; все сказанное повышает быстродействие, снижает шумы.
Указанные германиевые кодовые фотоприемники (ФД-246 AM, БМ), изготовленные в соответствии с признаками заявляемой полезной модели, обеспечили потребность нового поколения оптико-электронной аппаратуры - лазерных обнаружителей - в фотоприемниках, позволили обнаруживать направление излучения лазеров с длинами волн не только 0,63; 1,06, но и 1,54 мкм. Тем самым решена важная проблема создания широкодиапазонных фотоприемников с высоким уровнем параметров для оптико-электронных систем, с высокой точностью регистрирующих направление падающего лазерного излучения всех основных типов мощных лазеров, применяемых в системах лазерного наведения, в том числе основного лазера, который используется в современных разработках - лазера с длиной волны 1,54 мкм.